聚丙烯纤维增韧改性磷酸钾镁水泥基材料的力学性能试验

单春明, 杨建明, 陈延东, 钱达友

(1. 盐城幼儿师范高等专科学校 建筑工程学院, 江苏 盐城 224005;2. 盐城工学院 土木工程学院, 江苏 盐城 224051)

在预制混凝土构件规模化装配时,预制外墙板接缝处密封材料的质量直接影响到建筑物的安全与耐久性.目前,装配式外墙接缝主要采取构造和嵌填接缝材料相结合的双重防水措施,其中接缝材料为第一道防水线,多采用密封胶.而现有密封胶存在诸多缺陷,无法满足混凝土预制墙板接缝持久可靠、密封防护的要求,更难达到其设计寿命50a以上的要求.在全面深入推进装配式建筑的过程中,开展混凝土预制外墙板接缝密封新材料的研究成为我国装配式混凝土构件的关键技术之一.装配式建筑混凝土构件属于刚性材料,硬化后的混凝土会随着温度、载荷等变化的影响而发生较大变形,板缝粘结成为预制构件间的薄弱环节.混凝土预制墙板间的变形要求接缝材料的拉伸、压缩变形能力与墙板在使用过程中收缩接近,接缝材料与基体之间的相容性是决定界面特性的关键.因此需要接缝材料具有足够的韧性和协调性来满足构件间的连接.目前已有装配式建筑配套用密封胶主要是硅酮或硅烷改性密封剂产品,这些有机类接缝材料弹性模量小,耐高低温及耐紫外线照射性能较差,容易导致界面开裂,生产使用过程中可能排放有害气体污染环境,且价格较昂贵.我国2014年10月起实施的住建部行业标准《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)尚未涉及装配式建筑专门配套用接缝材料产品及技术标准,市场急需预制外墙板接缝密封相关工程技术及产品规范的理论研究.

磷酸钾镁水泥(MKPC)是由重烧结氧化镁粉(MgO)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、缓凝剂及矿物掺合料按一定比例配制,通过酸碱化学反应及物理作用生成以磷酸盐为粘结相的新型快硬无机胶凝材料.该水泥具有早期强度高、凝结硬化快、粘结性能好、干燥收缩变形小、与旧混凝土相容性好等特点,广泛用于混凝土路面快速修复和工程的抢修加固以及有害物质的固化项目中[1-7].磷酸氨镁水泥(由MgO和铵磷酸盐组成)与磷酸钾镁水泥具有类似特点,但已有研究表明,使用磷酸铵镁水泥在其成型和水化反应时会释放出污染环境的氨气[8],易造成使用设备的损坏.从环保角度考虑,选择磷酸二氢钾配制的磷酸钾镁水泥可以有效解决磷酸氨镁水泥使用过程中释放氨气污染环境的缺陷.MKPC基材料有诸多优点,但其在外力作用下表现出延性差、易断裂等明显的脆性,制约了MKPC在建设项目中的广泛应用,特别是在民用建筑中的使用更少[9].

纤维是一种增韧阻裂材料,MKPC基材料中掺入纤维既可以增加延性,又能提高强度[10].其中钢纤维、玻璃纤维、碳纤维和聚丙烯纤维是目前常用的纤维种类.钢纤维可以明显提高砂浆的强度和断裂韧性,但在水养护条件下明显降低MKPC砂浆强度[11].玻璃纤维是中等弹性模量亲水性材料,适量掺入可提高砂浆的抗裂性能,但由于搅拌时纤维需要水润湿,会降低砂浆的流动性,影响操作性能和工作性能[12].碳纤维弹性模量大,提高MKPC砂浆韧性的效果显著[13],但其价格高,难以在混凝土修复工程中大规模应用.聚丙烯纤维是一种弹性模量小、强度适中、耐腐蚀的合成纤维,其掺入到磷酸镁混凝土中可以有效提高与混凝土基体的协同受力能力,有助于提高构件的抗折强度和抗冻性能[14].赵柏冬等[15]冻融循环试验结果显示纤维对混凝土耐久性有较好的提升.姜自超等[16]研究了聚丙烯纤维、玻璃纤维、微钢纤维对磷酸镁水泥的影响,宏观结果表明纤维的掺入对MKPC净浆的流动度、抗折强度、抗压强度和耐磨性会产生影响.周序洋等[17]研究表明,掺适量的聚丙烯纤维可提高MKPC基砂浆的弯曲韧性.

