合成纖維特征參數(shù)對(duì)砂漿流變行為的影響

陽知乾，張倩倩，劉建忠，林 瑋，崔 鞏

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

在過去的幾十年里，國內(nèi)外的眾多學(xué)者關(guān)注著纖維對(duì)混凝土硬化后力學(xué)性能及耐久性能的提升作用并取得了豐富的研究成果[1-2].纖維混凝土設(shè)計(jì)通常也是從滿足力學(xué)性能及耐久性要求出發(fā)，然而在滿足這些性能要求的同時(shí)，往往纖維混凝土的工作性能無法達(dá)到施工要求.目前關(guān)于纖維對(duì)混凝土工作性影響研究報(bào)道較少，但僅有的一些研究結(jié)果均表明加入纖維后會(huì)導(dǎo)致混凝土的工作性能降低[3-4].Ferrrara[4]等人的研究表明纖維長度增大和摻量增加導(dǎo)致混凝土坍落度和擴(kuò)展度明顯降低.Joung[5]等人研究結(jié)果表明纖維形狀對(duì)混凝土工作性能影響顯著.BanfillPFG[6-9]等人嘗試建立坍落度與屈服應(yīng)力之間有本質(zhì)關(guān)聯(lián)，Martinie[10]通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)探討了各種類型鋼纖維纖維摻量對(duì)漿體屈服應(yīng)力的影響機(jī)制.然而目前關(guān)于纖維對(duì)砂漿混凝土流變性能的影響，從試驗(yàn)研究與計(jì)算機(jī)模擬均主要考慮鋼纖維，對(duì)合成纖維很少涉及，主要是由于合成纖維在拌合過程中容易卷曲變形，難以保持其原有形態(tài)，給理論描述與計(jì)算機(jī)模擬均帶來困難.

基于流變學(xué)原理，采用流變性能科學(xué)表征混凝土的工作性能，探究合成纖維特征參數(shù)對(duì)砂漿流變行為的影響機(jī)制，為纖維混凝土的工作性能設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

江南小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P II52.5硅酸鹽水泥，密度3.13 g/cm3；普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；聚羧酸系高性能減水劑、消泡劑及纖維均為江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)品，其中纖維具體特征參數(shù)見表1.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中涉及砂漿含氣量、流動(dòng)性、以及流變性能測(cè)試.砂漿含氣量通過測(cè)試砂漿的容重來間接評(píng)價(jià).砂漿流動(dòng)性參考GB/T 2419-2005水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法.

砂漿流變性能測(cè)試采用冰島ConTec公司生產(chǎn)的Viscometer 5砂漿混凝土流變儀，選擇M-130測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試程序見圖1.砂漿流變性能的剪切速率范圍在0.1～0.5 rpm之間，通過測(cè)試剪切速率從0.5 rpm下降到0.1 rpm過程中的剪切應(yīng)力變化，采集下降過程中7個(gè)分段的剪切應(yīng)力并分段取平均值，進(jìn)而根據(jù)Bingham模型進(jìn)行擬合，得到砂漿屈服應(yīng)力和塑性粘度.

表1 纖維特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parametersof fibers

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中固定砂漿水膠比為0.35，砂膠比為1.2，減水劑用量0.4%.研究纖維直徑、長度、截面形狀、表面特征如物理形貌、油劑等對(duì)砂漿流變行為的影響.纖維特征參數(shù)對(duì)砂漿流變行為的試驗(yàn)結(jié)果見表2.

結(jié)合表2和圖2中纖維長度對(duì)流變性能的影響結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，纖維越長，相同含氣量時(shí)砂漿流動(dòng)性越差，屈服應(yīng)力越高，粘度也略有增加.PP1-PP4纖維長度分別為5 mm、6mm、10mm和12mm，其它特征參數(shù)相同.摻入PP1和PP3增加了砂漿的含氣量，且兩者含氣量相當(dāng).隨著纖維長度從5mm增加到10mm，流動(dòng)度從305mm降低至275mm，屈服應(yīng)力和塑性粘度也分別增加了17%和5%.PP2和PP4以及PVA1和PVA2纖維同樣具有類似的效果.以上結(jié)果均表明纖維長度對(duì)屈服應(yīng)力的影響比對(duì)塑性粘度的影響顯著.纖維長度的增加，會(huì)導(dǎo)致纖維之間更易搭接，形成纖維“骨架”結(jié)構(gòu)，增加了漿體開始流動(dòng)需克服的阻力以及流動(dòng)過程中的阻力，因此砂漿屈服應(yīng)力顯著增加，塑性粘度也有所提高.

表2 砂漿新拌性能Tab.2 Fresh propertiesofmortar

2.2 纖維直徑對(duì)流變的影響

圖3為纖維直徑對(duì)砂漿流變性能的影響，結(jié)合表2中結(jié)果可以看出：纖維直徑對(duì)砂漿流變性能有明顯作用，纖維直徑越小，流動(dòng)度越小，屈服應(yīng)力和塑性粘度越大.PVA2和PVA3的纖維長度均為12mm，直徑分別為13.9 m和26.2 m，其它特征參數(shù)相同.兩種纖維摻量為0.1%時(shí)，對(duì)砂漿含氣量的影響類似；然而纖維直徑減小，砂漿流動(dòng)度大幅度降低，屈服應(yīng)力和塑性粘度均顯著提高.減小纖維直徑意味著增加纖維根數(shù)，導(dǎo)致搭接的纖維數(shù)目增大，纖維“骨架”結(jié)構(gòu)密實(shí)，因而導(dǎo)致漿體流動(dòng)阻力增大，進(jìn)而增加了砂漿屈服應(yīng)力和塑性粘度.此外，減小纖維直徑也意味著提高了纖維與砂漿接觸的面積，接觸面積的增加導(dǎo)致纖維表面包裹的漿體量增多，砂漿中富余漿體厚度降低，因而進(jìn)一步增加了砂漿屈服應(yīng)力和塑性粘度.

