纖維改性對(duì)聚丙烯粗纖維增強(qiáng)水泥早期抗裂性能的影響*

張麗哲 孫啟龍 季 濤 高 強(qiáng)

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

纖維改性對(duì)聚丙烯粗纖維增強(qiáng)水泥早期抗裂性能的影響*

張麗哲 孫啟龍 季 濤 高 強(qiáng)

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

采用濃硫酸氧化法對(duì)聚丙烯粗纖維進(jìn)行改性處理，通過試驗(yàn)研究改性前后聚丙烯粗纖維在水泥砂漿基體中的分散性，以及其對(duì)水泥砂漿基體早期抗裂性能的影響。研究結(jié)果表明，聚丙烯粗纖維改性可顯著提高纖維在水泥砂漿基體中的分散均勻性，并對(duì)水泥基復(fù)合材料的早期抗裂性能具有顯著的增強(qiáng)效果。

聚丙烯粗纖維，改性纖維，早期開裂性能，水泥砂漿

纖維增強(qiáng)水泥是以水泥砂漿為基體，通過摻入適量的纖維，使纖維均勻分散，并與基體復(fù)合，從而形成的一種新型建筑材料。水泥砂漿基體中的纖維可減少并阻礙微裂縫的產(chǎn)生，改善水泥砂漿基體的脆性，并明顯改善水泥基復(fù)合材料的抗裂性能。目前，纖維增強(qiáng)水泥材料在道路、橋梁等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。

用于水泥增強(qiáng)的纖維種類較多，包括鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維及合成纖維等，其中合成纖維又以聚丙烯纖維的研究與應(yīng)用較多。聚丙烯纖維具有質(zhì)輕價(jià)廉、物理化學(xué)性能優(yōu)良等諸多優(yōu)勢(shì)，特別是聚丙烯粗纖維，近年在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用逐漸增多[2-4]。但聚丙烯粗纖維自身存有缺陷，如表面能低、表面疏水、分子鏈上缺少活性官能團(tuán)等，因而在水泥砂漿基體中很難分散均勻，其與基材的黏結(jié)強(qiáng)度欠佳。解決該問題的有效辦法就是對(duì)纖維進(jìn)行改性處理。

本文主要通過纖維分散性試驗(yàn)和平板開裂試驗(yàn)，對(duì)比研究聚丙烯粗纖維改性前后對(duì)水泥砂漿早期抗裂性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂采用細(xì)度模數(shù)為2.5的優(yōu)質(zhì)河砂；拌合水選擇普通自來水；聚丙烯粗纖維由南通新帝克單絲科技股份有限公司生產(chǎn)，其主要性能參數(shù)見表1[5]52-54。

表1 聚丙烯粗纖維的主要性能參數(shù)

主要性能參數(shù)直徑/mm0.2長(zhǎng)度/mm20密度/(g·cm-3)0.91斷裂強(qiáng)度/MPa591斷裂伸長(zhǎng)率/%18.06

1.2 試驗(yàn)配比

試驗(yàn)時(shí)固定水泥砂漿的配合比，通過調(diào)整聚丙烯粗纖維的纖維體積率來研究其對(duì)水泥砂漿早期抗裂性能的影響。

試驗(yàn)采用的水灰比為0.5，水泥砂漿各組分的配合比為水泥∶砂∶水=1.0∶1.5∶0.5。聚丙烯粗纖維分別以0.3%、 0.4%、 0.5%、 0.6%、 0.7%的體積率摻入水泥砂漿中。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 纖維改性

聚丙烯粗纖維的改性有等離子體處理法、化學(xué)氧化法、表面接枝處理法、偶聯(lián)劑處理法等多種[6]。本文主要采用濃硫酸對(duì)聚丙烯粗纖維表面進(jìn)行氧化處理，通過改變聚丙烯粗纖維表面的粗糙程度和極性基團(tuán)的含量，進(jìn)而改善聚丙烯粗纖維的親水性，增強(qiáng)聚丙烯粗纖維與水泥砂漿基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

纖維改性具體方法：將短切聚丙烯粗纖維放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸中，浸泡3 h，取出后水洗、晾干即可。

1.3.2 纖維分散性測(cè)試

纖維分散性測(cè)試采用取樣稱重法進(jìn)行。將按照配合比配置的纖維增強(qiáng)水泥砂漿倒入抗裂模具中，振蕩抹平后從不同區(qū)域取出2塊質(zhì)量均為1 kg的試樣，然后用水沖洗并篩取出纖維，并在(105±5) ℃下烘干至恒重，稱重即得樣品實(shí)測(cè)值。同時(shí)根據(jù)換算計(jì)算出每千克水泥砂漿含纖維的質(zhì)量，即樣品理論值。再根據(jù)樣品理論值與樣品實(shí)測(cè)值的差值與樣品理論值之比計(jì)算出偏差，用于后續(xù)的研究與比較。