结合已有研究成果, 本次试验采用直线型聚丙烯纤维, 分别测试掺入不同纤维长度、体积分数, 以及MKPC砂浆不同水灰比、不同矿物掺合料等变量下增韧改性后MKPC砂浆的力学性能.

1 试验概况

1.1 原材料

氧化镁(MgO)比表面积为0.216 m2·g-1,平均粒径为43.89 μm,由辽宁省桓仁东方红水电站镁砂厂生产,电工级;磷酸二氢钾化学式为KH2PO4·12H2O,粒度范围245～350 μm(60～40目),工业级,白色晶体,分子量136.09,由连云港格立化工有限公司生产;硼砂(简称B)化学式为Na2B4O7·10H2O,分析纯,由辽宁宽甸硼化工厂提供;粉煤灰(简称FA)粒径范围0.08～0.16 mm,一级灰密度为2.059 g·cm-3,由盐城固鼎集团提供.

本试验采用上海邦维市政工程有限公司提供的直径30～40 μm的直线型聚丙烯纤维(简称PP纤维),长度分别为6、12 、15和18 mm,其密度为0.91 g·cm-3,燃点>580 ℃,抗拉强度>400 MPa,断裂伸长率为26.50%.

1.2 MKPC的制备

本试验采用的MKPC浆体主要是由MgO和磷酸二氢钾按质量比1.5∶1.0配制;复合缓凝剂由试验室自配,其与MgO的质量比为0.107;水灰比(砂浆中水与胶凝材料的质量比)为0.18～0.22;选用细度模数为2.6、冲洗洁净的河砂作为骨料,骨料与胶凝材料的质量比为1.5∶1.0.

1.3 试件制作

1) 将自配复合缓凝剂、磷酸二氢钾和水倒入JJ-5型砂浆搅拌机内慢速搅拌1 min至充分溶解;

2) 将MgO和FA加入搅拌机,搅拌1 min后加入PP纤维搅拌2 min;

3) 加入中砂搅拌充分均匀后浇筑40 mm×40 mm×160 mm试件;

4) 面层覆盖保鲜膜密封3 h后脱模,成型试件置于温度(20±3) ℃、相对湿度50%环境下养护至测试龄期.

1.4 试件强度试验方法

参照《水泥胶砂强度测定方法》(GB/T 17671—1999)测试MKPC水泥砂浆在标准条件下养护至1、3、7和28 d的抗折、抗压强度.

在DKZ-5000电动抗折试验机上测定MKPC砂浆试件接近破坏时的最大载荷,然后按式(1)计算抗折强度.

Rf=1.5FfL/b3.

(1)

式中:Rf为抗折强度,MPa;b为试件截面的高度,b=40 mm;L为下支撑圆柱的中心间距,标准夹具L=100 mm;Ff为试件折断时施加于试件上的载荷,N.

在NYL-300型300 t压力试验机上测定MKPC砂浆试件接近破坏时的最大载荷,按式(2)计算抗压强度.

RC=P/A.

(2)

式中:RC为抗压强度,MPa;P为破坏荷重,kN;A为受压面积,A=16 cm2.

使用XY-PRT透反偏光显微镜观察MKPC砂浆硬化体的形貌 ,参照《微米级长度的扫面电镜测量方法》(GB/T 16594—1996)分析纤维在砂浆中的分散程度和界面状态.

2 试验结果与分析

2.1 纤维长度对MKPC砂浆物理及力学性能的影响

MKPC砂浆水灰比为0.2、m(FA)∶m(FA+MgO)=0.1时,掺入PP纤维的长度不同.测试纤维长度对砂浆流动性的影响结果如表1所示.由表1可知,随着纤维长度的增大,MKPC砂浆的流动度逐渐降低.

