不同截面形状PP纤维对砂浆抗塑性开裂的影响及机理

张丽辉　刘建忠　阳知乾　徐德根　李　林

(江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，南京　210008)(江苏苏博特新材料股份有限公司，南京211103)



不同截面形状PP纤维对砂浆
抗塑性开裂的影响及机理

张丽辉刘建忠阳知乾徐德根李林

(江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点实验室，南京210008)(江苏苏博特新材料股份有限公司，南京211103)

摘要:为了揭示不同截面形状聚丙烯(PP)纤维对砂浆抗塑性开裂的影响，采用平板约束法、荧光分析技术和扫描电子显微技术(SEM)分别对砂浆塑性开裂、纤维分散和纤维/基体界面形貌进行研究．结果表明:纤维长度、当量半径和掺量相同时，异形截面PP纤维提升砂浆塑性抗裂性能的效果优于圆形截面;将三角形和三叶形截面PP纤维与圆形截面PP纤维相比，前二者纤维的本体抗弯刚度提高幅度均大于20．88%，比表面积分别提高了28．6%和37．1%，纤维分散有效利用率分别提高了17．62%和30．70%，同时，纤维/基体间界面更致密，纤维表面粘附的水化产物更多．本体抗弯刚度、分散性、比表面积和纤维/基体界面黏结力的提高是异形截面PP纤维提高砂浆抗塑性开裂能力的关键因素．

关键词:聚丙烯纤维;截面形状;塑性开裂;砂浆

引用本文:张丽辉，刘建忠，阳知乾，等．不同截面形状PP纤维对砂浆抗塑性开裂的影响及机理［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46 (1) : 160－164．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．026．

水泥基材料在凝结硬化前由于收缩受限将引起表层开裂［1］．近年来，混凝土朝超高强、超高韧和超高性能的方向发展，高性能减水剂和矿物掺合料在混凝土中得到普遍使用，以低水胶比和大流动性为特征的高强混凝土在工程中得到越来越广泛的应用，混凝土塑性开裂问题变得更为突出，这严重影响混凝土结构的耐久性和使用寿命［2］．国内外普遍认为掺入纤维(尤其是聚丙烯纤维)是减少混凝土结构开裂的有效技术措施之一［3］．关于聚丙烯(PP)纤维对混凝土收缩开裂的影响规律已有诸多报道，Banthia等［3］、Pelisser等［4］研究表明，低密度膜裂型长的PP纤维能有效提高混凝土的抗塑性收缩开裂能力，且纤维体积掺量越大，抗塑性收缩开裂性能越优．钱春香等［5］认为，随着纤维掺量和长度的增加，抗塑性收缩开裂的效果随之提高，且截面形状为多边形对提高砂浆塑性收缩抗裂效果要好于圆形的，其研究结论与刘丽芳等［6］的研究结果一致．马一平等［7－8］研究也表明，纤维体积掺量增加、直径减小和长度加大，均可提高砂浆的塑性抗开裂能力．综上，相关研究大都偏重于各种因素(如掺量、长度、直径和截面形状)协同对塑性收缩抗裂的影响规律，未采用控制变量法针对性地讨论单一变量的影响．在机理分析方面则基于纤维间距理论定性认为纤维根数增加和纤维/基体间界面黏结力提高引起塑性抗开裂能力提高，未考虑纤维分散对塑性收缩开裂性能的影响．文献［9－12］指出纤维在水泥基体中均匀分散是增韧阻裂作用发挥的前提条件，且纤维在混凝土中的分散性能除受配合比、分散助剂和搅拌工艺等影响外，纤维本体特征(如长度、直径、掺量和截面形状等)也是重要且必须考虑的影响因素，其中纤维截面形状异形化使纤维具有很多优良性能(如高光泽度、抗静电和优良抗变形能力等)［13－14］，因此，异形纤维是颇具发展前途的一种差别化纤维．