1.3.3 纖維增強(qiáng)水泥砂漿早期開裂性能測(cè)試

纖維增強(qiáng)水泥砂漿早期開裂性能測(cè)試采用平板開裂法。平板試模尺寸為720 mm×520 mm×30 mm，木質(zhì)底板上間隔等距離釘有鐵釘。制作纖維增強(qiáng)水泥砂漿試樣時(shí)，先按比例稱取各組料，然后采用先干拌后加水拌合的方式攪拌均勻，最后倒入模具，振蕩抹平后置于溫度為24～26 ℃、相對(duì)濕度為 50%～60%的環(huán)境中，恒風(fēng)速吹24 h。觀測(cè)裂縫變化情況，使用塞尺測(cè)量裂縫寬度，使用細(xì)繩和直尺測(cè)量裂縫長(zhǎng)度，并做好試驗(yàn)記錄[5]52-54。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維改性對(duì)纖維分散均勻性的影響與分析

聚丙烯粗纖維采用濃硫酸處理前后的顯微鏡照片如圖1所示。從圖1可以看出，強(qiáng)酸處理后的聚丙烯粗纖維表面產(chǎn)生了明顯的刻蝕效果，出現(xiàn)了微槽，從而增加了纖維的表面粗糙程度。

圖1 濃硫酸處理聚丙烯粗纖維前后顯微鏡照片

以本文抗裂試驗(yàn)中纖維體積率的中間值0.5%為例，測(cè)試聚丙烯粗纖維改性前后在水泥砂漿中的分散狀況，結(jié)果如表2所示。

表2 聚丙烯粗纖維改性前后纖維分散性試驗(yàn)結(jié)果

纖維狀態(tài)水泥砂漿樣品總質(zhì)量/kg纖維總質(zhì)量/g樣品實(shí)測(cè)值/(g·kg-1)樣品理論值/(g·kg-1)偏差/%未改性10.9625.51.912.3318.03改性10.9525.52.112.339.45

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，聚丙烯粗纖維改性后，隨機(jī)取樣的纖維樣品實(shí)測(cè)值與樣品理論值的偏差較纖維改性前顯著減小，說明改性聚丙烯粗纖維在水泥砂漿中的分散均勻性得到有效提高(纖維分散均勻性提高近1倍)。究其原因在于，改性聚丙烯粗纖維的表面粗糙程度增大，同時(shí)纖維的親水性能有所改善，故而纖維與水泥砂漿之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度有所提高，這樣，纖維在水泥砂漿的攪拌過程中更易于與水泥砂漿基體結(jié)合，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，故而提高了纖維的分散均勻性。

2.2 纖維改性對(duì)纖維增強(qiáng)水泥砂漿早期抗裂性能的影響與分析

含不同纖維體積率的未改性聚丙烯粗纖維的水泥砂漿抗裂試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 含未改性聚丙烯粗纖維的水泥砂漿抗裂試驗(yàn)

纖維體積率/%裂縫條數(shù)裂縫面積/mm20.0112299.50.310530.50.48173.50.55170.00.6492.00.7440.0

由表3可知，與未摻加纖維的基準(zhǔn)水泥砂漿相比，未改性聚丙烯粗纖維能使水泥砂漿的早期裂縫明顯減少。在未改性聚丙烯粗纖維體積率為0.3%時(shí)，纖維增強(qiáng)水泥砂漿的裂縫面積較基準(zhǔn)水泥砂漿減少77%；當(dāng)未改性聚丙烯粗纖維體積率為0.7%時(shí)，纖維增強(qiáng)水泥砂漿的裂縫面積較基準(zhǔn)水泥砂漿減少98%。這說明，未改性聚丙烯粗纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料具有顯著的抗裂作用。未改性聚丙烯粗纖維的摻入不僅可改善水泥砂漿內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，而且能夠改變內(nèi)部滲水通道的路徑，延緩或減少水分的散失，從而減少水泥基復(fù)合材料開裂的可能性。

聚丙烯粗纖維改性前后纖維增強(qiáng)水泥砂漿的早期抗裂性能的測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 聚丙烯粗纖維改性前后纖維增強(qiáng)水泥砂漿裂縫面積對(duì)比

