異形截面PP纖維增強(qiáng)砂漿抗塑性開裂性能研究

張麗輝，劉建忠*，陽知乾，徐德根

(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)

異形截面PP纖維增強(qiáng)砂漿抗塑性開裂性能研究

張麗輝1,2，劉建忠1,2*，陽知乾1,2，徐德根1,2

(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)

選擇截面為圓形、三角形、三葉形3種聚丙烯(PP)纖維增強(qiáng)水泥砂漿，采用平板約束法、熒光分析技術(shù)和單根纖維拔出實(shí)驗(yàn)，分別研究PP纖維增強(qiáng)砂漿的抗塑性開裂性能、纖維分散性能和纖維/基體界面粘結(jié)性能。結(jié)果表明：當(dāng)纖維長度、當(dāng)量半徑和體積摻量相同時(shí)，異形截面PP纖維提升砂漿抗塑性開裂性能的效果優(yōu)于圓形截面PP纖維；與圓形截面PP纖維相比，三角形和三葉形截面PP纖維的纖維有效利用率分別提高了17.65%和29.41%，比表面積分別提高了28.6%和37.1%，纖維/基體的界面剪切強(qiáng)度分別提高了3.4%和8.9%；纖維的分散性、比表面積和纖維/基體界面剪切強(qiáng)度的提高是異形截面PP纖維有效提高砂漿的抗塑性開裂能力的主要原因。

聚丙烯纖維 異形纖維 水泥砂漿 抗塑性開裂性能

混凝土的塑性開裂性能嚴(yán)重影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命[1]，國內(nèi)外普遍認(rèn)為摻入纖維是減少塑性開裂的有效技術(shù)措施之一[2-3]。N.Banthia[2]及F.Pelisser[4]研究表明，低密度聚丙烯(PP)膜裂纖維能有效提高混凝土的抗塑性收縮開裂能力，且纖維體積摻量越大，抗塑性收縮開裂性能更優(yōu)；錢春香[5]、劉麗芳[6]及馬一平[7-8]等認(rèn)為，增大纖維摻量及長度、減小纖維直徑和纖維截面形狀異形化可有效提高混凝土的抗塑性收縮開裂能力。目前，大量研究都偏重于各種因素(如摻量、長度、直徑和截面形狀)協(xié)同對塑性收縮抗裂的影響規(guī)律，未采用控制變量法針對性的討論單一變量的影響，在機(jī)理分析方面則基于纖維間距理論定性認(rèn)為是由于纖維根數(shù)增加和纖維/基體間界面粘結(jié)力提高引起的，未考慮纖維分散對塑性收縮開裂性能的影響。而纖維在水泥基體中均勻分散是其增韌阻裂作用發(fā)揮的前提條件[9-12]，纖維在混凝土中的分散性能除了受配合比、分散助劑和攪拌工藝等的影響外，纖維長度、直徑和摻量，尤其是截面形狀也是重要且必須考慮的影響因素。異形截面纖維具有高光澤度、優(yōu)良抗靜電及抗變形能力，是頗具發(fā)展前途的一種差別化纖維[13-14]。

作者以異形截面PP纖維為研究對象，采用平板約束法研究PP纖維截面形狀對水泥砂漿抗塑性開裂性能的影響規(guī)律，借助熒光分析技術(shù)手段[15-18]和短切單根纖維拔出實(shí)驗(yàn)[19]分別對不同截面形狀PP纖維在砂漿中的分散性能及纖維/水泥基體界面粘結(jié)性能進(jìn)行定量表征，并結(jié)合理論計(jì)算揭示異形截面PP纖維影響砂漿抗塑性開裂性能的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

砂漿：P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥、礦渣、硅灰、細(xì)度模數(shù)為2.6的天然潔凈河砂、水和JM-A萘系高效減水劑；PP纖維：不同截面形狀(圓形、三角形和三葉形)PP纖維物理力學(xué)性能均相同，其中密度為0.91 g/cm3，極限抗拉伸強(qiáng)度為460 MPa，彈性模量為4.3 GPa，極限伸長率為22.8 %，當(dāng)量半徑為19.7 μm，長度為12 mm，江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)。

1.2 砂漿配比和制備

實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)砂漿配比：水膠比為0.4，砂膠比為1.2，PP纖維體積摻量為0.2 %。先將水泥、礦渣、硅灰和天然河砂倒入攪拌機(jī)干拌1 min，再加入纖維進(jìn)行攪拌1 min，最后加入水和減水劑攪拌3 min，保證PP纖維在水泥砂漿中的均勻分散。攪拌結(jié)束后，分2層澆筑40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試樣，1 d后拆模，高溫蒸氣(溫度為60 ℃，相對濕度大于95 %)養(yǎng)護(hù)3 d。