本文以异形PP纤维为研究对象，采用平板约束法针对性研究PP纤维截面形状对砂浆塑性收缩开裂性能的影响．以裂缝面积、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度作为评价指标，并借助荧光分析技术手段［15－17］，以纤维分散系数和纤维有效利用率2个指标定量表征不同截面形状PP纤维在砂浆中的分散性能．最后从纤维分散和纤维/基体界面2个角度出发，综合揭示PP纤维截面形状对砂浆抗塑性开裂的作用机理．

1　试验

1．1材料

水泥采用江南小野田水泥有限公司生产的P·Ⅱ52．5硅酸盐水泥(简称C) ;细集料为天然洁净河砂，细度模数为2．6;采用江苏苏博特新材料股份有限公司自主研发和生产的JM-A萘系高效减水剂和PP纤维．水泥、矿渣(简称SL)和硅灰(简称SF)的化学组成见表1．PP纤维SEM形貌见图1，其物理力学性能指标均相同，密度为0．91 g /cm3，极限抗拉强度为460 MPa，弹性模量为4．3 GPa，极限伸长率为22．8%，当量半径r = 19．7 μm，长度L =12 mm．

表1　原材料化学成分组成　%

图1　不同截面形状PP纤维SEM形貌

1．2试验配比和制备

试验基准砂浆配比为:水胶比为0．4，砂胶比为1．2，m(水泥)∶m(矿渣)∶m(硅灰)∶m(减水剂) =1∶0．25∶0．25∶0．006，纤维体积掺量为0．2%．先将水泥、矿渣、硅灰和天然河砂倒入搅拌机干拌1 min，再加入纤维进行搅拌1 min，最后加入水和减水剂搅拌3 min，保证纤维在水泥砂浆中的均匀分散．搅拌结束后，分2层浇筑40 mm×40 mm×160 mm试件，1 d后拆模，在温度为(60±1)℃、相对湿度大于95%的环境下养护3 d．

1．3试验方法

采用平板约束法对PP纤维砂浆的塑性开裂性能进行测试，模具示意图见图2．待水泥砂浆浆体搅拌结束后将砂浆装入模具中，并置于通过恒温恒湿一体机进行调节的温度(34±1)℃和湿度(31%±1%)恒定的房间内;将碘钨灯和风速控制装置作为试样表面的热源和风源，实现温度和风速的有效控制．成型6 h后观察砂浆试样的开裂情况，采用佳能5 D mark II相机及佳能EF 100 nm微距镜头对裂缝进行图像采集．采用Image-Pro Plus 6．0对所获得的图像进行分析，并利用裂缝面积、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度3个指标对纤维的塑性抗开裂性能进行表征［2］．

图2　塑性开裂模具示意图(单位: mm)

根据荧光分析技术手段［15－17］，采用Olympus MVX10宏观变倍体式荧光显微镜和GFP滤波器进行样品(自养护3 d后的试件中取样)荧光图像观察和获取，再利用Image-Pro Plus 6．0对所获得的荧光图像进行分析，采用纤维分散系数和纤维有效利用率2个指标评价不同截面形状PP纤维在水泥砂浆中的分散性能．

纤维分散系数［17］计算公式为

式中，t为试件某切割面所采集的二维荧光图像数，一般t =60; Xi为切割面上第i张图像中纤维的根数; Xave为采集的所有图像中纤维根数的平均值;α为纤维分散系数，当α∈［0．5，1］时，表示纤维分散均匀，当α∈［0，0．5)时，表示纤维分散不均匀．

