纤维增强磷酸钾镁水泥砂浆力学性能研究

林挺伟

(福建省永正工程质量检测有限公司， 福建 福州 350012)

纤维增强磷酸钾镁水泥砂浆力学性能研究

林挺伟

(福建省永正工程质量检测有限公司， 福建 福州 350012)

研究了PVA纤维、 PP纤维、 玻璃纤维三种纤维在不同的wS/C下对磷酸钾镁水泥砂浆力学性能的影响. 结果表明： 三种纤维都能在一定程度上增强磷酸钾镁水泥砂浆的力学性能， 对磷酸钾镁水泥砂浆早期力学性能的影响比较大， 后期力学性能的影响会有所降低. 其中， PVA的增强效果最为明显， PP纤维次之， 玻璃纤维增强效果最弱. 同时得出， 在同种纤维条件下，wS/C不是磷酸钾镁水泥砂浆抗折强度的主要影响因素， 但是其抗压强度均随着wS/C的增大而增大.

纤维增强; 磷酸钾镁水泥砂浆; 力学性能; 电镜扫描

0 引言

高韧性纤维水泥基复合材料(DFRCC)是一种可用于加固领域的高性能水泥基复合材料， 其中的代表性材料(ECC)有着与金属材料一样卓越的抗拉能力， 其极限拉应变非常大(～6%)， 基本与钢材的塑性变形能力等同， 是可以类似于金属变形的一种水泥材料制品[1]. 往水泥制品中添加纤维形成高韧性材料正逐渐成为修补加固材料领域的主流， 大量研究表明， 纤维可减少混凝土的收缩变形[2-3]. 与传统纤维聚合物复合材料加固相比， 水泥基胶凝材料有着自身独特的优势， 如突出的耐久性能、 卓越的耐火性能、 能与旧混凝土较好结合、 成本较低等. 所以， 从水泥胶凝材料出发， 加入各种纤维材料， 制成相应的纤维复合材料对混凝土结构进行修补加固， 已是当下修补加固行业新的出发点[4].

磷酸镁水泥(MPC)是由氧化镁和可溶性磷酸盐、 缓凝剂按照合适的配比， 通过酸碱中和反应生成的磷酸盐水化物， 并以此为黏结相的一种新型环保型胶凝材料， 近几年受到越来越多的关注， 尤其是在快速修补领域的应用[5-6]. 如今， MPC经过数载研究发展和积累沉淀， 逐渐可以分为磷硅酸盐水泥(MPSC)、 磷酸铵镁水泥(MAPC)和磷酸钾镁水泥(MKPC)三大类别， 本次选用磷酸钾镁水泥加以研究.

鉴于磷酸镁水泥的特点和在修补加固领域使用研究的基础上， 纤维磷酸钾镁水泥加固砂浆能更加充分发挥磷酸镁水泥在修补加固方面的优越性能， 掺入纤维后各方面性能得到提高， 具有较高的抗压、 抗折强度， 养护时间短， 早期强度高. 与纤维硅酸盐水泥加固砂浆相比， 纤维磷酸钾镁水泥砂浆有更好的力学性能和耐久性， 且与旧混凝土更好地协同工作. 赵若红等[7]对氯氧镁水泥纤维复合材料加固混凝土做出了研究， 虽然氯氧镁水泥与纤维的粘结强度高于硅酸盐水泥， 易于制成复合材料， 但其耐水性能并不好， 而且水泥中包含氯离子， 会对钢筋造成锈蚀， 耐久性值得商榷. 而磷酸钾镁水泥不存在这些问题， 如果用作纤维加固砂浆将会有优于氯氧镁水泥的效果， 可以为混凝土结构加固技术提供一种新的加固材料， 为整个加固领域开拓一条新的研究路线. 所以通过加入PVA纤维、 PP纤维、 玻璃纤维三种不同的纤维来研究磷酸钾镁水泥砂浆的力学性能， 对比三种不同纤维对磷酸钾镁水泥砂浆力学性能的影响， 并通过微观实验对其粘结界面进行研究， 以利于纤维增强磷酸钾镁水泥基材料的发展.

