异形截面PP纤维增强砂浆抗塑性开裂性能研究

张丽辉，刘建忠*，阳知乾，徐德根

(1.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，江苏 南京 210008; 2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103)

异形截面PP纤维增强砂浆抗塑性开裂性能研究

张丽辉1,2，刘建忠1,2*，阳知乾1,2，徐德根1,2

(1.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，江苏 南京 210008; 2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103)

选择截面为圆形、三角形、三叶形3种聚丙烯(PP)纤维增强水泥砂浆，采用平板约束法、荧光分析技术和单根纤维拔出实验，分别研究PP纤维增强砂浆的抗塑性开裂性能、纤维分散性能和纤维/基体界面粘结性能。结果表明：当纤维长度、当量半径和体积掺量相同时，异形截面PP纤维提升砂浆抗塑性开裂性能的效果优于圆形截面PP纤维；与圆形截面PP纤维相比，三角形和三叶形截面PP纤维的纤维有效利用率分别提高了17.65%和29.41%，比表面积分别提高了28.6%和37.1%，纤维/基体的界面剪切强度分别提高了3.4%和8.9%；纤维的分散性、比表面积和纤维/基体界面剪切强度的提高是异形截面PP纤维有效提高砂浆的抗塑性开裂能力的主要原因。

聚丙烯纤维 异形纤维 水泥砂浆 抗塑性开裂性能

混凝土的塑性开裂性能严重影响到混凝土结构的耐久性和使用寿命[1]，国内外普遍认为掺入纤维是减少塑性开裂的有效技术措施之一[2-3]。N.Banthia[2]及F.Pelisser[4]研究表明，低密度聚丙烯(PP)膜裂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更优；钱春香[5]、刘丽芳[6]及马一平[7-8]等认为，增大纤维掺量及长度、减小纤维直径和纤维截面形状异形化可有效提高混凝土的抗塑性收缩开裂能力。目前，大量研究都偏重于各种因素(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的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是由于纤维根数增加和纤维/基体间界面粘结力提高引起的，未考虑纤维分散对塑性收缩开裂性能的影响。而纤维在水泥基体中均匀分散是其增韧阻裂作用发挥的前提条件[9-12]，纤维在混凝土中的分散性能除了受配合比、分散助剂和搅拌工艺等的影响外，纤维长度、直径和掺量，尤其是截面形状也是重要且必须考虑的影响因素。异形截面纤维具有高光泽度、优良抗静电及抗变形能力，是颇具发展前途的一种差别化纤维[13-14]。

作者以异形截面PP纤维为研究对象，采用平板约束法研究PP纤维截面形状对水泥砂浆抗塑性开裂性能的影响规律，借助荧光分析技术手段[15-18]和短切单根纤维拔出实验[19]分别对不同截面形状PP纤维在砂浆中的分散性能及纤维/水泥基体界面粘结性能进行定量表征，并结合理论计算揭示异形截面PP纤维影响砂浆抗塑性开裂性能的作用机理。

1 实验

1.1 原料

砂浆：P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥、矿渣、硅灰、细度模数为2.6的天然洁净河砂、水和JM-A萘系高效减水剂；PP纤维：不同截面形状(圆形、三角形和三叶形)PP纤维物理力学性能均相同，其中密度为0.91 g/cm3，极限抗拉伸强度为460 MPa，弹性模量为4.3 GPa，极限伸长率为22.8 %，当量半径为19.7 μm，长度为12 mm，江苏苏博特新材料股份有限公司产。

1.2 砂浆配比和制备

实验基准砂浆配比：水胶比为0.4，砂胶比为1.2，PP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PP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棱柱体试样，1 d后拆模，高温蒸气(温度为60 ℃，相对湿度大于95 %)养护3 d。

1.3 测试与表征

抗塑性开裂性能：采用平板约束法[1]对异形截面PP纤维增强砂浆的塑性开裂性能进行测试。待水泥砂浆浆体搅拌结束后将砂浆装入模具中，并置于温度和湿度恒定的房间内，温度(34±1)℃，湿度(31%±1%)；成形6 h后观察砂浆试样的开裂情况，采用佳能5D 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，采用裂缝面积、平均裂缝宽度和最大裂缝宽度对纤维的抗塑性开裂性能进行表征。

分散性能：根据荧光分析技术[15-18]，采用Olympus MVX10宏观变倍体式荧光显微镜和选择GFP滤波器观察试样(自高温蒸气养护3 d后的试样中取样)荧光图像，再利用Image-Pro Plus 6.0[1]对所获得的荧光图像进行分析，采用纤维分散系数(α)和纤维有效利用率(η)评价异形截面PP纤维在水泥砂浆中的分散性能。

α的计算公式如下：

(1)

式中：t为试件某切割面所采集的二维图像张数，一般取t为60；Xi为切割面上第i张图像里纤维的根数；Xaverage为采集的所有图像中纤维根数的平均值。

当α∈[0.5，1]时，表示纤维分散均匀，而当α∈[0，0.5)时，表示纤维分散不均匀。

η定义为单位面积内纤维实际根数(A)与理论根数(T)的比值，计算公式如下：

η=A/T

(2)

