增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响.pdf

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1、0前言超 高 韧 性 水 泥 基 复 合 材 料(E n g i n e e r e dC e m e n t i t i o u s C o m p o s i t e s,以下简称E C C)1自从上世纪9 0年代初问世以来,以其高延性、高韧性、高阻裂等特性得到了国内外材料界及工程界的普遍关注,并在日本、瑞士等国家有应用于实际工程的报道2。E C C在使用体积率约2%的纤维(主要是合成纤维,如P V A和P E纤维)的情况下,以断裂力学和微观力学的概念为指导,对纤维、基体以及纤维/基体界面进行有意识的设计和调整,使设计出的复合材料通过产生多条细密裂缝来实现假应变硬化的特性。E C C根据其

2、成型方法的不同,可分为现浇E C C、自密实E C C、喷射E C C、挤压成型E C C。其中在制备流动性较高的自密实E C C、喷射E C C时,增稠剂是不可缺少的成分。目前,国内对E C C的研究还只停留在对E C C的特点、发展过程做一些简要介绍,研究也都集中在配合比设计和力学性能上,而对工作性能、外加剂相容性等的研究还处于空白,也没有工程应用的报道。增稠剂作为一种以增稠和保水作用来防止材料分离及泌水的外加剂,主要使用在水下混凝土及高流动混凝土的制备上3。本文以聚乙烯醇纤维(P o l y v i n y lA l c o h o l,以下简称P V A)-E C C为研究对象,选用三

3、种成分不同的增稠剂,通过新鲜E C C的扩展度试验、硬化E C C的抗压强度试验及弯曲试验,来研究增稠剂对E C C的工作性能及力学性能的影响。为将来制备自密实E C C及喷射E C C时增稠剂的选择做准备。1试验概况1.1原材料水泥:P 5 2.5级硅酸盐水泥细骨料:1 0 0 2 0 0目精选优质硅砂纤维:P V A纤维,纤维长度1 2 m m,弹性模量2 9.1 2 G P a,伸长率7%,抗拉强度1 0 9 2 M P a,密度1.3 g/c m3粉煤灰:级灰减水剂:聚羧酸盐高效减水剂增稠剂:(1)羟丙基甲基纤维素(H P M C);(2)羟乙基纤维素(H E C);(3)聚丙烯酰胺(

4、P A M)1.2试验方法通过改变增稠剂种类、掺量与高效减水剂复配,按照G B/T2 4 1 9-2 0 0 5 水泥胶砂流动度测定方法 对新鲜P V A-E C C流动度进行评价。硬化P V A-E C C的抗压强度试验采用7 0.7 7 0.7 7 0.7立方体试件,四点弯曲试验采用1 5 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m的薄板试件。试件在振动台振捣成型后,2 d拆模,置于标准养护室养护至试验龄期,分别为2 8 d和4 7 d。四点弯曲试验加载示意图见图1,两个位移计及0.7 t荷载传感器与计算机相连,试验机以0.3 m m/m i n的恒定位移控制加载速率,计算机同步采集数

5、据,得到四点弯曲试验的荷载-挠度曲线。图2为没有添加增稠剂的P V A-E C C四点弯曲荷载-挠度曲线,表1为该试件的基体配合比,纤维掺量为体积率2%。由图2可知,材料表现出了E C C的假应变硬化的特性,在试件表面也观察到了多条细密裂缝。增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响张帅,张英华(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,1 1 6 0 2 4)摘要:以聚乙烯醇纤维(P o l y v i n y l A l c o h o l,简称P V A)-超高韧性水泥基复合材料(E n g i n e e r e dC e m e n t i t i o u s C o m p

6、o s i t e s,简称E C C)为研究对象,选用三种成分不同的增稠剂,通过新鲜E C C的扩展度试验、硬化E C C的弯曲试验,研究了增稠剂对E C C的工作性能及力学性能的影响。试验结果显示,通过合理选择增稠剂类型及合理的配合比设计,可以使E C C在具有良好的工作性能的同时,在力学性能上也有一定程度的提高。关键词:P V A;E C C;增稠剂;工作性能;力学性能中图分类号:T U 5 2 8.5 7 2文献标识码:A文章编号:1 0 0 0-4 6 3 7(2 0 0 8)0 1-3 4-0 4荷载5 01 0 01 0 01 0 05 0图1四点弯曲加载示意图2 0 0 8年第

