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聚丙烯纤维聚合物水泥砂浆的抗冲击性能研究
郑桂兰1 , 谢红波2 , 李国忠2
( 1.山东交通学院, 山东济南250011; 2.济南大学材料科学与工程学院, 山东济南250022)
水泥砂浆材料在公路工程中广泛应用, 但由于其自身尚存在的一些缺陷, 如抗拉强度低, 易于开裂, 延性差等, 使其使用寿命降低或者在某些应用场合受到限制。如何提高砂浆材料的韧性及抗裂性能, 受到各方面的广泛关注。一般而言, 砂浆产生裂缝的原因主要为3 种: 外荷载直接应力引起的裂缝, 即按常规计算的应力引起的裂缝; 外荷载作用下, 结构次应力引起的裂缝; 由变形引起的裂缝, 如温度、收缩和膨胀、不均匀沉陷等引起的裂缝。裂缝通常由其中一种或几种因素共同作用而形成。在3 种产生裂缝的因素中, 尤以变形引起的裂缝最多, 占80%以上。提高砂浆的抗裂能力, 可适当增配构造钢筋, 但这种方法只是对抵抗由于外荷载应力引起的裂缝有效, 而对于第3 种裂缝, 尤其是塑性收缩裂缝, 单靠配构造钢筋是难以奏效的, 因为钢筋难以细密分布, 而聚丙烯纤维和聚合物乳液可弥补这方面的不足。当在砂浆中掺入适量的聚丙烯纤维和聚合物乳液后, 由于聚丙烯纤维、聚合物乳液与水泥基材料有极强的结合力, 可以迅速而轻易地与砂浆材料混合, 且分布均匀而细密, 从而改善水泥的抗冲击性能。
1 实验原料
1.1 水泥
山东水泥厂生产的525# 硅酸盐水泥。
1.2 聚丙烯纤维
选用四川华神化学建材有限责任公司生产的聚丙烯纤维, 横截面为三叶型, 与普通圆型截面的纤维相比具有较大的比表面积, 因而与基体有更强的握裹力。其性能指标见表1。
1.3 中细砂
采用河砂, 细度模数2.8, 含泥量<1.5, 符合JGJ52标准要求。
1.4 聚合物乳液
采用山东省建筑科学研究所生产的LGT002- A 型聚合物乳液。
1.5 减水剂
采用自行配制的复合无机类减水剂。
2 实验
2.1 实验配比
在水泥、砂、加水量不变的条件下C∶S∶W =1∶2.5∶0.44, 掺加不同量的聚丙烯纤维和掺加不同量的聚合物乳液, 分别按标准方法在尺寸为!150×64mm 的试模中成型试件, 标准养护28 天后测试试件的冲击强度; 成型试件的材料配比见表2。
表2 聚丙烯纤维聚合物砂浆实验配比
2.2 性能测试方法
采用ACI ( 美国混凝土协会) 544 会员推荐的实验方法, 对水泥砂浆进行抗冲击能力的测试, 定性比较不同种类砂浆的抗冲击能力。
( 1) 冲击锤重4.5kg, 下落高度h=400mm。传力球直径64mm, 测试挡板和试件间距5mm。
( 2) 传力球和试件同心, 并在冲击锤的中线上。测试时, 冲击锤自由落下。
该试验方法通过以下几项指标评价或比较砂浆的抗冲击能力: ①出现第一条裂缝(初裂) 的冲击次数n1;②初裂后, 试件体积膨胀, 当试件和4 块挡板中任意3块接触时的冲击次数n2, n2 定为试件破坏次数; ③试件初裂和破坏时冲击次数的差值Δn=n2- n1; ④冲击韧性W和砂浆初裂后继续吸收能量的能力ΔW分别按下列两式计算
W=n2×mgh ΔW=Δn×mgh
式中, g 为重力加速度( 9.81m/s2) ; m 为冲击锤的重量( 4.5kg) ; h 为冲击锤的下落高度(400mm)。
3 实验结果与讨论
3.1 聚丙烯纤维及聚合物乳液对水泥砂浆抗冲击性能的影响
采用表2 实验配比的砂浆抗冲击实验结果见表3。
从表3 砂浆抗冲击实验结果可以看出, 聚丙烯纤维和聚合物乳液的加入, 砂浆试样初裂和破坏时, 受冲击次数明显提高, 砂浆的抗冲击韧性W 和砂浆初裂后继续吸收能量能力ΔW也有了明显的提高。纤维掺量及聚合物对W和ΔW的影响, 如图1 和图2 所示。
由图1 和图2 看出, 掺加聚丙烯纤维和聚合物乳液, 使砂浆的冲击韧性W 和砂浆初裂后继续吸收能量能力ΔW均明显提高, 现分析如下。