1 试验

1.1 试验材料

1) 氧化镁粉(MgO， 缩写成M). 采用辽宁省海城市群利矿业有限公司生产的烧结氧化镁粉， 颜色为棕黄色， MgO质量分数≥90%， 平均粒径dM为33.292 μm， 并经900 ℃高温炉煅烧1.5 h而成.

2) 磷酸二氢钾(KH2PO4， 缩写成P). 工业级， KH2PO4含量≥98%， 由福州台江区品杰实验仪器有限公司提供.

3) 纤维聚乙烯醇纤维(PVA)和聚丙烯纤维(PP)由上海影佳实业发展有限公司生产； 玻璃纤维采用陕西华特玻纤有限公司生产的水分散型短切丝玻璃纤维， 由耐碱玻璃纤维原丝或无捻粗丝短切而成. 以上三种纤维的各项性能指标如表1所示.

4) 砂子(缩写成S). 采用福州闽江河砂， 按照《建筑用砂(GB/T 14684-2011)》[8]规定的方法对砂子的各项指标进行测定， 其中细度模数为2.5， 堆积密度为1 480 kg·m-3， 表观密度为2 591 kg·m-3， 比表面积为90.71 kg·m-3， 吸水率为0.1%， 含泥量为3.53%.

表1 PVA纤维、 PP纤维、 玻璃纤维性能指标

1.2 试验配合比

鉴于纤维增强机理理论的繁多， 包括纤维间距理论、 复合材料理论和微观断裂力学理论以及大量研究结果， 纤维对基体的增强作用关键取决于基体本身的强度、 纤维本身的性质、 纤维的掺量、 纤维与基体的相容性和纤维在基体中的分散性和方向性的影响. 试验采用的基准配方由磷酸钾镁水泥+砂子+纤维组成， 取wP/M= 1/3，wW/C=0.28，wS/C=(0.6、 0.8、 1.0)，φ纤维掺量=2%， 分别对PVA纤维、 PP纤维、 玻璃纤维三种不同纤维进行基本力学性能试验. 通过试验， 对比三种纤维砂浆的力学性能. 试验配合比如表2所示， N组表示没加纤维的对比组， V组表示加入PVA纤维的组别， B组表示加入PP纤维的组别， G组表示加入玻璃纤维的组别.

按照表2的配合比制作成40 mm×40 mm×160 mm的试件， 室内养护1 h脱模， 然后置于温度为(20±2)℃， 相对湿度70%以下的养护室养护至相应龄期测试强度， 因为磷酸钾镁水泥是一种早强快硬水泥， 14 d凝期之后强度变化不明显， 综合考虑试验的快捷性， 所以本试验最多测到14 d龄期.

表2 优选纤维配合比

2 试验方案

图1 电液式压力试验机Fig.1 Electro-hydraulic pressure testing machine

2.1 宏观试验

试验采用北京中科路建仪器设备有限公司生产的DYE-2000型电液式压力试验机， 如图1所示， 其精度等级为Ⅰ级， 最大荷载为2 MN. 在本试验中， 抗折试验采用40 mm×40 mm×160 mm的长方体试件， 试件成型一天后拆模， 然后置于自然养护室中养护至规定龄期后进行试验.

根据《水泥胶砂强度检验方法(GB/T 17671-1999)》[9]对试件进行抗折、 抗压强度试验， 其中抗压试验采用抗折试验结束后的断裂试件进行测试. 具体计算公式详见文[9]中9.2和9.3章节.

2.2 微观试验

电镜扫描： 取抗折试验的破坏面附件的试件， 保留破坏面， 处理成大约1 cm3的立方体试件， 并将断面清理干净， 然后把试件置于无水乙醇中终止水化反应， 试验前在60 ℃下烘干至恒质量， 用高压离子溅射仪对断面镀金膜后进行试验观测. 采用S-3400N型扫描电子显微镜对测试样品进行微观测试及扫描分析.

3 试验结果及分析

3.1 力学性能试验结果及分析

纤维在砂浆中主要的作用是当砂浆内部形成微裂缝的时候能够起到抑制和传递应力. 掺入不同种类纤维的磷酸钾镁水泥加固砂浆, 在相同砂胶比下其基本力学性能随龄期的发展规律如图2所示.