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。

界面粘结性能：采用短切单根纤维拔出实验[19]测试不同截面形状PP纤维/水泥基体界面剪切强度(τf)定量评价PP纤维/水泥基体界面粘结性能，τf越大说明界面粘结性能越好，计算公式为：

τf=Pm/(2πrle)

(3)

式中：Pm为最大力；le为纤维埋入深度，取5 mm。

2 结果与讨论

2.1 纤维截面形状对砂浆抗塑性开裂性能的影响

从表1可以看出，掺入PP纤维能有效提高砂浆的抗塑性开裂能力，且截面形状为异形的纤维抗裂效果均优于圆形截面纤维，其中三叶形截面PP纤维对抗塑性开裂能力的提升效果最好。相较基准砂浆 ，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%，48.55%和53.18%。纤维提高砂浆抗塑性开裂性能的原因在于，一方面乱向分布于砂浆基体中的纤维可形成乱向撑托体系，有效阻止由于浆料离析产生的沉降裂缝；另一方面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。

表1 PP纤维截面形状对砂浆塑性开裂性能的影响Tab.1 Effect of cross section shape of PP fiber on plastic shrinkage cracking of mortar

2.2 PP纤维在砂浆中的分散性能

从表2可以看出，异形截面PP纤维在砂浆中的α和η较圆形截面纤维均有提高，尤其是三叶形PP纤维的η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α分别提高了5.4%和12.16%，η则分别提高了17.65%和29.41%。

表2 异形截面PP纤维在砂浆中的分散性能Tab.2 Dispersion of PP fiber with profiled cross section in mortar

这是因为三角形和三叶形截面较圆形截面PP纤维的抗弯刚度提高，抗弯刚度的提高降低了异形截面PP纤维在砂浆中的结团、成球和搭接，提高了纤维在砂浆中的分散性能，进而提高了纤维的有效利用率，增大了异形截面PP纤维对砂浆塑性开裂的抵抗能力。另外，根据文献[13]报道，在相同荷载作用下，圆形、三角形和三叶形截面PP纤维的伸长量与压缩量见表3，其中伸长量和压缩量分别指纤维在荷载作用下沿轴向和径向的变形量。

表3 截面形状对PP纤维伸长量和压缩量的影响Tab.3 Effect of cross section shape on elongation length and compression of PP fiber

从表3可知，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，则受荷载作用下的抗弯折和抗搭接性能更好，进一步提升了异形截面PP纤维的分散性，尤其是纤维有效利用率，降低了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，提高了异形截面PP纤维增强砂浆的抗塑性开裂能力。

2.3 纤维/砂浆的界面粘结性能

从表4可知，三角形、三叶形截面PP纤维与砂浆基体间的τf比圆形截面PP纤维与砂浆基体间的τf分别提高了3.4%和8.9%。图1a中圆形半径(r)为19.7 μm，图1b中三角形边长(l)为53.05 μm，图1c中三叶形宽(a)为18.84 μm。当不同截面形状的纤维当量直径相同，即横截面面积相同时，根据图1可得到不同截面形状PP纤维的比表面积(S)之比，S圆形:S三角形:S三叶形为1.000:1.286:1.371，即三角形和三叶形截面PP纤维的比表面积较圆形截面的分别提高了28.6%和37.1%。

表4 不同截面形状PP纤维与砂浆间的界面剪切强度Tab.4 Interfacial shear strength between mortar and PP fibers with different cross section shape

图1 PP纤维的截面形状Fig.1 Cross section shape of PP fibers

异形截面比表面积的增大为纤维/基体间界面剪切强度的提高奠定了基础，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，进而大大提升了纤维增强砂浆的抗塑性开裂能力。

因此，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随着异形截面PP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/基体的τf随之提高。

3 结论

a.当纤维长度、当量直径和体积掺量相同时，异形截面PP纤维增强砂浆的抗塑性开裂性能优于圆形截面，三叶形PP纤维增强砂浆的抗塑性开裂性能最好，其次是三角形PP纤维。

b.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能力主要是由于本体抗弯刚度更高、分散性能更优、比表面积更大和纤维/水泥基体界面剪切强度更高。

c.当纤维截面形状为三叶形时，其纤维有效利用率和纤维/水泥基体的τf较圆形截面分别提高了29.41%和8.9%，使得对应砂浆的塑性开裂面积、最大裂缝宽度和平均裂缝宽度分别降低了54.56%，45.34%，53.18%。

[1] 李长风，刘加平，刘建忠，等.钢纤维砂浆抗裂性能的定量评价与机理[J].硅酸盐学报，2011，39(3)：531-536.

[2] Banthia N,Gupta R.Influence of polypropylene fiber geometry on plastic shrinkage cracking in concrete[J].Cem Concr Res,2006,36(7):1263-1267.

[3] 全世海.混凝土塑性收缩开裂影响因素及防治措施研究[J].长江大学学报：自然科学版，2014，11(19)：74-76.