7、1期混 凝 土 与 水 泥 制 品2 0 0 8N o 12月C H I N A C O N C R E T E A N D C E M E N T P R O D U C T SF e b r u a r y3 4-本文的其它试验以上述配合比为基准,将高效减水剂掺量、增稠剂类型及增稠剂掺量定为试验参数。2试验结果及分析2.1新鲜P V A-E C C的工作性分别改变高效减水剂掺量、增稠剂类型及掺量,做扩展度试验。试验结果见表2、表3和表4。表中斜线代表该混合掺量下新拌浆体经跳桌试验后,纤维与基体有明显材料分离现象。由试验结果可知,三种增稠剂都起到了防止材料分离和泌水的作用。相对来说,纤维素类

8、(H P M C、H E C)增稠剂对工作性能的调节作用要优于丙烯类(P A M)增稠剂。由表2及表3可知,增加H P M C和H E C的掺量能较好地阻止纤维和浆体分离,并通过合理选择减水剂和增稠剂的掺量,可以使扩展度达到2 4 0 m m以上。可见纤维素类能显著增加浆体的保水作用。而P A M的效果不同(表4),当高效减水剂的掺量达到1.0%,增稠剂掺量小于0.6 4%时,大部分组合中纤维与浆体分离,说明P A M的保水效果并不理想。笔者认为,纤维素类增稠剂和丙稀类增稠剂对基体保水能力不同是因为他们的增稠机理不一样。纤维素类在水中溶解时,其长链上的羟基和醚键上的氧原子与水分子缔合成氢键,使

9、水失去流动性,游离水不再“自由”,致使溶液变稠。而P A M在水中溶解时,其阴离子型高分子在碱性的水泥浆中离解成多电荷大分子量的阴离子,同性电荷强烈相斥作用使线团状大分子变成曲线状,增大了溶液黏度 4。由此可知,H P M C和H E C加入后,是靠化学键相互结合,使水失去流动性,增加保水性;而P A M则是由于大分子量的阴离子相斥致使线状大分子扭曲,来增大溶液黏度,该作用力相对较弱。另一方面,扩展度是通过跳台试验测定得到的,对P A M增稠的浆体来说,在振动的过程中,大分子量的阴离子相斥的平衡比较容易打破,产生上述纤维与浆体分离现象。故当施工过程伴随有强烈的振动时,应谨慎选择聚丙烯酰胺(P

10、A M)增稠剂。当增稠剂掺量达到0.6 4%时,不同减水剂掺量下,三种增稠剂的扩展度变化都不大。由此可知,当增稠剂掺量较多时,大量增稠剂溶解在自由水中,根据各自的增稠机理,增加水的黏度,使减水剂的吸附分散作用、润滑作用、空间位阻作用降低,丧失减水作用 5。2.2 P V A-E C C的弯曲韧性按照A S T M的韧性指数法原理,采用改进的韧度指数法来评价弯曲韧性,分别计算I3 0、I5 0和Im a x(极限荷载对应位移处)。图3显示,固定高效减水剂掺量时,Im a x随着H P M C增稠剂掺量(大于0.1%)的增大而减小;固定H P M C掺量时,Im a x随着高效减水剂掺量的增大而增

11、大。伴随增稠剂的加入,浆体黏度增大,气泡增多,浇注时试件存在原始缺陷的几率增大,导致Im a x的降低;但如果同时加入适量的高效减水剂,使新鲜浆体具有很好的工作性能,使气泡很好地排出,同时聚羧酸系减水剂的分散作用可以增加水泥石的密实性,使Im a x随高效减水剂掺量的增加而增大。表1基体配合比水泥粉煤灰砂水高效减水剂1.03.01.71.30.0 0 5 5龄期:4 7 dS P:0.5 5%0 5 1 01 5 2 0 2 53 03 5跨中位移/m m1.00.80.60.40.20.0荷载/k N图2无增稠剂薄板试件的荷载-挠度曲线表2 H P M C与S P混掺时的浆体扩展度c m表3