1) 抗折强度如图2(a)、 (c)、 (e)所示. 与未加入纤维的对比组相比， 加入纤维后都能在不同程度上提高磷酸钾镁水泥砂浆的抗折强度， 在相同的wS/C下， 掺入PVA纤维的组别抗折性能最好.

当wS/C=0.6时， V-1、 B-1、 G-1的3 d抗折强度分别比N-1提高了23%、 13%、 7%， 纤维的提升效果非常显著. 当龄期达到14 d时， V-1的抗折强度比N-1提高了15%， 而B-1、 G-1的抗折强度分别比N-1提高了3%、 2%， 可以看出PVA纤维组别对抗折强度的提升比另外两种纤维高.

当wS/C=0.8时， 对于3 d抗折强度， V-2与B-2均为2.90 MPa， G-2为2.40 MPa， V-2、 B-2、 G-2的抗折强度分别比N-2提高了34%、 34%、 11%. 当龄期为14 d时， V-2的抗折强度比N-2提高了12%， B-2、 G-2的抗折强度比N-2分别提高了4%、 1%， 同样可以看出PVA纤维组别对抗折强度提升最明显.

当wS/C=1.0时， V-3、 B-3、 G-3的3 d抗折强度相比N-3分别提高了38%、 12%、 8%， 而14 d抗折强度提升的幅度有所减少， 但是PVA纤维组别对抗折强度的提升还是优于PP纤维和玻璃纤维组别.

图2 不同的wS/C下砂浆的抗折、 抗压强度随龄期变化规律Fig.2 Flexural and compressive strength variation with curing time of mortar under the same wS/C

2) 抗压强度如图2(b)、 (d)、 (f)所示. 与未加入纤维的对比组相比， 加入纤维后都能在不同程度上提高磷酸钾镁水泥砂浆的抗压强度， 在相同的wS/C下， 掺入PVA纤维组别的抗压强度最高， 14 d抗压强度比对比组提高了20%～35%； 掺入PP纤维的14 d抗压强度比基准组提高5%～15%； 而加入玻璃纤维对磷酸钾镁水泥砂浆抗压强度的影响最小， 但14 d抗压强度也比对比组提高2%～5%. 可见三种纤维都能提高磷酸钾镁水泥砂浆的抗压强度， 但是PVA纤维提升最明显.

三种纤维砂浆的基本力学性能在相同龄期下随着不同的砂胶比(wS/C=0.6、 0.8、 1.0)变化， 3、 7、 14 d的基本力学性能发展规律如图3所示.

1) 抗折强度如图3(a)、 (c)、 (e)所示. 对于不同龄期，wS/C对磷酸钾镁水泥砂浆抗折强度的影响不是非常统一. 当龄期为3 d时， 加入纤维的三组抗折强度均随着wS/C的增大而增大， 而N组在wS/C=0.8时出现了小幅度的下降. 当龄期为7 d时， N组、 B组、 G组均随着wS/C的增大而增大， 而V组在wS/C=0.8时略有降低. 当龄期为14 d时， V组在不同wS/C下抗折强度都领先于其他两种纤维和对比组. 虽然wS/C不是抗折强度的主要影响因素， 但是分别加入三种纤维后磷酸钾镁水泥砂浆的抗折强度还是体现了层次性： PVA纤维>PP纤维>玻璃纤维.

2) 抗压强度如图3(b)、 (d)、 (f)所示. 在不同的龄期下(3、 7、 14 d)， 三种纤维砂浆的抗压强度均随着wS/C的增大而增大， 其中: PVA纤维增大幅度最大， PP纤维次之， 玻璃纤维最后. 在一定范围内， 砂子含量的提高， 对抗压强度是有利的， 这是因为砂子在浆体里面充当了骨架， 磷酸钾镁水泥与砂子共同构成一个坚实的结构.