[4] Pelisser F,Neto A B D S S,Rovere H L L,et al.Effect of the addition of synthetic fibers to concrete thin slabs on plastic shrinkage cracking[J].Constr Build Mater,2010,24(11):2171-2176.

[5] 钱春香,耿飞,李丽.聚丙烯纤维提高水泥砂浆抗塑性开裂的机理[J].东南大学学报:自然科学版,2005,35(5):786-791.

[6] 刘丽芳，王培铭，杨晓杰.聚丙烯纤维参数对水泥砂浆干缩率的影响[J].建筑材料学报，2005，8(4)：373-377.

[7] 马一平，仇建刚，王培铭，等.聚丙烯纤维对水泥砂浆塑性收缩行为的影响[J].建筑材料学报，2005，8(5)：499-507.

[8] 马一平，朱蓓蓉，谈慕华.水泥砂浆塑性抗拉强度与收缩开裂的关系[J].建筑材料学报，2003，6(1)：20-24.

[9] Abrishambaf A,Barros J A O,Cunha V M C F.Relation between fiber distribution and post-cracking behavior in steel fiber reinforced self-compacting concrete panels[J].Cem Concr Res,2013,51(9):57-66.

[11] Kang S T,Lee B Y,Kim J K,et al.The effect of fiber distribution characteristics on the flexural strength of steel fiber-reinforced ultra high strength concrete [J].Constr Build Mater,2013,25(5):2450-2457.

[12] Yoo D Y,Kang S T,Yoon Y S.Effect of fiber length and placement method on flexural behavior,tension-softening curve,and fiber distribution characteristics of UHPFRC[J].Constr Build Mater,2014,64(12):67-81.

[13] 路利萍.纤维截面形状对复合材料性能的影响[D].北京：北京服装学院，2009.

[14] 魏赛男，崔淑玲.纺丝工艺及截面形状对异形纤维性能的影响[J].毛纺科技，2005(11):43-46.

[15] Shinichi T.Study on evaluation method for PVA fiber distribution in engineered cementitious composites [J].J Adv Concr Technol,2003,1(3):265-268.

[16] Lee B Y,Kim J K,Kim J S,et al.Quantitative evaluation technique of polyvinyl alcohol(PVA) fiber dispersion in engineered cementitious composites [J].Cem Concr Comp,2009,31(6):408-417.

[17] Zhou Jian,Qian Shunzhi,Ye Guang,et al.Improved fiber distribution and mechanical properties of engineered cementitious composites by adjusting the mixing sequence[J].Cem Concr Comp,2012,34(3):342-348.

[18] 张丽辉，郭丽萍，孙伟，等.高延性水泥基复合材料的流变特性和纤维分散性[J].东南大学学报：自然科学版，2014，44(5)：1037-1040.

[19] 郭丽萍，谌正凯，杨亚男.一种短切超细有机纤维与水泥基复合材料界面粘结强度的测试方法 :中国,104807749A[P].2015-07-29.

[20] Dupont D,Vandewalle L.Distribution of steel fibers in rectangular sections [J].Cem Concr Comp,2005,27(3): 391-398.

Anti-plastic cracking property of profiled PP fiber-reinforced cement mortar

Zhang Lihui1,2,Liu Jianzhong1,2,Yang Zhiqian1,2,Xu Degen1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHighPerformanceCivilEngineeringMaterials,JiangsuResearchInstituteofBuildingScienceCo.,Ltd.,Nanjing210008; 2.JiangsuSobuteNewMaterialsCo.,Ltd.,Nanjing211103)

The anti-plastic cracking property of cement mortar reinforced with circular,triangular or trilobal polypropylene (PP) fiber,the fiber dispersion and the fiber/matrix interfacial bond property were studied by flat restraint test,fluorescence spectrometry and single-fiber pull-out test.The results showed that as compared with circular PP fiber,the profiled PP fibers contributed the better anti-plastic cracking property to the cement mortar at the same fiber length,equivalent radius and volume fraction,and the triangular and trilobal PP fibers had the growth of 17.65% and 29.41% in the effective utilization,28.6% and 37.1% in the specific surface area,3.4% and 8.9% in the fiber/matrix interfacial bond property,respectively; and the better anti-plastic cracking property of profiled PP fiber-reinforced cement mortar relied on the growth of the fiber dispersion,specific surface area and fiber/matrix interfacial bond property.

polypropylene fiber; profiled fiber; cement mortar; anti-plastic cracking property

2015- 09-11； 修改稿收到日期：2016- 01-20。

张丽辉(1989—)，女，助理工程师，主要从事纤维增强复合材料的研究。E-mail：zhanglihui@cnjsjk.cn。

国家自然科学基金重点项目(51438003)、江苏省科技计划青年基金项目(BK20141012)、六大人才高峰项目(2013-JZ-003)。

TQ342.62

A

1001- 0041(2016)02- 0022- 04

*通讯联系人。E-mail：ljz@cnjsjk.cn。