拌合工藝對(duì)粉煤灰基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料流動(dòng)性與力學(xué)性能的影響

徐藝珅，曾國東，周敏，方楊，李超，高英力

（1.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528000；2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

0 引言

ECC材料主要是以水泥、細(xì)砂、礦物摻合料、水及其他外加劑作為基體，用低于2%體積摻量的高強(qiáng)度高彈性短纖維作增延材料，使其硬化后擁有應(yīng)變-硬化和多重穩(wěn)態(tài)開裂特征的新型高性能纖維增韌水泥基復(fù)合材料[1-6]。目前，國內(nèi)外研究人員針對(duì)ECC材料已經(jīng)開展了大量的試驗(yàn)研究。高淑玲和徐世烺[7]通過圓柱試件進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ECC材料的極限壓應(yīng)變是基準(zhǔn)混凝土的5～10倍。Vasillaq[8]通過平板剪切試驗(yàn)對(duì)比了常規(guī)混凝土和ECC混凝土的開裂模式，結(jié)果表明，ECC混凝土在剪切過程中和常規(guī)混凝土不同。特別是在剪切作用下，ECC表現(xiàn)出良好的變形能力，減少了裂縫的產(chǎn)生。杜亮[9]利用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)ECC水泥基進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，高摻量的粉煤灰可以提高ECC材料的彎曲韌性。同時(shí)，為進(jìn)一步提升ECC材料的性能，部分學(xué)者開始使用混雜纖維來提高材料的延性和強(qiáng)度[10]。Pan等[11]利用玻璃纖維和PVA纖維混雜制備出一種用于機(jī)場道面的新型水泥路面ECC材料，結(jié)果表明，相比普通水泥路面，改性ECC路面可以接受3萬次沖擊，大大延長了機(jī)場道路的服役時(shí)間。Ma等[12]用CaCO3晶須改性常規(guī)ECC，從微觀界面提高ECC材料的力學(xué)性能，通過單軸拉伸和壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合總體積摻量為0.5%混雜纖維的ECC材料較常規(guī)ECC材料抗壓強(qiáng)度提高了23%，抗拉強(qiáng)度和拉應(yīng)變分別提高了53%和114%。

大量的試驗(yàn)研究探究了纖維種類、摻量對(duì)ECC材料力學(xué)和變形性能的影響[13-15]。然而，相比之下卻少有研究關(guān)注ECC復(fù)合材料制備工藝對(duì)ECC材料的工作性和早期強(qiáng)度的影響。Zhou等[16]通過調(diào)整纖維和其它粉料的順序，將混合料分為固態(tài)和液態(tài)2種，纖維投入順序同樣分為先加和后加2步，通過與常規(guī)投料順序?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)采用調(diào)整順序的新方式后，ECC的拉伸應(yīng)變和強(qiáng)度都有提高，且纖維更容易分散均勻。因此，適宜的拌合工藝參數(shù)對(duì)ECC材料性能的影響較大。

本文探究了以粉煤灰為主要膠凝材料，以PVA纖維、改性PP纖維和碳酸鈣晶須為增韌材料的粉煤灰基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同投料順序和不同攪拌時(shí)間下的流動(dòng)性能和早期抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律，為進(jìn)一步完善纖維增韌材料的制備理論與技術(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）膠凝材料：湖南長沙某水泥廠產(chǎn)P·O42.5水泥；河南鄭州某發(fā)電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，320目，含水量0.5%；河南洛陽某廠產(chǎn)微硅灰，1500～2000目。膠凝材料的化學(xué)成分見表1。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分 %

（2）細(xì)集料：河南洛陽某廠產(chǎn)乳白色高純石英砂，粒徑100～200目（0.15～0.075 mm），顆粒圓潤，利于纖維分散，莫氏硬度為7。

（3）聚羧酸高效減水劑：固含量為39%，減水率為40%。

（4）分散劑：羥乙基纖維素（HEC）。

（5）EVA：德國瓦克公司產(chǎn)VINNAPAS 5040N型，VA含量大于30%，以優(yōu)化復(fù)合材料的柔韌性；且由于加入了EVA聚合物，受其表面活性劑的影響，會(huì)在試件內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微氣泡。因此，加入佛山市某廠產(chǎn)的有機(jī)硅高效消泡劑。