从以上对图2、 图3的分析可以看出, 三种纤维都能提高磷酸钾镁水泥砂浆的抗折、 抗压强度， 而且纤维对磷酸钾镁水泥砂浆早期强度的影响比较大， 后期强度的影响会有所降低. 其中PVA纤维组别的强度最高， PP纤维组别次之， 玻璃纤维组别最差， 这是因为PVA纤维与无机水泥基材料结合能力比较好， 二者能共同受力， 改善效果比较明显. 公成旭[10]将PP-ECC跟PVA-ECC对比研究， 得出了PVA纤维受力呈现应变硬化特性， 而PP纤维是应变软化， 同样说明了PVA纤维性能比较优越. 而玻璃纤维本身脆性较大， 存在着微裂缝， 从表2可知其抗拉强度不高， 所以对于导致磷酸钾镁水泥砂浆强度的提升效果排在最后.

图3 不同龄期下砂浆的抗压、 抗折强度随wS/C的变化规律Fig.3 The flexural and compressive strength variation with wS/C of mortar under the same curing time

3.2 SEM试验结果及分析

在抗折试验过程中， 会发现加入三种不同纤维的试样断面是不一样的. 所以通过电镜扫描试验， 对三种不同纤维的断面进行微观分析， 如图4～图6所示， 局部放大图如图7所示.

由图4可见， PVA纤维从磷酸钾镁水泥砂浆拔出后在基体中留下的孔洞周边较为密实， 可以看到在孔洞内壁留下较多的磨损下来的纤维碎屑， 这说明PVA纤维与浆体之间的粘结力比较大， 结合得比较紧密， 接触界面密实. 这是因为PVA纤维属于亲水性纤维， 具有良好的保水性， 能够在因水泥水化或外界环境因素影响造成浆体内部相对湿度降低的情况下， 释放其储存的水分， 进一步促进水泥水化， 所以二者能很好地形成整体， 共同受力. 从图4(b)中可以看出， 当试件受力破坏， 断面上纤维会与基体分离， 磨损严重， 端部有明显削剥， 这可以从侧面说明PVA纤维加入磷酸钾镁水泥砂浆后可以很好地共同受力， 两种材料之间的粘结较为牢固， 摩擦力大， 才会造成纤维表面的磨损和端部断裂， 而PVA纤维的抗拉强度是比较大的， 造成这样的现象也说明了纤维与基体的粘结效果是很好的. 反应到宏观现象， PVA纤维的浆体的抗折、 抗压强度会比较高.

由图5(a)可以看出， PP纤维从磷酸钾镁水泥砂浆拔出后留下的孔洞界面周边有较多孔隙， 界面不是非常的平整和密实. 这说明当试件受力破坏， PP纤维从磷酸钾镁水泥砂浆中拔出并未受到太大阻力. 从图5(b)中可知， PP纤维表面有一定的磨损痕迹， 说明PP纤维并不是直接被拔出的， 纤维与水泥砂浆之间具有一定的粘结力， 二者在一定程度上可以共同受力， 但是协同受力作用并未像PVA纤维那么突出， 从界面上看也没有PVA纤维那么密实. 所以反应到宏观强度上面， PP纤维浆体的抗折、 抗压强度会低于PVA纤维的浆体， 这与宏观试验的结果(图2、 图3)是吻合的.

图5 PP纤维与基体界面Fig.5 Interface of PP fiber and matrix

由图6(a)所示， 玻璃纤维从磷酸钾镁水泥砂浆拔出后留下的孔洞周边有很多孔隙， 孔洞界面密实性较差， 且在孔壁周围未见纤维碎屑， 这说明玻璃纤维基本是被直接拔出的， 没有受到纤维与界面之间粘结力的太大阻碍. 从图6(b)可见, 纤维表面只有很少的磨损痕迹， 其他表面较为完整光滑， 说明玻璃纤维与磷酸钾镁水泥砂浆之间的结合并不好， 在受力情况下起不到共同受力的效果. 从宏观试验也可看出， 加入玻璃纤维的浆体的抗折、 抗压强度也是最低的， 这与纤维与水泥浆体之间是否共同受力密切相关.

