鋼纖維對(duì)聚氨酯砂漿力學(xué)性能及彎曲韌性的影響

朱 涵,姜金龍,姜雯麗霞,邵建文

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300350;2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

樹(shù)脂砂漿(Polymer Mortar,PM)是用樹(shù)脂取代水泥將干燥的骨料和填料膠結(jié)在一起的復(fù)合材料,因其固化時(shí)間短,具備優(yōu)異的力學(xué)性能、粘結(jié)性能、防腐蝕性能和抗?jié)B性能等,在道面與橋面的快速修補(bǔ)領(lǐng)域得以推廣應(yīng)用[1-2]。制備PM常用的樹(shù)脂主要有環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸酯、呋喃樹(shù)脂、不飽和聚酯等,但因造價(jià)過(guò)高、易燃、環(huán)保問(wèn)題等不同因素,限制了其大規(guī)模使用[3-5]。聚氨酯是高分子樹(shù)脂的一種,因?yàn)樾阅軆?yōu)越且無(wú)毒環(huán)保,造價(jià)適中,被廣泛地應(yīng)用于搶修堵漏、接嵌縫修復(fù)、表面涂料等工程領(lǐng)域[6-8]。但是以聚氨酯為膠粘劑制備的砂漿強(qiáng)度不高,并且有PM脆性破壞的共性缺陷,限制了它的使用[9-11]。

已有一些學(xué)者圍繞PM開(kāi)展了增強(qiáng)、增韌的相關(guān)研究。M.A.G Jurumenha等[12]研究了紡織纖維對(duì)不飽和聚酯砂漿斷裂性能的影響,發(fā)現(xiàn)紡織纖維的加入減緩了基體內(nèi)裂縫的開(kāi)展速度,砂漿的脆性得到改善;J.M.L Reis[13]將經(jīng)過(guò)表面處理的劍麻纖維加入到環(huán)氧樹(shù)脂砂漿和不飽和樹(shù)脂砂漿中,發(fā)現(xiàn)劍麻纖維的加入顯著提高了兩種樹(shù)脂砂漿的斷裂性能和韌性,劍麻纖維表面處理后對(duì)基體斷裂性能的提升不大;趙宏等[14]研究了磨碎玻璃纖維和輕質(zhì)碳酸鈣對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明兩者的加入均提高了砂漿的抗壓抗折強(qiáng)度,同時(shí)抑制了基體裂紋的擴(kuò)展,增強(qiáng)了砂漿的耗能能力;李冠杰等[15]研究了硅灰石、伊利石、硅藻土和煤氣化渣4種填料對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)加入4種填料后基體裂紋的擴(kuò)展形式從連續(xù)長(zhǎng)條狀且均勻有序轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則狀和階梯狀,實(shí)現(xiàn)了砂漿從脆性破壞向韌性破壞的轉(zhuǎn)變。

微細(xì)鋼纖維以高模量著稱,能有效橋接裂縫,可在較高摻量下大幅度提高基體的力學(xué)性能,是一種理想的增強(qiáng)、增韌填料[16-17]。以往的研究通過(guò)外摻柔性纖維或者粉末填料來(lái)改善PM力學(xué)性能,通過(guò)鋼纖維增強(qiáng)PM性能的研究則少有報(bào)道。此外,已有研究大多圍繞環(huán)氧樹(shù)脂砂漿和不飽和聚酯砂漿展開(kāi),對(duì)聚氨酯砂漿的研究鮮有報(bào)道。基于此,為尋求一種高性能、環(huán)保且適合大范圍使用的快速修補(bǔ)材料,筆者選用兩種長(zhǎng)度的超短超細(xì)鋼纖維作為嵌入填料,一種新型的環(huán)保聚氨酯作為膠粘材料,研究不同摻量、不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維對(duì)聚氨酯砂漿強(qiáng)度和彎曲韌性的影響,探析其影響機(jī)理。研究表明不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維對(duì)聚氨酯砂漿基體影響規(guī)律不同,但總體上鋼纖維的加入大幅增強(qiáng)了聚氨酯砂漿的抗壓抗折強(qiáng)度和彎曲韌性,利于材料在路面修補(bǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