表1 掺入不同长度PP纤维对MKPC砂浆流动性的影响

图1为掺入不同长度PP纤维的MKPC砂浆的抗折和抗压强度.由图1a可知,掺入纤维长度为6、12、15和18 mm,养护龄期为1 d时,MKPC砂浆的抗折强度分别达到4.10、4.95、5.71、5.67 MPa,比空白样分别提高5.1%、26.9%、46.4%、45.3%.说明掺入适当长度的纤维可提高MKPC砂浆的抗折强度,这是因为在弯曲力作用下,一定长度的纤维从MKPC基体中拔出时需要消耗更大的能量.但随着长度再增加,纤维在MKPC基体中的分散性降低,纤维分布不均匀会使MKPC基体产生更多缺陷,不利于MKPC抗折强度的增加.

由图1b可知,掺入不同长度的PP纤维对MKPC砂浆抗压强度的影响不大.但养护龄期7 d左右出现强度倒缩现象,这是因为MKPC浆体的酸碱反应速度快,水化产物生成量大,生成的水化产物晶核多、晶体尺寸小、缺陷多,随着水化龄期的延长,晶体逐步长大并连成一片,晶体间会产生一些内应力,使得MKPC浆体的强度滞涨,甚至出现倒缩现象.随着养护龄期的延长,中后期抗压强度逐渐增强.由图1b还可发现,掺入6 mm PP纤维时砂浆的抗压强度低于空白样,可能是由于单位体积的纤维数量增加,纤维在基体中不易分散、基体不易密实造成的.

图1 掺入不同PP长度纤维MKPC砂浆的抗压和抗折强度Fig.1 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar with different lengths of fiber

图2是掺不同长度纤维改性后MKPC砂浆养护龄期为28 d的抗折、抗压强度以及折压比的影响.折压比是反映纤维增强MKPC基材料性能的重要指标.折压比值越大,说明材料的韧性越大.由图2折压比曲线图可见,15 mm纤维的折压比值最大,6 mm和12 mm其次,18 mm和空白样接近,说明PP纤维增强MKPC基材料的韧性及耗能性能并不是纤维长度越长越好.

掺入了不同长度PP纤维改性后MKPC砂浆的微观形貌如图3所示.从图3中可以看出,在PP纤维长度较短时,PP纤维能均匀地分散在MKPC砂浆中;随着纤维长度加长,在外力作用下,PP纤维在MKPC砂浆中大部分被拉断,也有部分呈现拉拔现象.说明PP纤维与MKPC浆体粘结强,纤维的分散性相对较好,实现了PP纤维对MKPC基材料的增韧效果.

2.2 纤维体积分数对MKPC砂浆强度的影响

根据2.1节研究结果,选择15 mm长PP纤维,保持MKPC砂浆水灰比为0.18,m(FA):m(FA+MgO)=0.1时,测试掺入不同体积分数纤维对砂浆流动性的影响,测试结果如表2所示.

图4为不同体积分数纤维MKPC砂浆的抗折和抗压强度.由图4a可知,当掺入PP纤维的体积分数为0.8%、 1.0%、1.2%时,MKPC砂浆养护龄期为1 d抗折强度分别达到4.1、4.5和5.7 MPa,比空白样分别增加了5.1%、46.4%、14.9%.其中体积分数为1.0%时,砂浆的抗折强度明显高于其他掺量,这是因为体积分数少时纤维分散于浆体中,不但阻止裂缝的产生,而且通过纤维将载荷传递到砂浆中,使砂浆的抗折强度有所增加;体积分数为1.2% 时,MKPC砂浆的抗折强度降低了,这是因为随着纤维体积分数的增大,纤维不易分散,间接地阻碍了砂浆抗折强度的增长.

图3 掺入不同长度PP纤维的MKPC砂浆电镜图Fig.3 SEM images of MKPC mortar with different lenghths of fiber

表2 掺入不同体积分数PP纤维对MKPC砂浆流动性的影响

图4 掺入不同体积分数PP纤维MKPC砂浆的抗折和抗压强度Fig.4 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar of different fiber contents

由图4b可知,掺入PP纤维体积分数为1%时,MKPC砂浆的抗压强度增长最快、强度最高,这是因为纤维的掺入初期会吸收MKPC砂浆中的水分,降低了砂浆的实际反应水灰比,间接提高了MKPC砂浆的抗压强度;体积分数为0.8%时,养护前3 d抗压强度比空白样低19.3%.这是因为纤维弹性模量较低,纤维的掺入增加了砂浆的稠度,阻碍MKPC砂浆强度的增长.因此,在MKPC砂浆中掺入少量的PP纤维对MKPC砂浆试块的抗压强度并没有太大的影响.