（6）纖維：上海影佳公司產(chǎn)PVA纖維；寧波某科技公司產(chǎn)改性高模高強(qiáng)PP纖維（表面通過壓痕技術(shù)處理）；碳酸鈣晶須呈白色蓬松狀固體，SEM下為針棒狀單晶體。纖維的技術(shù)性能見表2和表3，形貌見圖1。

表2 PVA纖維和PP纖維的技術(shù)性能

表3 碳酸鈣晶須的技術(shù)性能

1.2 基準(zhǔn)配合比與試驗(yàn)方案

基準(zhǔn)配合比為：膠凝材料由30%水泥+60%粉煤灰+10%微硅灰組成，砂膠比為0.35，水膠比為0.31，EVA、減水劑、HEC摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的4%、0.8%、0.5%，PVA纖維、PP纖維、碳酸鈣晶須的摻量分別為1%、0.6%、1%。參考國內(nèi)外ECC材料的成型方式以及其他纖維混凝土的成型模式，參照J(rèn)GJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和CECS 13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)基于以下4種方法設(shè)置投料順序方案，（1）方案1：將膠凝材料、石英砂、分散劑、2/3的PVA纖維、EVA、碳酸鈣晶須混合干拌5 min，加入水、減水劑和消泡劑濕拌5 min，加入剩余1/3的PVA纖維和PP纖維全拌10 min后出料；（2）方案2：水、減水劑和消泡劑濕拌5 min，加入膠凝材料、石英砂、分散劑、2/3的PVA纖維、EVA、碳酸鈣晶須混合攪拌5 min，加入剩余1/3的PVA纖維和PP纖維全拌10 min后出料；（3）方案3：將膠凝材料、石英砂、分散劑、EVA、碳酸鈣晶須混合干拌5 min，加入水、減水劑和消泡劑濕拌5 min，加入PVA纖維和PP纖維全拌10 min后出料；（4）方案4：水、減水劑和消泡劑濕拌5 min，加入膠凝材料、石英砂、分散劑、EVA、碳酸鈣晶須混合攪拌5 min，加入PVA纖維和PP纖維全拌10 min后出料。從前期試驗(yàn)可知，PVA纖維吸水性極強(qiáng)，提前將PVA纖維和水以及其他水溶液攪拌混合會(huì)使纖維表面直接成團(tuán)，極難分散，會(huì)增大與基體的剪切力造成的不均質(zhì)。通過縮小試驗(yàn)樣本，只需要設(shè)置4種試驗(yàn)方案。通過探索試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改性PP纖維對(duì)漿體流動(dòng)性改變不大，并且基于保護(hù)改性PP纖維的完整性，故將改性PP纖維放在最后攪拌。方案1、方案2使用的是先摻纖維法，在試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，分批放入PVA纖維可以使纖維摻量達(dá)到最佳值，并保證良好的工作性。此外，在得到了最佳投料順序后，還探究了攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合材料的流動(dòng)性與早期力學(xué)性能的影響，攪拌時(shí)間參數(shù)設(shè)置時(shí)間見表4。

表4 攪拌時(shí)間參數(shù)設(shè)置

1.3 流動(dòng)度與力學(xué)性能測試方法

參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度檢測方法》，使用時(shí)先讓跳桌空跳1個(gè)周期25次，因?yàn)镋CC材料黏稠度高，膠砂搗入時(shí)速度不宜太快，但是從膠砂加入時(shí)到測量結(jié)束，不得超過6 min，并測得流動(dòng)度D0；參照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水泥膠砂抗折強(qiáng)度測試方法，每組制備3個(gè)160 mm×40 mm×40 mm試件，分別測試3、7 d抗折強(qiáng)度，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 投料順序?qū)Ψ勖夯一w維增強(qiáng)材料流動(dòng)度與抗折強(qiáng)度的影響（見表5）