樹(shù)脂材料選用廣州吉必盛科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的聚氨酯膠粘劑,分為多元醇組份(A組份)、MDI組份(B組份),各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。稀釋劑選用聚氨酯環(huán)保稀釋劑,試驗(yàn)用砂為天然河砂,最大粒徑為2.36 mm,表觀密度2 650 kg/m3,細(xì)度模數(shù)2.55。長(zhǎng)徑比不同的兩種鋼纖維均為永康鋼纖維廠生產(chǎn),LSF代表長(zhǎng)徑比較大的鋼纖維,SSF代表長(zhǎng)徑比較小的鋼纖維,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。消泡劑采用粵冠有機(jī)硅消泡劑。

表1 聚氨酯參數(shù)Table 1 Parameters of polyurethane

表2 鋼纖維參數(shù)Table 2 Parameters of steel fiber

1.2 配合比

聚氨酯砂漿試件的配合比見(jiàn)表3。試驗(yàn)中采用質(zhì)量比配置砂漿,設(shè)置膠砂比為0.3,質(zhì)量比m(A)∶m(B)=5∶1。為保證砂漿的工作性能,加入聚氨酯膠粘劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的稀釋劑,為減少膠粘劑制備過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡對(duì)基體密實(shí)度的影響,加入消泡劑組份,摻量為聚氨酯膠粘劑質(zhì)量的0.24%。兩種鋼纖維采用等體積替代砂的方式摻入,根據(jù)文獻(xiàn)[17],對(duì)于長(zhǎng)徑比65的微細(xì)鋼纖維,在水泥混凝土中體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)4%,長(zhǎng)徑比30的微細(xì)鋼纖維,體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)7%。為探究鋼纖維長(zhǎng)徑比和體積分?jǐn)?shù)兩個(gè)變量對(duì)聚氨酯砂漿性能的影響,筆者將兩種長(zhǎng)徑比的鋼纖維體積分?jǐn)?shù)均設(shè)置為1%、2%、3%、4%,設(shè)置基準(zhǔn)組鋼纖維體積分?jǐn)?shù)0%,共9個(gè)配合比。其中PM0為砂漿基準(zhǔn)組,PLSF、PSSF分別表示摻入LSF、SSF的試件,數(shù)字1、2、3、4代表鋼纖維體積分?jǐn)?shù)。

表3 聚氨酯砂漿試件配合比Table 3 Mix design of polyurethane mortar kg·m-3

1.3 試樣制備

按配合比稱料并制備試樣,為使鋼纖維均勻分散避免出現(xiàn)結(jié)團(tuán)和分層現(xiàn)象,將鋼纖維加入到砂子中干拌2 min備用,再將A、B組份混合,并加入稀釋劑和消泡劑攪拌2 min至顏色均勻,靜置5 min待其充分反應(yīng)后,加入到鋼纖維和砂子的混合料中,攪拌2 min。待新拌混合物有良好的工作性能后,分層將砂漿裝入40 mm×40 mm×160 mm的鋼模中,插搗壓實(shí)成型,24 h后拆模并進(jìn)行標(biāo)號(hào),在室溫下干燥養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 抗壓抗折試驗(yàn)

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)法》(GB/T 17671—1999)[18],分別測(cè)定各配合比試件的1 d、3 d、7 d抗壓抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)共9組配合比,每組配合比設(shè)置3個(gè)試件,共81個(gè)試件,取10%誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)平均值作為試驗(yàn)值。

1.4.2 彎曲韌性試驗(yàn)

試驗(yàn)參考《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13—2009)[19],使用濟(jì)南時(shí)代試金公司生產(chǎn)的WDW-100E微電腦控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件加載,加載速度為0.2 mm/min,跨距120 mm,通過(guò)靈敏度0.3 mV/mm、量程30 mm的位移計(jì)來(lái)測(cè)量試件跨中撓度,采集頻率為1次/s。當(dāng)砂漿強(qiáng)度降低到峰值荷載的80%時(shí)視為破壞,停止試驗(yàn)。試驗(yàn)共9組配合比,每組配合比測(cè)試3次,取3次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)值,繪制荷載撓度曲線。試件初始加載形態(tài)和破壞形態(tài)如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.1 Three point bending test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維聚氨酯砂漿的強(qiáng)度及發(fā)展速度

材料的早期強(qiáng)度及強(qiáng)度發(fā)展速度對(duì)其在路面快速修補(bǔ)工程的應(yīng)用至關(guān)重要。聚氨酯砂漿不同齡期下的抗壓抗折強(qiáng)度如圖2、圖3所示,折線各段斜率代表砂漿強(qiáng)度的發(fā)展快慢。