定义纤维有效利用率为单位面积内纤维实际根数与理论根数的比值，即

式中，A，T分别为单位面积内纤维实际根数和理论根数;η为纤维有效利用率，η∈［0，1］，其值越接近1，说明纤维分散越均匀，结团现象越不明显．T的计算式为［18］

式中，C为纤维取向系数，假定纤维均匀分布，则C =0．5; Vf为试验中的纤维体积分数; Af为单根纤维截面面积，Af=πr2，mm2．

采用美国FEI公司生产的QUANTA 250进行纤维/基体界面观察，电压为5 kV，放大倍数为1 500和4 000．

2　试验结果

2．1 PP纤维对砂浆抗塑性开裂的影响

不同截面形状的PP纤维对砂浆抗塑性开裂性能影响的试验结果见表2．

表2　PP纤维对砂浆抗塑性开裂的影响

从表2可以看出，掺入PP纤维能有效提高砂浆的塑性抗开裂能力，且截面形状为异形的抗裂效果均优于圆形截面的，其中三叶形截面对塑性抗开裂能力的提升效果最好．相比基准，纤维截面形状为圆形、三角形和三叶形截面时，对应的开裂面积分别降低了40．18%，44．15%和54．56%，最大裂缝宽度分别降低了37．27%，40．37%和45．34%，平均裂缝宽度分别降低了45．09%，48．56%和58．13%．纤维提高砂浆抗塑性开裂性能原因:①乱向分布于砂浆基体中的纤维可形成乱向撑托体系，有效阻止了由于浆料离析产生的沉降裂缝;②由于纤维的引气作用增加了大气泡的数量，降低了毛细管负压，致使塑性收缩开裂减小．此外，由于异形截面纤维与基体间的接触面积增加，在纤维均匀分散的前提下，纤维/基体间界面黏结作用力增加，表现为异形截面提升效果较圆形截面更明显．

2．2 PP纤维在砂浆中的分散性能

图3　PP纤维在砂浆中的分散性能

基于荧光分析技术和图像处理分析方法，不同截面形状PP纤维在砂浆中的分散系数和纤维有效利用率研究结果见图3．由图可见，异形截面形状PP纤维在砂浆中的分散系数和有效利用率比圆形截面均有提高，尤其是三叶形PP纤维的有效利用率提高幅度最大．以圆形截面PP纤维分散性能为基准，截面形状为三角形和三叶形时，对应的分散系数分别提高了5．7%和11．38%，有效利用率则分别提高了17．62%和30．70%．

2．3 PP纤维与砂浆界面形貌

由扫描电子显微(SEM)分析技术得到的不同截面形状纤维与砂浆基体间微观形貌见图4．由图可见，异形截面PP纤维与基体间的致密性比圆形截面的要好，且异形截面纤维表面黏附的水化产物也比圆形截面的多，这是异形多边形截面的PP纤维比表面积更大所致．

图4　PP纤维与砂浆基体界面形貌SEM图

3　机理分析

3．1 PP纤维抗弯刚度及其分散性能

荧光图像分析结果(见图3)显示，异形截面PP纤维在水泥砂浆中的分散性能比圆形截面均有提高．

以图5的三角形和圆形截面为例，三角形和圆形截面PP纤维抗弯刚度计算式为

式中，Kt，f，Kc，f分别为三角形和圆形截面纤维的抗弯刚度，GPa·mm4; Et，f，Ec，f为三角形和圆形截面纤维的弹性模量，GPa; It，f，Ic，f为三角形和圆形截面纤维的惯性矩，mm4．

由式(4)计算可得，三角形截面的抗弯刚度比圆形截面的抗弯刚度提高了20．88%．根据文献［13］，在相同荷载作用下，三叶形截面、三角形截面和圆形截面的伸长量与压缩量见表3．

图5　PP纤维示意图(单位:μm)

表3　PP纤维的伸长量和压缩量值比较结果　mm

如表3所示，异形截面的纤维变形量均比圆形的要小，承受的拉伸和压力要大，因而受荷载作用下的抗弯折和抗搭接性能更好．

异形截面纤维本体抗弯刚度、抗荷载伸长与压缩能力的提高，提升了异形截面纤维的分散性，尤其是纤维有效利用率，因此，能有效降低由于塑性沉降和毛细管负压增大所引起的塑性收缩开裂风险，提高异形截面PP纤维的抗塑性开裂能力．