由表5可知，就攪拌狀態(tài)和流動(dòng)性而言，方案1未加入水和其他水溶液時(shí)，干攪粉末揚(yáng)起現(xiàn)象嚴(yán)重，加入水和其他水溶液時(shí)基本沒有揚(yáng)塵，所有材料全拌時(shí)漿體與纖維分散效果較好，流動(dòng)度為4組中最大；方案2加入水和其他水溶液，濕拌時(shí)攪拌困難，漿體底部有小部分成團(tuán)的拌合物，需要多次轉(zhuǎn)換低速和高速攪拌模式，才可使攪拌過程正常進(jìn)行，其流動(dòng)度僅高于方案4；方案3未加入水和其他水溶液時(shí)，揚(yáng)塵現(xiàn)象嚴(yán)重，最后加入全部纖維時(shí)，攪拌過程困難，用刮刀可以明顯感到成股纖維成團(tuán)；而方案4加入水和其他水溶液時(shí)，揚(yáng)塵現(xiàn)象一直存在，濕拌后加入纖維導(dǎo)致攪拌機(jī)多次停擺，攪拌機(jī)出現(xiàn)很大晃動(dòng)，漿體底部存在成團(tuán)的拌合物，長時(shí)間攪拌未能改善，其擴(kuò)展度也最小。各試驗(yàn)組強(qiáng)度與流動(dòng)度情況類似：方案1試件的3、7 d抗折強(qiáng)度在4個(gè)試驗(yàn)組中均為最高；3 d時(shí)，方案1的抗折強(qiáng)度比方案2、3、4分別提高了24.6%、10.2%、24.8%；7 d時(shí)，方案1的抗折強(qiáng)度比方案2、3、4分別提高了24.3%、15.8%、28.5%。因此，方案1為最佳投料順序。

表5 不同投料順序下試件的流動(dòng)度和早期抗折強(qiáng)度

2.2 攪拌時(shí)間對(duì)粉煤灰基纖維增強(qiáng)材料流動(dòng)度與抗折強(qiáng)度的影響（見表6）

表6 不同攪拌時(shí)間下試件的流動(dòng)度和早期抗折強(qiáng)度

由表6可知，1#～6#試樣的流動(dòng)度呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，證明在一定的攪拌時(shí)間內(nèi)，漿體流動(dòng)度會(huì)隨著攪拌時(shí)間的延長而增大；值得注意的是，7#試樣的流動(dòng)度驟降，隨后8#試樣的流動(dòng)度繼續(xù)增大，說明干拌7 min后影響到了材料的均質(zhì)性，破壞了前面的平衡狀態(tài)，延長攪拌時(shí)間會(huì)重新建立平衡，導(dǎo)致流動(dòng)度驟降后再繼續(xù)增大。各試件3 d和7 d抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也支持了這一觀點(diǎn)。對(duì)比1#～3#試樣與4#～6#試樣可知，干拌時(shí)間從3 min延長至5 min，對(duì)試件抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用是巨大的。尤其是對(duì)于6#試樣，充分的干拌使粉料和部分PVA纖維充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑫r(shí)提供了一個(gè)良好的膠凝基體分散環(huán)境，為外加劑充分融入提供了較好的媒介條件。對(duì)比4#～6#試樣與7#～9#試樣可知，干拌時(shí)間從5 min延長至7 min，試件的抗折強(qiáng)度明顯降低，說明高速的7 min干拌損壞了部分PVA纖維，小部分PVA纖維分離成小絲狀，無法達(dá)到纖維拔出所需能力，從而降低了試件的延性。而7#～9#試樣的抗折強(qiáng)度降低趨勢有所減緩，說明全拌時(shí)間的延長讓材料內(nèi)部漿體再次分散，剩下的PVA纖維和改性PP纖維能夠有充足的時(shí)間填滿剩余漿體的孔隙。此外，從1#～3#試樣可知，雖然漿體的前期攪拌不夠充分，但還是可以通過后期全拌時(shí)間的延長進(jìn)行彌補(bǔ)。從4#～6#試樣可知，隨著全拌時(shí)間的延長，抗折強(qiáng)度增長已經(jīng)變緩，全拌時(shí)間從3 min分別延長至5 min、7 min，3 d抗折強(qiáng)度分別提高了2.7%、1.2%，7 d抗折強(qiáng)度分別提高了2.3%、1.1%?？紤]到全拌時(shí)間繼續(xù)延長，拌合物出料時(shí)離析現(xiàn)象較為明顯，因此拌合時(shí)間也不宜過長。