由圖2可得,LSF體積分?jǐn)?shù)在2%以下時(shí),減緩了砂漿早期(1～3 d)強(qiáng)度的發(fā)展速度,對(duì)砂漿后期(3～7 d)強(qiáng)度發(fā)展無(wú)明顯影響,LSF摻量在3%以上時(shí),砂漿強(qiáng)度發(fā)展速度呈增大趨勢(shì)。其中對(duì)于抗壓強(qiáng)度,早期強(qiáng)度發(fā)展速度在LSF體積分?jǐn)?shù)3%時(shí)最大,較基準(zhǔn)組提升了21.4%,LSF體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)后期強(qiáng)度發(fā)展速度最快,較基準(zhǔn)組提升了100%。對(duì)于抗折強(qiáng)度,LSF體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)強(qiáng)度發(fā)展最快,早期、后期強(qiáng)度的發(fā)展速度較基準(zhǔn)組分別提升了58.3%、146.2%。而由圖3可以看到,SSF對(duì)砂漿強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的影響與LSF明顯不同,當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在1%～4%變化時(shí),SSF的加入對(duì)早期強(qiáng)度發(fā)展速度無(wú)明顯影響,但顯著提升了后期強(qiáng)度的發(fā)展速度。當(dāng)SSF體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí),砂漿3d～7 d的抗壓、抗折強(qiáng)度發(fā)展速度最快,較砂漿基準(zhǔn)組分別提高了270%、107.7%。

對(duì)于早期強(qiáng)度,LSF體積分?jǐn)?shù)在4%時(shí),砂漿的1 d、3 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高了57.8%、31.8%,1 d、3 d抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高了55.8%、56.6%。SSF在體積分?jǐn)?shù)1%時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好,但1 d、3 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組也只分別提高了15.6%、7.6%;其1 d抗折強(qiáng)度在SSF體積分?jǐn)?shù)1%時(shí)較基準(zhǔn)組只提高了9.6%,3 d抗折強(qiáng)度在SSF體積分?jǐn)?shù)3%達(dá)到最高,較基準(zhǔn)組僅提高了3.9%?？梢钥吹?LSF的加入大幅提升了砂漿1 d、3 d抗壓抗折強(qiáng)度,使砂漿能滿足高等級(jí)路面材料的性能要求,同時(shí)縮短了修補(bǔ)后路面的開(kāi)放時(shí)間,以保證交通效率。而對(duì)于SSF,摻入后對(duì)聚氨酯砂漿早期強(qiáng)度影響很小,表明SSF的加入對(duì)砂漿在路面快速修補(bǔ)的應(yīng)用意義不大。

圖2 PLSF不同齡期下的抗壓抗折強(qiáng)度Fig.2 Compressive and flexural strength of PLSF at different ages

圖3 PSSF不同齡期下的抗壓抗折強(qiáng)度Fig.3 Compressive and flexural strength of PSSF at different ages

2.2 鋼纖維摻量對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

圖4為不同摻量的鋼纖維與聚氨酯砂漿力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系,4條曲線的擬合優(yōu)度R2分別為0.995 6、0.984 7、0.960 4、0.864 5?？梢钥吹?LSF體積分?jǐn)?shù)在2%以下時(shí),PLSF的抗壓抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組均無(wú)明顯提升,LSF體積分?jǐn)?shù)在3%、4%時(shí),抗壓強(qiáng)度分別提高了33.0%、42.0%,抗折強(qiáng)度分別提高了58.4%、69.7%。PSSF的抗壓強(qiáng)度在鋼纖維1%～4%變化時(shí)較基準(zhǔn)組分別提高了7.5%、9.5%、27%、45%,抗折強(qiáng)度分別提高了1.1%、5.6、6.7%、19.1%。

圖4 鋼纖維摻量對(duì)抗壓抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of steel fiber content on compressive and flexural strength

PLSF、PSSF在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)2%以下時(shí)強(qiáng)度均無(wú)較大提升,在3%以上時(shí)提高幅度很大,這是因?yàn)殇摾w維摻量較小時(shí),基體斷裂后鋼纖維橋接作用不足以承擔(dān)更大的荷載,基體斷裂強(qiáng)度視為砂漿破壞強(qiáng)度。不同的是,PLSF在體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí),曲線變平緩,表明鋼纖維體積分?jǐn)?shù)4%以上時(shí),砂漿的力學(xué)強(qiáng)度增加隨鋼纖維摻量變化的敏感度下降,這是因?yàn)長(zhǎng)SF摻量過(guò)大導(dǎo)致分散困難,結(jié)團(tuán)對(duì)基體造成缺陷,影響鋼纖維的增強(qiáng)效果;而PSSF強(qiáng)度隨鋼纖維摻量呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng),表明SSF體積分?jǐn)?shù)大于4%時(shí),PSSF強(qiáng)度提高幅度有進(jìn)一步增大的趨勢(shì),這是因?yàn)镾SF尺寸較小,更好地與骨料相協(xié)調(diào),可在更高摻量下大幅增強(qiáng)砂漿的力學(xué)性能,這與文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果一致。