12、 H E C与S P混掺时的浆体扩展度c m表4 P A M与S P混掺时的浆体扩展度c mH P M C/%S P/%0.5 00.8 01.0 01.5 00.0 0 00.0 1 30.0 6 40.1 3 00.2 5 60.6 4 02 0.12 0.21 9.61 9.11 9.01 7.2/2 3.22 2.52 1.42 0.31 7.6/2 3.62 2.82 0.81 8.6/2 4.22 2.21 8.6H E C/%S P/%0.5 00.8 01.0 01.5 00.0 0 00.0 1 30.0 6 40.1 3 00.2 5 60.6 4 02 0.12 2.32

13、 1.01 7.91 7.11 6.5/2 4.42 1.61 8.91 7.61 6.9/2 1.21 9.41 7.71 7.0/2 0.62 0.51 8.2P A M/%S P/%0.5 00.8 01.0 01.5 00.0 0 00.0 1 30.0 6 40.1 3 00.2 5 60.6 4 02 0.12 1.72 0.52 1.42 0.41 7.9/2 1.52 1.62 0.41 8.4/1 8.5/2 0.8张帅,张英华增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响3 5-图4中的试验数据为龄期4 7 d试件的平均弯曲韧度指数。试件浇注时,按照G B/T2 4 1

14、9-2 0 0 5 水泥胶砂流动度测定方法中的规定,新拌浆体扩展度控制在2 2 0 m m。图4中,增稠剂的弯曲韧度指数I3 0、I5 0变化不大,而Im a x变化较大,这是由于材料特殊的假应变硬化段对Im a x的贡献比对I3 0、I5 0的大。H P M C相比其他增稠剂具有较高的Im a x,表现出较好的韧性改善,主要原因是H P M C能使纤维均匀分散,硬化试件表现出较好的延性。2.3 P V A-E C C裂缝开展及结果分析由掺量为0.1%的H P M C荷载-挠度曲线(图5)可知,真实弯曲曲线符合假应变硬化材料的双线性模型 7。该曲线图可明显地划分两个阶段:第一阶段(A B)。水

15、泥基材与纤维共同承受外力,前者承力的份额高于后者。该区段的变形服从虎克定律,属弹性变形。该区段的终点为基材出现第一条裂缝,即复合材料的应力达到开裂强度B点 8。第二阶段(B C)。多缝开裂阶段,第一条裂缝出现后,该条裂缝并没有继续开展,而是在附近产生了很多细小裂缝,而且在整个试件范围内产生裂缝,同时荷载和位移都继续增加,原因是水泥基材将应力传递给纤维,再由纤维将应力返递给未开裂的水泥基材,因纤维与水泥基材相互间往复传递应力而在水泥基材中形成大量间距大致相等的细裂缝。所以,该区段被称为多缝开裂区。当水泥基材的裂缝间距已缩小到不能再使纤维与水泥基材相互传递应力时即达到弯拉强度C点。从A v e s

16、 t o n等对一维定向连续纤维增强的水泥基复合材料在出现多缝开裂时,裂缝的间距与应变分布进行的分析得出的裂缝间距公式 8 可知:在纤维直径、纤维体积率一定的情况下,设法增加纤维与水泥基材的界面剪切粘结强度有利于降低水泥基材的最小裂缝间距。对比图6和图7可知,P A M裂缝间距小于H P M C的裂缝间距,这是由于P A M可增大水泥机体与P V A的界面平均剪切粘结强度,同时P A M抗压强度最大,即粘结强度应该是最大,因此缩小了裂缝间距。纤维与水泥基材的粘结强度(摩擦剪切强度)对短纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度与韧性的影响效果是不相同的。由文献 9 可知,当短纤维增强水泥基复合材料的长度

17、为恒定值时,纤维与水泥基材的界面粘结强度对单根纤维的抗拉承载力以及拔出功的变化关系如下,当达其临界值c时,达最大值。但当大于其临界值c时,与成反比,即随的增加而急剧下降。纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度是随纤维与基材界面粘结强度的增进而提高的,但复合材料的韧性在纤维与基材的界面粘结强度小于其临界值c时,才得以随纤维与基材界面粘结强度的增加而有所提高,当粘结强度超过其临界值后,均可使复合材料的韧性有明显下降 8。对于P A M,相比其他种类增稠剂,弯拉强度较高,但延性较差(见图8),可能是因为纤维界面粘结强度超过了临界值,导致复合材料的延性明显下降。00.10.20.30.40.50.60.7增