图5是不同体积分数纤维对MKPC砂浆养护龄期为28 d的抗折、抗压强度以及折压比的影响.从图5折压比曲线图可以看出,掺入体积分数为1.0%的15 mm PP纤维时,养护龄期为28 d的MKPC砂浆的增韧效果明显.

图5 不同体积分数PP纤维对养护龄期为28 d的MKPC砂浆韧性的影响

掺入长度为15 mm、不同体积分数PP纤维的MKPC的微观形貌如图6所示.从图6中可以看出,掺入纤维体积分数0.8%时,纤维间距较小,分布比较均匀;掺入纤维体积分数1.0%时,纤维分布紧密,纤维不易被打散;掺入纤维体积分数1.2%时,纤维成团成簇.随着掺入纤维的增加,在外力作用下,MKPC砂浆能够吸收能量,阻挡微裂纹的产生和发展.

图6 掺入长度为15 mm不同体积分数PP纤维的MKPC砂浆电镜图Fig.6 SEM images of MKPC mortar with the lenghth of 15 mm and different fiber contents

2.3 水灰比对MKPC砂浆强度的影响

掺入PP纤维长度15 mm、体积分数1.0%、m(FA)∶m(FA+MgO)=0.1时测试MKPC砂浆在水灰比分别为0.19、0.20、0.21和0.22时对MKPC砂浆流动性的影响,测试结果如表3所示.

图7为不同水灰比MKPC砂浆的抗折和抗压强度. 由图7a可知,水灰比为0.19时, MKPC砂浆养护前3 d的抗折强度最低, 随着养护龄期的延长,抗折强度逐渐提高. 由图7b可知,水灰比为0.22时, MKPC砂浆的抗压强度最低, 这是因为PP纤维会吸收少许MKPC砂浆中的水分, 降低了基体的水灰比, 说明水灰比越大砂浆抗压强度降低幅度越明显. 因此,在某个水灰比幅度范围内掺入PP纤维可以提高MKPC砂浆的强度.

表3 不同水灰比对PP纤维MKPC砂浆流动性的影响

图7 不同水灰比MKPC砂浆的抗折强度和抗压强度Fig.7 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar with different water-cement ratio

图8所示为不同水灰比对改性后MKPC砂浆养护龄期为28 d的抗折、抗压强度以及折压比的影响.由折压比曲线图可以看出,水灰比为0.20时,纤维对28 d MKPC砂浆强度的增强效果较好.

2.4 矿物掺合料对MKPC砂浆强度的影响

在掺入15 mm、体积分数为1.0%PP纤维,水灰比为0.2的MKPC砂浆中分别加入质量分数10%FA、10%钢渣粉和10%高岭土,测试不同矿物掺合料对MKPC砂浆的流动性能的影响,测试结果如表4所示.由表4可见,粉煤灰的掺入有利于提高MKPC浆体的流动性,这是因为掺入粉煤灰后,粉煤灰球状颗粒使不规则氧化镁颗粒之间以及砂粒之间的摩擦减小.

不同掺合料对MKPC砂浆抗折和抗压强度的影响如图9所示,从图9a中可以看出,养护前3 d三种掺合料对MKPC砂浆的抗折强度影响相差不大.这是因为MKPC砂浆强度形成前期主要是MgO与磷酸盐反应,粉煤灰中主要成分为SiO2、CaO 等物质,活性低于锻烧后的MgO.随着养护龄期的增长,粉煤灰中的物质逐渐开始与磷酸盐反应,使得后期的MKPC强度明显增大.