2.3 SEM分析

通過方案4、方案1中6#試樣和9#試樣的SEM照片來表征不同投料順序和攪拌時(shí)間下粉煤灰基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能變化規(guī)律，結(jié)果見圖2。

方案4為“濕拌+纖維后摻”制備得到的纖維復(fù)合材料，從圖2可以看到有較多膠凝產(chǎn)物和未反應(yīng)粉末材料吸附在纖維表面，且纖維右下角存在明顯的空隙。分析認(rèn)為，濕拌時(shí)，一是會(huì)造成纖維的吸水團(tuán)聚，而后團(tuán)聚的纖維大量吸附粉料，導(dǎo)致了膠凝材料在纖維附近的“局部集中”，而在其他部位留下了空隙，進(jìn)而對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度發(fā)展帶來了不利的影響。

圖3為“先摻纖維+干拌”法下粉體材料和纖維的分散示意。

由圖3可以看出，干拌時(shí)更有利于纖維和粉體的分散，與濕拌不同的是，干拌不會(huì)產(chǎn)生由于粉體和纖維材料的親水性而帶來的阻力和局部的團(tuán)聚交織現(xiàn)象，從而得到均質(zhì)的基體。正如圖2（b）所示，纖維周圍均勻且密實(shí)地分布著水化產(chǎn)物，纖維與水化產(chǎn)物間的完整性與密實(shí)性較好，因此在上述試驗(yàn)中表現(xiàn)出了最優(yōu)的流動(dòng)性能和較高的早期抗折強(qiáng)度。另一方面，在最佳投料順序下，當(dāng)攪拌時(shí)間過長時(shí)，可能會(huì)破壞纖維的原生狀態(tài)，例如PVA纖維絲的聚集狀態(tài)和PP纖維的完整性，從而削弱了纖維與膠凝材料間的協(xié)同承載能力，并表現(xiàn)出較低的早期抗折強(qiáng)度，如圖2（c）所示。

3 結(jié)論

（1）膠凝材料與部分纖維先干拌有利于復(fù)合材料體系內(nèi)部各相的預(yù)分散，得到的漿體硬化后可獲得較好的流動(dòng)度和較高的早期抗折強(qiáng)度；而先濕拌，會(huì)導(dǎo)致纖維吸水團(tuán)聚，增加攪拌時(shí)的拌合阻力，進(jìn)而影響粉體材料的均勻分散，導(dǎo)致復(fù)合材料流動(dòng)度和早期抗折強(qiáng)度的下降；另一方面，先摻纖維法比后摻纖維法能更好地發(fā)揮纖維與膠凝材料的協(xié)同作用，增加纖維與膠凝材料的接觸面積。

（2）適宜的干拌時(shí)間有利于增大復(fù)合材料的流動(dòng)度，但當(dāng)干拌時(shí)間過長時(shí)，則會(huì)影響到漿體材料的均質(zhì)性，尤其是在高速攪拌狀態(tài)下，可能會(huì)導(dǎo)致PVA纖維分離成小絲狀，從而無法達(dá)到纖維拔出所需的能力，降低了試件的延性，對(duì)硬化后試件的抗折強(qiáng)度有不利的影響。本試驗(yàn)得到的最佳攪拌時(shí)間參數(shù)為：干拌5 min、濕拌5 min、最后全拌6 min。