1.3 測試與表征

抗塑性開裂性能：采用平板約束法[1]對異形截面PP纖維增強(qiáng)砂漿的塑性開裂性能進(jìn)行測試。待水泥砂漿漿體攪拌結(jié)束后將砂漿裝入模具中，并置于溫度和濕度恒定的房間內(nèi)，溫度(34±1)℃，濕度(31%±1%)；成形6 h后觀察砂漿試樣的開裂情況，采用佳能5D mark II相機(jī)及佳能 EF 100 nm微距鏡頭對裂縫進(jìn)行圖像采集，采用Image-Pro Plus 6.0對所獲得的圖像進(jìn)行分析，采用裂縫面積、平均裂縫寬度和最大裂縫寬度對纖維的抗塑性開裂性能進(jìn)行表征。

分散性能：根據(jù)熒光分析技術(shù)[15-18]，采用Olympus MVX10宏觀變倍體式熒光顯微鏡和選擇GFP濾波器觀察試樣(自高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)3 d后的試樣中取樣)熒光圖像，再利用Image-Pro Plus 6.0[1]對所獲得的熒光圖像進(jìn)行分析，采用纖維分散系數(shù)(α)和纖維有效利用率(η)評價(jià)異形截面PP纖維在水泥砂漿中的分散性能。

α的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：t為試件某切割面所采集的二維圖像張數(shù)，一般取t為60；Xi為切割面上第i張圖像里纖維的根數(shù)；Xaverage為采集的所有圖像中纖維根數(shù)的平均值。

當(dāng)α∈[0.5，1]時(shí)，表示纖維分散均勻，而當(dāng)α∈[0，0.5)時(shí)，表示纖維分散不均勻。

η定義為單位面積內(nèi)纖維實(shí)際根數(shù)(A)與理論根數(shù)(T)的比值，計(jì)算公式如下：

η=A/T

(2)

η∈[0，1]，其值越接近1，說明纖維分散越均勻，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象越不明顯。

界面粘結(jié)性能：采用短切單根纖維拔出實(shí)驗(yàn)[19]測試不同截面形狀PP纖維/水泥基體界面剪切強(qiáng)度(τf)定量評價(jià)PP纖維/水泥基體界面粘結(jié)性能，τf越大說明界面粘結(jié)性能越好，計(jì)算公式為：

τf=Pm/(2πrle)

(3)

式中：Pm為最大力；le為纖維埋入深度，取5 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維截面形狀對砂漿抗塑性開裂性能的影響

從表1可以看出，摻入PP纖維能有效提高砂漿的抗塑性開裂能力，且截面形狀為異形的纖維抗裂效果均優(yōu)于圓形截面纖維，其中三葉形截面PP纖維對抗塑性開裂能力的提升效果最好。相較基準(zhǔn)砂漿 ，纖維截面形狀為圓形、三角形和三葉形截面時(shí)，對應(yīng)的開裂面積分別降低了40.18%，44.15%和54.56%，最大裂縫寬度分別降低了37.27%，40.37%和45.34%，平均裂縫寬度分別降低了45.09%，48.55%和53.18%。纖維提高砂漿抗塑性開裂性能的原因在于，一方面亂向分布于砂漿基體中的纖維可形成亂向撐托體系，有效阻止由于漿料離析產(chǎn)生的沉降裂縫；另一方面由于纖維的引氣作用增加了大氣泡的數(shù)量，降低了毛細(xì)管負(fù)壓，致使塑性收縮開裂減小。

表1 PP纖維截面形狀對砂漿塑性開裂性能的影響Tab.1 Effect of cross section shape of PP fiber on plastic shrinkage cracking of mortar

2.2 PP纖維在砂漿中的分散性能

從表2可以看出，異形截面PP纖維在砂漿中的α和η較圓形截面纖維均有提高，尤其是三葉形PP纖維的η提高幅度最大。以圓形截面PP纖維分散性能為基準(zhǔn)，截面形狀為三角形和三葉形時(shí)，對應(yīng)的α分別提高了5.4%和12.16%，η則分別提高了17.65%和29.41%。

表2 異形截面PP纖維在砂漿中的分散性能Tab.2 Dispersion of PP fiber with profiled cross section in mortar

這是因?yàn)槿切魏腿~形截面較圓形截面PP纖維的抗彎剛度提高，抗彎剛度的提高降低了異形截面PP纖維在砂漿中的結(jié)團(tuán)、成球和搭接，提高了纖維在砂漿中的分散性能，進(jìn)而提高了纖維的有效利用率，增大了異形截面PP纖維對砂漿塑性開裂的抵抗能力。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[13]報(bào)道，在相同荷載作用下，圓形、三角形和三葉形截面PP纖維的伸長量與壓縮量見表3，其中伸長量和壓縮量分別指纖維在荷載作用下沿軸向和徑向的變形量。

表3 截面形狀對PP纖維伸長量和壓縮量的影響Tab.3 Effect of cross section shape on elongation length and compression of PP fiber