表4 加入不同矿物掺合料PP纤维MKPC砂浆流动性的影响

图9 加入不同矿物掺合料的MKPC砂浆抗折和抗压强度Fig.9 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar with different mineral dosed

由图9b可以看出,同一龄期下,掺入质量分数为10%的粉煤灰时MKPC砂浆的抗压强度高于高岭土和钢渣粉2种掺合料.这是由于煅烧高岭土的微观形貌呈片状、棒状,这种结构不利于MKPC砂浆结构密实.而粉煤灰具有微集料效应,粉煤灰充填于MKPC浆体的毛细孔中,浆体中的孔隙率下降,基体变得密实,强度得到提高.

改变不同矿物掺合料对增韧改性后MKPC砂浆养护龄期为28 d的抗折、抗压强度及折压比如图10所示. 由折压比曲线图可以看出,掺入质量分数为10%的粉煤灰后,MKPC砂浆的折压比高于掺入钢渣粉和高岭土,说明掺入适量粉煤灰可以提高MKPC砂浆的断裂韧性,是最佳掺合料.

MKPC基体空白样、掺入粉煤灰MKPC浆体和掺入PP纤维MKPC浆体的扫描电镜微观形貌如图11～图13所示.实验表明,粉煤灰掺量对MKPC浆体的物理、化学作用使MKPC砂浆的结构更加致密,力学性能明显提高.

图11 MKPC砂浆基体电镜图Fig.11 SEM images of MKPC mortar

图12 掺粉煤灰的MKPC砂浆电镜图Fig.12 SEM images of MKPC mortar mixed with fly ash

图13 掺入PP纤维的MKPC砂浆电镜图Fig.13 SEM images of MKPC mortar mixed with PP fiber

3 结 论

1) 在相同纤维体积分数、水灰比和矿物掺合料条件下,不同纤维长度对MKPC砂浆抗折和抗压强度的影响不同.直线型15 mm PP纤维提高MKPC砂浆抗折强度和抗压强度的效果最佳.MKPC砂浆的抗压强度增长主要在养护前3和7 d左右还会出现强度倒缩现象.掺入6 mm PP短纤维后,MKPC砂浆的抗压强度低于空白样;7 d龄期18 mm PP纤维提高MKPC砂浆抗折强度的效果好,但随着龄期的增长不利于MKPC砂浆强度的增大.说明PP纤维增强MKPC基材料的韧性并不是纤维长度越长越好.

2) 在相同纤维长度、水灰比、矿物掺合料条件下,不同体积分数PP纤维对MKPC砂浆的强度影响不同.掺入15 mm、体积分数为1.0%的PP纤维时,MKPC砂浆的强度最高,折压比值最大,说明长15 mm的PP纤维在体积分数为1.0%时增强MKPC基材料的韧性及耗能性能最好.

3) 在相同纤维长度、体积分数和矿物掺合料条件下,不同水灰比对MKPC砂浆的抗折、抗压强度的影响不同.PP纤维会吸收少许MKPC砂浆中的水分,影响MKPC基体的强度发展.在水灰比为0.20幅度范围内掺入PP纤维,MKPC砂浆的抗折、抗压强度均最高,断裂韧性最好.

4) 在相同纤维长度、体积分数和水灰比条件下,不同矿物掺合料对MKPC砂浆强度的影响不同.由于粉煤灰具有微集料效应,掺入质量分数为10%的粉煤灰后,粉煤灰充填于MKPC浆体中,提高了基体的密实度.随着养护龄期的增长,粉煤灰中的物质与磷酸盐反应,使得后期的MKPC强度明显增长.因此掺入质量分数为10%的粉煤灰能显著提高MKPC砂浆的断裂韧性,是最佳掺合料.

PP纤维弹性模量较小,断裂伸长率大于MKPC砂浆,传递载荷的能力较差,但它能吸收冲击能量,延缓MKPC基体中裂缝的出现,提高基体的变形能力,从而改善其韧性与抗冲击性能.根据已有无机材料脆性基体的增强和增韧技术,采用MKPC作为基体胶凝材料代替有机密封剂,以质轻、价廉和性能稳定的人工合成短纤维作为增强相,组成新型纤维增强磷酸镁水泥复合材料用作装配式建筑混凝土构件的接缝材料,具有很高的研究价值和良好的市场前景,也是研究节能环保绿色建材的重要方向之一.