圖3 聚丙烯粗纖維改性前后纖維增強(qiáng)水泥砂漿裂縫條數(shù)對(duì)比

由圖2和圖3可以看出，改性聚丙烯粗纖維能有效減少纖維增強(qiáng)水泥砂漿產(chǎn)生早期裂縫，并減少裂縫面積。其中，當(dāng)纖維體積率為0.3%時(shí)，摻加改性聚丙烯粗纖維的水泥砂漿裂縫面積要明顯小于摻加未改性聚丙烯粗纖維的水泥砂漿；當(dāng)纖維體積率為0.6%時(shí)，摻加改性聚丙烯粗纖維的水泥砂漿已無可見裂縫，摻加未改性聚丙烯粗纖維的水泥砂漿仍存在少量裂縫。

此外，從圖2和圖3還可以看出，隨著改性聚丙烯粗纖維體積率的增加，水泥砂漿上的裂縫條數(shù)與裂縫面積都在逐漸減少，這說明改性聚丙烯粗纖維體積率對(duì)水泥砂漿的早期抗裂性能有影響。分析其原因，同樣是由于聚丙烯粗纖維改性后表面粗糙化及親水性能改善，使得纖維與水泥基體之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度得到提高，水泥砂漿內(nèi)部的滲水通道變得更為曲折，甚至被阻塞，進(jìn)而減少了水分的揮發(fā)；同時(shí)，改性聚丙烯粗纖維的摻入使試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)中大直徑毛細(xì)孔增多，且毛細(xì)孔的數(shù)量隨纖維體積率的增加而增加，試樣內(nèi)部毛細(xì)孔壓力減小，這樣，在水泥砂漿硬化收縮時(shí)，改性聚丙烯粗纖維可起到很好的抵抗早期收縮開裂的作用。

3 結(jié)論

通過對(duì)聚丙烯粗纖維進(jìn)行改性，研究了改性聚丙烯粗纖維在水泥砂漿基體中的分散性，以及其對(duì)水泥砂漿早期抗裂性能的影響，并得出：

(1) 聚丙烯粗纖維改性可顯著提高纖維在水泥砂漿基體中的分散均勻性，以改性聚丙烯粗纖維體積率為0.5%為例，纖維分散均勻性較改性前提高將近1倍；

(2) 未改性聚丙烯粗纖維可顯著提高水泥砂漿早期抗裂性能，且隨著纖維體積率的增加，水泥砂漿的抗裂效果越好；

(3) 改性聚丙烯粗纖維可進(jìn)一步明顯提高纖維增強(qiáng)水泥砂漿早期抗裂性能，其阻裂效應(yīng)較未改性聚丙烯粗纖維更有優(yōu)勢(shì)。

[1] 汪洋，楊鼎宜，周明耀．聚丙烯纖維混凝土的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]．混凝土，2004(1)：24-26.

[2] 呂進(jìn)，陽(yáng)知乾.聚丙烯粗纖維在混凝土中的應(yīng)用[J].商品混凝土，2009(11):25-27.

[3] 王伯昕，黃承逵，何化南.聚丙烯(PP)粗纖維混凝土彎曲韌性與抗沖擊性能研究[C]//第十四屆全國(guó)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議，2007：95-101.

[4] 王曉飛，丁一寧.聚丙烯粗纖維混凝土軸拉性能的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2011(1)：81-84.

[5] 張麗哲，丁春奎，季濤.聚丙烯粗纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗裂性能[J].上海紡織科技，2015，43(1).

[6] 李國(guó)忠，寧超，原海燕，等.改性聚丙烯纖維對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2010,13(2)：135-138.

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Effect of fiber modification on early-age cracking resistance of polypropylene coarse fibers reinforced cement

ZhangLizhe,SunQilong,JiTao,GaoQiang

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The polypropylene(PP)coarse fibers were modified with concentrated sulfuric acid oxidation method, and the fiber dispersion in the cement mortar matrix and the influence of the early-age crack resistance of the cement mortar matrix with before and after PP coarse fibers’ modification were studied by experiments. The results showed that PP coarse fibers’ modification could significantly improve the dispersion uniformity of fibers in the cement mortar matrix, and it had a significantly enhanced effect on the early-age cracking resistance of cement based composite materials.

polypropylene coarse fiber，modified fiber，early-age cracking behavior，cement mortar

*國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題4(2016YFB0303104)

2016-09-01

張麗哲，女，1982年生，副教授，研究方向?yàn)槔w維在混凝土中的性能與應(yīng)用

TS102.6， TU528.572

A

1004-7093-(2016)11-0014-04