3．2 PP纤维比表面积及其与基体间界面性能

SEM分析结果(见图4)显示，异形截面PP纤维与基体间的致密性更好，且表面黏附的水化产物更多．当3种不同截面形状的纤维当量半径相同，即横截面面积相同时，假定三叶形截面纤维为直角三叶形、纤维长度为L，则圆形、三角形、三叶形截面形状PP纤维的比表面积之比为Sc∶St∶Sf= (2πrL)∶(3lL)∶(9aL) =1∶1．286∶1．371，即三角形和三叶形截面PP纤维的比表面积比圆形截面的分别提高了28．6%和37．1%．因此，异形截面纤维比表面积的增大为纤维/基体间界面黏结力的提高奠定了基础，在纤维分散性尤其是有效利用率提高的基础上，提高了纤维对水泥砂浆的桥接作用，抑制了微裂缝的产生，进而提高了纤维的塑性抗开裂能力．

综上，异形截面PP纤维提高砂浆塑性抗开裂性能的主要原因在于，随着异形截面纤维抗弯刚度的提高和比表面积的增大，纤维在砂浆中的分散性能(尤其是纤维有效利用率)和纤维/基体界面黏结力也提高．

4　结论

1)当纤维长度、当量半径和体积掺量相同时，异形截面PP纤维对砂浆塑性抗开裂性能依次为三叶形、三角形、圆形．

2)与圆形截面PP纤维相比，异形截面PP纤维提高砂浆抗塑性开裂性能的主要原因在于其本体抗弯高度更高、比表面积更大、在砂浆中分散性能更优及与基体界面黏结力更强．

3)三叶形PP纤维比表面积及其在砂浆中的分散有效利用率较圆形截面PP纤维分别提高了37．1%，30．70%;三叶形PP纤维砂浆的塑性开裂面积、最大裂缝宽度和平均裂缝宽度较基准砂浆分别降低了54．56%，45．34%和58．13%．

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Influences and mechanism of polypropylene fibers with different cross-sections on anti-plastic-cracking of cement mortar

Zhang Lihui Liu Jianzhong Yang Zhiqian Xu Degen Li Lin
(State Key Laboratory of High Performance Civil Engineering Materials，Jiangsu Research Institute of Building Science Co．，Ltd．，Nanjing 210008，China)
(Jiangsu Sobute New Materials Co．，Ltd．，Nanjing 211103，China)

Abstract:In order to investigate the influences of polypropylene (PP) fibers with different cross-sections on anti-plastic-cracking of cement mortar，the restrained plat test，fluorescence spectrometer and scanning electron microscope were used to study the plastic cracking of cement mortar，fiber dispersion and fiber/matrix interface morphology，respectively．The results show that the cement mortar with profiled PP fiber possesses the better anti-plastic-cracking capacity than that with circular PP fiber when the length，equivalent radius and dosage are the same．Compared triangular and trefoil PP fibers with the circular PP fiber，the strengthened ratio of intrinsic flexural rigidity of the former two fibers is increased by more than 20．88%，the specific surface areas are increased by 28．6% and 37．1%，and the effective utilization percentages of fiber dispersion are improved by 17．62% and 30．70%，respectively．Furthermore，the fiber/matrix interface becomes more compact and more hydration products are adhesive to the fiber surface．The intrinsic flexural rigidity，fiber dispersion，specific surface area and fiber/matrix interface bond are the key factors for profiled PP fibers to improve the anti-plasticcracking performance of the cement mortar．

Key words:polypropylene fiber; cross-section; plastic cracking;mortar

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(51438003)、江苏省科技计划青年基金资助项目(BK20141012)、江苏省“六大人才高峰”资助项目(2013-JZ-003)．

收稿日期:2015-07-03．

作者简介:张丽辉(1989—)，女，助理工程师;刘建忠(联系人)，男，博士，教授级高级工程师，ljz@ cnjsjk．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．026

中图分类号:TU528

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0160-05