( 1) 以砂浆冲击韧性W 为指标进行评价。单独掺入0.5～1.5kg/m3 体积率的聚丙烯纤维, 砂浆的冲击韧性提高了3.2～4 倍; 单独加入2%聚合乳液的试样Sc- 0’使砂浆的抗冲击韧性提高大约2 倍; 掺入0.5～1.5kg/m3体积率的聚丙烯纤维并掺入2%的聚合物乳液后, 砂浆的抗冲击韧性提高了4～5.3 倍; 且抗冲击韧性随着纤维掺量的增加而提高, 但当纤维掺量超过1.0 kg/m3 后, 其增加趋势减缓。
( 2) 以砂浆初裂后继续吸收能量能力ΔW为指标进行评价。单独掺入0.5～1.5kg/m3 体积率的聚丙烯纤维,砂浆初裂后继续吸收能量能力提高了2.2～3.8 倍; 单独掺入2%的聚合物乳液后, 砂浆初裂后继续吸收能量能力ΔW提高了约1.6 倍; 掺入0.5～1.5 kg/m3 体积率的聚丙烯纤维同时掺入2%的聚合物乳液后, 砂浆的ΔW 提高了3.0～4 倍;
由以上分析可知, 当聚丙烯纤维掺量在0.5～1.5kg/m3 体积率范围内时, 砂浆的抗冲击韧性W 和砂浆继续吸收能量能力ΔW, 都随聚丙烯纤维掺量的增大而增大, 当其掺量超过1.0%后, 增加趋势减缓; 掺加聚合物乳液后, W 和ΔW 增大幅度都比单一掺加纤维时的W 和ΔW 大, 说明聚丙烯纤维和聚合物乳液的同时作用, 更能有效改善砂浆的抗冲击能力。
3.2 聚丙烯纤维及聚合物乳液对砂浆抗冲击性能的增强机理探讨
( 1) 聚丙烯纤维虽然弹性模量较低, 但能使因水化热、温差、干湿、离析等因素作用形成的原生裂隙的尺寸有效细化, 由此提高了硬化后砂浆材料介质的连续性, 减少了裂缝源的数量, 可以钝化裂隙尖端的应力集中, 从而在砂浆受到外力时, 聚丙烯纤维能够很好的抑制裂缝的引发和扩展, 提高了砂浆的抗冲击性能;
( 2) 聚丙烯纤维可以约束、阻止裂缝扩展。砂浆受到外加载荷时, 其破坏过程可分为微裂纹的产生、裂纹扩大扩展、微裂缝产生、微裂缝扩大扩展、砂浆试样失稳破坏等过程, 在砂浆中掺加适量聚丙烯纤维, 可形成均匀分布的三维网络, 当其受到外加载荷时, 可承受因基材受力收缩而引起的内应力, 阻止微裂纹产生; 当进一步受外力作用时微裂纹产生, 其细裂纹发展的过程中, 必然碰到许多条不同向的纤维, 遭遇到纤维的阻挡, 将消耗破坏能量, 使裂缝难以进一步扩展; 当微裂缝产生破坏时, 纤维的拔出、拉断也将消耗破坏能量。从宏观上解释, 就是聚丙烯纤维提了砂浆的抗裂能力,从而提高了抗冲击性能。
( 3) 聚合物乳液在砂浆硬化后, 在纤维与基体之间形成了一层均匀完整的柔性界面层, 这种界面层可以起到提高界面结合和缓冲外部冲击力的作用。用SEM对掺加聚合物乳液的纤维增强砂浆进行微观分析可知, 由于“柔性界面层”的存在, 纤维和基体结合非常紧密,提高了砂浆对纤维的握裹力; 当受到外力冲击时, 该层的存在, 使应力松弛, 作用到纤维上的应力瞬间减小,使砂浆破坏延迟, 提高了砂浆受冲击的次数, 从而进一步增大了砂浆的抗冲击韧性W 和砂浆初裂后继续吸收能量能力ΔW, 即提高了砂浆的抗冲击性能。
4 结语
( 1) 在砂浆中掺入体积率为0.5～1.5 kg/m3 的三叶型聚丙烯纤维, 砂浆的抗冲击能力W可提高3.2～4 倍, 初裂后继续吸收能量能力ΔW 可提高2.2～3.8 倍, 当纤维掺量超过1.0kg/m3 后, 增加趋势减缓; 在砂浆中单独掺入2%的聚合物乳液, 砂浆的抗冲击能力W 可提高约2倍, 初裂后继续吸收能量能力ΔW可提高约1.6 倍。
( 2) 在砂浆中同时掺加三叶型聚丙烯纤维和聚合物乳液, W和ΔW增大幅度比单一掺加聚丙烯纤维和单一掺加聚合物乳液更为明显; 聚丙烯纤维具有约束、阻止裂缝扩展的作用, 聚合物乳液具有提高纤维与基体界面结合和缓冲外部冲击力的作用, 聚丙烯纤维和聚合物乳液的共同作用, 能更有效地提高水泥砂浆的抗冲击性能。