2.3 纖維摻量對(duì)流變的影響

PVA纖維摻量對(duì)砂漿流變行為的影響見圖4和表2.結(jié)果表明：增加纖維摻量顯著降低砂漿流動(dòng)度，增加屈服應(yīng)力和塑性粘度.PVA5纖維摻量從0%增加了0.3%，砂漿含氣量逐漸增大，砂漿流動(dòng)度則從305 mm降低至210 mm，屈服應(yīng)力和塑性粘度也分別增加了119%和79%.增加纖維摻量意味纖維根數(shù)、纖維與漿體接觸面積顯著增大，因此導(dǎo)致砂漿流變性能隨摻量增加而變差.

2.4 纖維表、截面特征對(duì)流變的影響

此外，纖維表觀也是影響砂漿性能的重要因素.考慮纖維截面形狀以及纖維表面特征對(duì)砂漿流變性能的影響，結(jié)果見圖4和表2.PP1和PP5的纖維截面分別為圓形和三角形，相同摻量時(shí)，摻加三角形截面纖維的砂漿屈服應(yīng)力高于摻加圓形截面纖維的砂漿，而流動(dòng)度和塑性粘度基本相同.與圓形截面纖維相比，三角形截面纖維與漿體間摩擦阻力更大，因而導(dǎo)致漿體流動(dòng)阻力增加；當(dāng)相同體積摻量時(shí)，三角形截面纖維與漿體接觸面積大于圓形截面纖維，導(dǎo)致了纖維與漿體接觸面積增加，對(duì)砂漿流變性能也將產(chǎn)生負(fù)面影響.圖1中已表明了纖維越短對(duì)流變性能的影響越小.PP1和PP5纖維的長度僅為5 mm，因此可認(rèn)為是由于纖維長度因素，導(dǎo)致了纖維截面形貌對(duì)砂漿流變影響不顯著.PVA3、PVA4和PVA5 3種纖維的表觀狀態(tài)分別為表面光滑、表面粗糙化以及表面含油劑，此外3種纖維的直徑、長度和截面形狀也略有差異.從試驗(yàn)結(jié)果來看，表面油劑對(duì)砂漿引氣的影響要高于其他特征參數(shù)；盡管表面粗造化處理會(huì)導(dǎo)致纖維與漿體間摩擦力增大，以及腎形纖維會(huì)增加纖維與漿體間的接觸面積，但纖維直徑對(duì)砂漿流變性能的影響要比其他參數(shù)顯著.PVA4表面經(jīng)過粗糙化處理，但是由于其直徑明顯大于其它纖維，因此摻入 PVA4后，砂漿的流動(dòng)度僅從310 mm減小到300mm，且屈服應(yīng)力和塑性粘度增加幅度較小.

2.5 纖維引氣對(duì)流變的影響

表2中結(jié)果顯示摻入纖維后將導(dǎo)致砂漿含氣量增大，然而增加含氣量必然導(dǎo)致砂漿流動(dòng)度降低，屈服應(yīng)力和塑性粘度增加.因此本研究通過摻加消泡劑，考察含氣量相同時(shí)，纖維對(duì)流變性能的影響（見圖6）.摻入適當(dāng)消泡劑后，控制PP2-XP的含氣量與基準(zhǔn)砂漿近似.比較PP2和PP2-XP砂漿的流變性能發(fā)現(xiàn)，消除含氣量的影響后，摻入0.1%的6mmPP2對(duì)砂漿流變性能的影響較小，流動(dòng)度僅從310mm降低到300mm，明顯高于PP2砂漿；屈服應(yīng)力和塑性粘度的增幅也明顯低于PP2砂漿.因此，可認(rèn)為纖維對(duì)流變性能的影響與纖維的引氣作用密切相關(guān).為降低纖維對(duì)流變性能的負(fù)面作用，可適當(dāng)摻入一定量消泡劑，控制砂漿/混凝土含氣量.

3 結(jié)論

1）增加纖維長度導(dǎo)致纖維之間易搭接，形成纖維“骨架”結(jié)構(gòu)，增加了漿體開始流動(dòng)需克服的阻力以及流動(dòng)過程中的阻力，導(dǎo)致砂漿流動(dòng)性越差，屈服應(yīng)力越高，塑性粘度略有增加.

2）減小纖維直徑和增加摻量均增加纖維根數(shù)以及纖維與漿體作用面積，增加了漿體流動(dòng)阻力以及降低了富余漿體厚度，導(dǎo)致砂漿屈服應(yīng)力和塑性粘度顯著增大.

3）纖維表觀對(duì)砂漿流變性能有一定影響.與圓形截面纖維相比，三角形截面纖維與漿體摩擦阻力更強(qiáng)且接觸面積更大，導(dǎo)致砂漿的流動(dòng)性更差；表面含油劑的纖維會(huì)導(dǎo)致砂漿含氣量大幅度增加.

4）纖維對(duì)砂漿流變性能的影響與其引氣作用密切相關(guān)，摻入纖維增加了砂漿含氣量，消除多余的含氣量可減小纖維對(duì)砂漿流變性能的負(fù)面作用.

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