2.3 鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

長(zhǎng)徑比對(duì)鋼纖維強(qiáng)度的影響如圖5所示。從圖中可以得出,當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在1%～4%變化時(shí),SSF對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高幅度相比于LSF分別增大了9.7%、8.4%、0.8%、2.1%;而對(duì)于抗折強(qiáng)度,LSF相較于SSF分別提高了5.6%、6.4%、48.4%、42.5%。

圖5 長(zhǎng)徑比對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of aspect ratio on mechanical properties of mortar

從圖5中可以看出,LSF的加入對(duì)PLSF抗壓抗折強(qiáng)度提高幅度都很大,但是SSF的加入主要提高了砂漿的抗壓強(qiáng)度,對(duì)抗折強(qiáng)度提高幅度不大。觀察試件斷裂破壞面發(fā)現(xiàn),PLSF的斷裂面鋼纖維的長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于PSSF斷裂面的鋼纖維,表示LSF在基體內(nèi)錨固長(zhǎng)度較大,拔出耗能能力較強(qiáng),能很好地橋接裂縫。因此LSF對(duì)砂漿的抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果優(yōu)于SSF,SSF尺寸較小與骨料相容性好,因而對(duì)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果更好。

2.4 鋼纖維對(duì)砂漿變形性能的影響

鋼纖維砂漿試件的荷載-撓度曲線如圖6所示。從圖中可以看出,試件PM0荷載在達(dá)到峰值后,曲線由峰值迅速跌落,呈脆性破壞,摻入鋼纖維后明顯看到曲線峰值荷載非線性段變長(zhǎng),表示試件裂縫開(kāi)展后,塑性區(qū)變長(zhǎng)。荷載達(dá)到峰值后,撓度一直增長(zhǎng),在峰值附近出現(xiàn)平臺(tái),峰值后荷載的降低趨勢(shì)也較為平緩,呈延性破壞模式,表示鋼纖維的摻入有效改善了聚氨酯砂漿的變形性能。

隨著LSF摻量的增加,PLSF撓度相對(duì)基準(zhǔn)組增長(zhǎng)了1.2～1.6倍,呈先增大后減小趨勢(shì)。對(duì)于PSSF,SSF體積分?jǐn)?shù)在1%～4%變化時(shí),撓度相較基準(zhǔn)組增長(zhǎng)了1.4～1.9倍,SSF體積分?jǐn)?shù)1%時(shí)最大,隨著摻量的增加,撓度提高幅度減小。這是因?yàn)殇摾w維能有效橋接裂縫,增大了砂漿的變形能力,但鋼纖維摻量較高時(shí),砂漿剛度變大,限制了砂漿撓度的發(fā)展。

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load deflection curves

2.5 鋼纖維對(duì)砂漿彎曲韌性的影響

2.5.1 彎曲韌性評(píng)價(jià)方法

目前鋼纖維混凝土的評(píng)價(jià)方法主要有美國(guó)材料協(xié)會(huì)提出的ASTM—C1018標(biāo)準(zhǔn)[20],我國(guó)的《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13—2009),日本JCI SFRC委員會(huì)提出的韌度指數(shù)法(JSCE—SF4)[21]。前兩種規(guī)范通過(guò)找初裂點(diǎn)來(lái)確定其他特征點(diǎn),由于初裂點(diǎn)的位置難以確定,其微小的差異對(duì)彎曲韌性的計(jì)算結(jié)果有很大影響,存在較大誤差和隨機(jī)性[22-23]。日本的JSCE—SF4未考慮試件的尺寸效應(yīng),不適用于本試驗(yàn)砂漿的彎曲韌性的計(jì)算。

筆者參考文獻(xiàn)[24],以峰值變形能Dp和峰后變形能Dk來(lái)評(píng)價(jià)砂漿的峰值、峰后彎曲韌性,計(jì)算方法如圖7所示。

圖7 能量吸收計(jì)算示意圖Fig.7 Calculation of energy absorption

圖中Dp、Dk分別對(duì)應(yīng)OAB和ABCD的面積,通過(guò)對(duì)荷載撓度曲線積分,按式(1)計(jì)算:

(1)

式中:Dn為砂漿的變形能;δ1、δ2為計(jì)算區(qū)間的撓度;F(δ)為相應(yīng)撓度時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載。采用能量比值法評(píng)價(jià)砂漿整體的彎曲韌性,根據(jù)式(2)計(jì)算彎曲韌性指數(shù)Re:

(2)

2.5.2 彎曲韌性計(jì)算結(jié)果及分析

彎曲韌性的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同配合比下砂漿彎曲韌性計(jì)算結(jié)果

從表中可以看出,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)在1%～4%變化時(shí),PLSF峰值變形能Dp相比于基準(zhǔn)組分別增長(zhǎng)了11.1%、37.4%、95.5%、79.3%,LSF在體積分?jǐn)?shù)3%時(shí)效果最好;PSSF的Dp相比于基準(zhǔn)組分別提高了70.3%、46.8%、47.5%、34.3%,SSF在體積分?jǐn)?shù)1%時(shí)效果最好。

分析原因,鋼纖維摻量增大,纖維與基體間形成的界面數(shù)量增加,鋼纖維拔出耗散的總能量越多,彎曲韌性越大,但由于砂漿在斷裂時(shí)并不僅僅依靠纖維拔出耗散能量,還有骨料之間的斷裂和破壞,當(dāng)鋼纖維摻入量過(guò)高時(shí),砂漿的工作性能下降,纖維發(fā)生團(tuán)聚,鋼纖維的摻入導(dǎo)致的基體內(nèi)部缺陷增大導(dǎo)致基體耗能下降,峰值變形能的提高幅度有所降低。

峰后變形能Dk隨著鋼纖維摻量增加而大幅度提高,鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在1%～4%變化時(shí),PLSF的Dk相較于基準(zhǔn)組分別提高了85.3%、166.9%、245.0%、591.2%,PSSF分別提高了108.5%、96.3%、113.0%、231.8%。分析原因?yàn)樵嚰休d達(dá)到峰值后,出現(xiàn)裂縫,PM0因應(yīng)力集中裂縫急劇擴(kuò)展,應(yīng)力陡然下降,無(wú)較大耗能能力。而摻入鋼纖維后,砂漿出現(xiàn)裂縫后依靠鋼纖維的橋接作用承載,此時(shí)砂漿的耗能能力主要取決于破壞面鋼纖維的數(shù)量,破壞面鋼纖維數(shù)量越多,纖維拔出時(shí)耗能越大,相應(yīng)的峰后變形能也就越大。因此,隨著鋼纖維摻量的增加,砂漿的峰后韌性大幅度提高,砂漿的脆性斷裂特性得到改善。

由表4還可以看到,Re隨鋼纖維摻量的增加而增大,表示鋼纖維的摻入有效改善了聚氨酯砂漿整體的彎曲韌性。此外,鋼纖維體積分?jǐn)?shù)相同時(shí),PLSF的Re相較于PSSF分別提高6.5%、8.8%、4.7%、17.1%,表明LSF對(duì)砂漿彎曲韌性的改善效果優(yōu)于SSF。

3 結(jié) 論

(1)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在2%及以下時(shí),LSF、SSF對(duì)聚氨酯砂漿的抗壓抗折強(qiáng)度均無(wú)明顯影響。LSF體積分?jǐn)?shù)在3%及以上時(shí),大幅提升了砂漿的1 d、3 d、7 d強(qiáng)度;SSF對(duì)砂漿1 d、3 d抗壓抗折強(qiáng)度無(wú)明顯影響,主要提高砂漿的7 d抗壓強(qiáng)度。

(2)LSF、SSF的加入將聚氨酯砂漿的撓度分別提高了1.2～1.6倍、1.4～1.9倍,有效提高了砂漿的變形能力,砂漿破壞模式由脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?/p>

(3)鋼纖維的加入大幅提高聚氨酯砂漿的彎曲韌性,峰后韌性提高尤為顯著,體積分?jǐn)?shù)4%時(shí),PLSF、PSSF峰后斷裂能提高幅度最大,試件在破壞后仍有很強(qiáng)的耗能能力和承載能力;PLSF的Re相較于PSSF較大,表明LSF對(duì)聚氨酯砂漿的增韌效果相較于SSF更好。