图6 玻璃纤维与基体界面Fig.6 Interface of glass fiber and matrix

由图7可见, PVA纤维表面上附着较多的磷酸钾镁水泥水化产物， 且这些产物与PVA纤维结合的比较密切， 纤维拔出后表面出现了一些划痕， 说明拔出时受到较大阻力. 但是水化产物依旧粘附在纤维表面， 说明PVA纤维是可以跟磷酸钾镁水泥基材料紧密结合的， 二者的相容性很好. 如图7(a)所示， 水化产物可以紧紧包裹住PVA纤维， 这也进一步说明PVA纤维与磷酸钾镁水泥砂浆可以共同受力.

综上， 对比了掺入3种不同的纤维的磷酸钾镁水泥砂浆的基本力学性能试验可知， PVA纤维对于砂浆性能的提高效果最为明显.

图7 PVA纤维表面局部放大Fig.7 Enlarged surface of PVA fiber

Nelson等[11]的研究也表明， PVA纤维可延缓微裂缝的产生， 进而延缓引发结构失效裂缝. PP纤维没有类似PVA纤维的增强效应， 原因是PVA纤维的弹性模量比PP纤维大很多， 而纤维与砂浆基体之间的弹模相差越大， 受力时纤维所承受的应力也就越多， 加入纤维所展现的效果就越显著. 当应变取值相同时， PVA纤维可以承担更多的应力消耗掉更多的能量， 对砂浆基的阻裂作用非常明显.

4 结语

1)wS/C不是抗折强度的主要影响因素， 但是分别加入三种纤维后, 磷酸钾镁水泥砂浆抗折强度还是体现了层次性： PVA纤维>PP纤维>玻璃纤维. 因为PVA纤维属于亲水性纤维， 具有良好的保水性， 能够在因水泥水化或外界环境因素影响造成浆体内部相对湿度降低的情况下， 释放其储存的水分， 进一步促进水泥水化， 减少孔隙， 所以二者能很好地形成整体共同受力， 抗折强度最高. 玻璃纤维本身脆性较大， 存在着微裂缝， 所以抗折强度最差.

2) 在不同的龄期下(3、 7、 14 d)，wS/C从0.6到1.0时， 纤维砂浆的抗压强度均随着wS/C的增大而增大， 其中PVA纤维增大幅度最大， PP纤维次之， 玻璃纤维最后. 在一定范围内， 砂子含量的提高对抗压强度有利， 这是因为砂子在浆体里面充当了骨架， 磷酸钾镁水泥与砂子共同构成一个坚实的结构.

综上， 三种纤维都能增强磷酸钾镁水泥砂浆的力学性能， 而且纤维对磷酸钾镁水泥砂浆早期力学性能的影响比较大， 后期力学性能的影响会有所降低. 其中： PVA纤维砂浆的强度最高， PP纤维次之， 玻璃纤维最差.

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(责任编辑： 沈 芸)

Researchonmechanicalpropertiesoffiberreinforcedmagnesium-potassiumphosphatecementmortars

LIN Tingwei

(Fujian Yongzheng Construction Quality Inspection Co Ltd， Fuzhou， Fujian 350012， China)

The mechanical properties of magnesium-potassium phosphate cement mortars with three fibers (PVA fiber, PP fiber, glass fiber) and differentwS/Chave been investigated. The results show that the three kinds of fibers can enhance the mechanical properties of magnesium-potassium phosphate cement mortars in a certain extent. All of them have larger influence on the early mechanical properties of magnesium-potassium phosphate cement mortars, but the effect on the subsequent mechanical properties is decreasing. Among them, the most obvious enhancement effect is resulted from PVA fiber, and the second one is from PP fiber, while the weakest influence is for the glass fiber. Meanwhile, with the same fiber,wS/Cis not the main influence factor regarding the flexural strength of the magnesium-potassium phosphate cement mortars, while the compressive strength increases with the risingwS/C.

fiber reinforced; magnesium-potassium phosphate cement mortar; mechanical property; SEM

TU528.2

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0528

1000-2243(2017)04-0528-07

2016-05-13

林挺伟(1978-)， 高级工程师， 主要从事结构检测鉴定及加固研究， 2618869@qq.com

十二五国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ14B05)