18、稠剂掺量(W/Wc)/%S P:1.2 5%S P:1.5%S P:1.0%S P:0.6%S P:0.8%4 5 04 0 03 5 03 0 02 5 02 0 01 5 0Im a x图3 2 8 d的Im a x随H P M C掺量变化图无H P M AH E CP A MI3 0I5 0Im a x3 5 03 0 02 5 02 0 01 5 01 0 05 00图4 4 7 d不同增稠剂平均弯曲韧度指数对比图真实曲线模型曲线第二阶段(多缝开裂阶段)第一阶段(线性阶段)龄期:4 7 dH P M C:0.1%S P:1.5%流动扩展度:2 4 0 m m01 02 03 04 05

19、 0跨中位移/m m图5 H P M C荷载-挠度曲线荷载/k N0.80.60.40.20.0图6 H P M C的裂缝形式图7 P A M的裂缝形式CAB2 0 0 8年第1期混凝土与水泥制品总第1 5 9期3 6-3结论(1)三种增稠剂中,H P M C的流动性控制能力最好,小掺量(小于0.1%)的情况下与高效减水剂可配出流动扩展度达2 4 0 m m以上的具有较好流动性的E C C;同时,硬化试件也比其他两种表现出较好的弯曲韧性。(2)增稠剂除作为流动性控制剂外,对力学性能也有一定的影响。试验中三种增稠剂相比,P A M的弯拉强度最大,但是其弯曲韧性最差;H P M C、H E C在合

20、适掺量下,对延性能起到一定的有利作用。(3)综合考虑对工作性能及力学性能的影响,笔者认为,在高流动性E C C的制备中,羟丙基甲基纤维素(H P M C)增稠剂应为首选类型。参考文献:1 L iV C.A d a n c e si nE C C R e s e a r c h,A C IS p e c i a lP u b l i c a t i o no nC o n c r e t e:M a t e r i a l S c i e n c e t o A p p l i c a t i o n s,S P2 0 0 2:2 0 6-2 3,3 7 3-4 0 0.2 複数微細割型纤維補強

21、評价利用.日本土木学会,2 0 0 4.7.3 島健太郎.!混和剂開发技術.!2 0 0 0.1 1.4 王雨利,单俊鸿,等.C M C和P A M对砂浆性能的影响 J .房材与应用,2 0 0 5,3 3(4):3 6-3 7,8 4-8 5.5 蒋亚清.混凝土外加剂应用基础 M .北京:化学工业出版社材料科学与工程出版中心,2 0 0 4.6 吴芳,李乐民.聚羧酸系与萘系高效减水剂对水泥石孔结构的影响 J .化学建材,2 0 0 7,2 3(1).7 高淑玲,徐世烺.P V A纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究 J .大连理工大学学报,2 0 0 7,4 7(2).8 沈荣熹,崔琪,李

22、清海.新型纤维增强水泥基复合料 M .北京:中国建材工业出版社,2 0 0 4.9 B e n t u r A.F i b e r-R e i n f o r c e dC e m e n t i t i o u sM a t e r i a l s.I n:S k a l n yJPe d.M a t e r i a l sS c i e n c eo f C o n c r e t e.We s t e r v i l l e:T h eA m e r i c a nC e r a m i cS o c i e t y,I n c.1 9 8 9.2 2 3-2 8 4.收稿日期:2 0 0 7-1 0-2 8作者简介:张帅(1 9 8 1-),男,硕士研究生。通讯地址:大连理工大学土木水利学院结构实验室联系电话:1 3 6 0 9 8 4 8 1 6 5P A M无增稠剂H P M CH E C0 51 01 52 02 53 03 54 04 5跨中位移/m m图8荷载-挠度曲线对比图龄期:4 7 d增稠剂:0.0 4%S P:0.9%1.00.80.60.40.20.0荷载/k N!张帅,张英华增稠剂对超高韧性纤维增强水泥基复合材料性能的影响3 7-