從表3可知，異形截面的纖維變形量均比圓形的要小，承受的拉伸和壓力要大，則受荷載作用下的抗彎折和抗搭接性能更好，進(jìn)一步提升了異形截面PP纖維的分散性，尤其是纖維有效利用率，降低了由于塑性沉降和毛細(xì)管負(fù)壓增大所引起的塑性收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高了異形截面PP纖維增強(qiáng)砂漿的抗塑性開裂能力。

2.3 纖維/砂漿的界面粘結(jié)性能

從表4可知，三角形、三葉形截面PP纖維與砂漿基體間的τf比圓形截面PP纖維與砂漿基體間的τf分別提高了3.4%和8.9%。圖1a中圓形半徑(r)為19.7 μm，圖1b中三角形邊長(l)為53.05 μm，圖1c中三葉形寬(a)為18.84 μm。當(dāng)不同截面形狀的纖維當(dāng)量直徑相同，即橫截面面積相同時(shí)，根據(jù)圖1可得到不同截面形狀PP纖維的比表面積(S)之比，S圓形:S三角形:S三葉形為1.000:1.286:1.371，即三角形和三葉形截面PP纖維的比表面積較圓形截面的分別提高了28.6%和37.1%。

表4 不同截面形狀PP纖維與砂漿間的界面剪切強(qiáng)度Tab.4 Interfacial shear strength between mortar and PP fibers with different cross section shape

圖1 PP纖維的截面形狀Fig.1 Cross section shape of PP fibers

異形截面比表面積的增大為纖維/基體間界面剪切強(qiáng)度的提高奠定了基礎(chǔ)，在纖維分散性尤其是有效利用率提高的基礎(chǔ)上提高了纖維對水泥砂漿的橋接作用，抑制了微裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而大大提升了纖維增強(qiáng)砂漿的抗塑性開裂能力。

因此，異形截面PP纖維提高砂漿抗塑性開裂性能的主要原因在于隨著異形截面PP纖維抗彎剛度的提高和比表面積的增大，纖維在砂漿中的分散性能(尤其是纖維有效利用率)和纖維/基體的τf隨之提高。

3 結(jié)論

a.當(dāng)纖維長度、當(dāng)量直徑和體積摻量相同時(shí)，異形截面PP纖維增強(qiáng)砂漿的抗塑性開裂性能優(yōu)于圓形截面，三葉形PP纖維增強(qiáng)砂漿的抗塑性開裂性能最好，其次是三角形PP纖維。

b.與圓形截面PP纖維相比，異形截面PP纖維提高砂漿抗塑性開裂能力主要是由于本體抗彎剛度更高、分散性能更優(yōu)、比表面積更大和纖維/水泥基體界面剪切強(qiáng)度更高。

c.當(dāng)纖維截面形狀為三葉形時(shí)，其纖維有效利用率和纖維/水泥基體的τf較圓形截面分別提高了29.41%和8.9%，使得對應(yīng)砂漿的塑性開裂面積、最大裂縫寬度和平均裂縫寬度分別降低了54.56%，45.34%，53.18%。

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Anti-plastic cracking property of profiled PP fiber-reinforced cement mortar

Zhang Lihui1,2,Liu Jianzhong1,2,Yang Zhiqian1,2,Xu Degen1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHighPerformanceCivilEngineeringMaterials,JiangsuResearchInstituteofBuildingScienceCo.,Ltd.,Nanjing210008; 2.JiangsuSobuteNewMaterialsCo.,Ltd.,Nanjing211103)

The anti-plastic cracking property of cement mortar reinforced with circular,triangular or trilobal polypropylene (PP) fiber,the fiber dispersion and the fiber/matrix interfacial bond property were studied by flat restraint test,fluorescence spectrometry and single-fiber pull-out test.The results showed that as compared with circular PP fiber,the profiled PP fibers contributed the better anti-plastic cracking property to the cement mortar at the same fiber length,equivalent radius and volume fraction,and the triangular and trilobal PP fibers had the growth of 17.65% and 29.41% in the effective utilization,28.6% and 37.1% in the specific surface area,3.4% and 8.9% in the fiber/matrix interfacial bond property,respectively; and the better anti-plastic cracking property of profiled PP fiber-reinforced cement mortar relied on the growth of the fiber dispersion,specific surface area and fiber/matrix interfacial bond property.

polypropylene fiber; profiled fiber; cement mortar; anti-plastic cracking property

2015- 09-11； 修改稿收到日期：2016- 01-20。

張麗輝(1989—)，女，助理工程師，主要從事纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究。E-mail：zhanglihui@cnjsjk.cn。

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51438003)、江蘇省科技計(jì)劃青年基金項(xiàng)目(BK20141012)、六大人才高峰項(xiàng)目(2013-JZ-003)。

TQ342.62

A

1001- 0041(2016)02- 0022- 04

*通訊聯(lián)系人。E-mail：ljz@cnjsjk.cn。