钢纤维对聚氨酯砂浆力学性能及弯曲韧性的影响

朱 涵,姜金龙,姜雯丽霞,邵建文

(1.天津大学建筑工程学院,天津 300350;2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津 300072)

树脂砂浆(Polymer Mortar,PM)是用树脂取代水泥将干燥的骨料和填料胶结在一起的复合材料,因其固化时间短,具备优异的力学性能、粘结性能、防腐蚀性能和抗渗性能等,在道面与桥面的快速修补领域得以推广应用[1-2]。制备PM常用的树脂主要有环氧树脂、丙烯酸酯、呋喃树脂、不饱和聚酯等,但因造价过高、易燃、环保问题等不同因素,限制了其大规模使用[3-5]。聚氨酯是高分子树脂的一种,因为性能优越且无毒环保,造价适中,被广泛地应用于抢修堵漏、接嵌缝修复、表面涂料等工程领域[6-8]。但是以聚氨酯为胶粘剂制备的砂浆强度不高,并且有PM脆性破坏的共性缺陷,限制了它的使用[9-11]。

已有一些学者围绕PM开展了增强、增韧的相关研究。M.A.G Jurumenha等[12]研究了纺织纤维对不饱和聚酯砂浆断裂性能的影响,发现纺织纤维的加入减缓了基体内裂缝的开展速度,砂浆的脆性得到改善;J.M.L Reis[13]将经过表面处理的剑麻纤维加入到环氧树脂砂浆和不饱和树脂砂浆中,发现剑麻纤维的加入显著提高了两种树脂砂浆的断裂性能和韧性,剑麻纤维表面处理后对基体断裂性能的提升不大;赵宏等[14]研究了磨碎玻璃纤维和轻质碳酸钙对环氧树脂砂浆力学性能的影响,结果表明两者的加入均提高了砂浆的抗压抗折强度,同时抑制了基体裂纹的扩展,增强了砂浆的耗能能力;李冠杰等[15]研究了硅灰石、伊利石、硅藻土和煤气化渣4种填料对环氧树脂砂浆力学性能的影响,发现加入4种填料后基体裂纹的扩展形式从连续长条状且均匀有序转变为不规则状和阶梯状,实现了砂浆从脆性破坏向韧性破坏的转变。

微细钢纤维以高模量著称,能有效桥接裂缝,可在较高掺量下大幅度提高基体的力学性能,是一种理想的增强、增韧填料[16-17]。以往的研究通过外掺柔性纤维或者粉末填料来改善PM力学性能,通过钢纤维增强PM性能的研究则少有报道。此外,已有研究大多围绕环氧树脂砂浆和不饱和聚酯砂浆展开,对聚氨酯砂浆的研究鲜有报道。基于此,为寻求一种高性能、环保且适合大范围使用的快速修补材料,笔者选用两种长度的超短超细钢纤维作为嵌入填料,一种新型的环保聚氨酯作为胶粘材料,研究不同掺量、不同长径比的钢纤维对聚氨酯砂浆强度和弯曲韧性的影响,探析其影响机理。研究表明不同长径比的钢纤维对聚氨酯砂浆基体影响规律不同,但总体上钢纤维的加入大幅增强了聚氨酯砂浆的抗压抗折强度和弯曲韧性,利于材料在路面修补领域的应用。

1 试 验

1.1 试验材料

树脂材料选用广州吉必盛科技实业有限公司生产的聚氨酯胶粘剂,分为多元醇组份(A组份)、MDI组份(B组份),各项指标见表1。稀释剂选用聚氨酯环保稀释剂,试验用砂为天然河砂,最大粒径为2.36 mm,表观密度2 650 kg/m3,细度模数2.55。长径比不同的两种钢纤维均为永康钢纤维厂生产,LSF代表长径比较大的钢纤维,SSF代表长径比较小的钢纤维,技术指标见表2。消泡剂采用粤冠有机硅消泡剂。

表1 聚氨酯参数Table 1 Parameters of polyurethane

表2 钢纤维参数Table 2 Parameters of steel fiber

1.2 配合比

聚氨酯砂浆试件的配合比见表3。试验中采用质量比配置砂浆,设置胶砂比为0.3,质量比m(A)∶m(B)=5∶1。为保证砂浆的工作性能,加入聚氨酯胶粘剂质量分数5%的稀释剂,为减少胶粘剂制备过程中产生的气泡对基体密实度的影响,加入消泡剂组份,掺量为聚氨酯胶粘剂质量的0.24%。两种钢纤维采用等体积替代砂的方式掺入,根据文献[17],对于长径比65的微细钢纤维,在水泥混凝土中体积分数最高可达4%,长径比30的微细钢纤维,体积分数最高可达7%。为探究钢纤维长径比和体积分数两个变量对聚氨酯砂浆性能的影响,笔者将两种长径比的钢纤维体积分数均设置为1%、2%、3%、4%,设置基准组钢纤维体积分数0%,共9个配合比。其中PM0为砂浆基准组,PLSF、PSSF分别表示掺入LSF、SSF的试件,数字1、2、3、4代表钢纤维体积分数。

表3 聚氨酯砂浆试件配合比Table 3 Mix design of polyurethane mortar kg·m-3

1.3 试样制备

按配合比称料并制备试样,为使钢纤维均匀分散避免出现结团和分层现象,将钢纤维加入到砂子中干拌2 min备用,再将A、B组份混合,并加入稀释剂和消泡剂搅拌2 min至颜色均匀,静置5 min待其充分反应后,加入到钢纤维和砂子的混合料中,搅拌2 min。待新拌混合物有良好的工作性能后,分层将砂浆装入40 mm×40 mm×160 mm的钢模中,插捣压实成型,24 h后拆模并进行标号,在室温下干燥养护至规定龄期。

1.4 试验方法

1.4.1 抗压抗折试验

依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO)法》(GB/T 17671—1999)[18],分别测定各配合比试件的1 d、3 d、7 d抗压抗折强度。试验共9组配合比,每组配合比设置3个试件,共81个试件,取10%误差范围内的数据平均值作为试验值。

1.4.2 弯曲韧性试验

试验参考《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)[19],使用济南时代试金公司生产的WDW-100E微电脑控制电子万能试验机对试件加载,加载速度为0.2 mm/min,跨距120 mm,通过灵敏度0.3 mV/mm、量程30 mm的位移计来测量试件跨中挠度,采集频率为1次/s。当砂浆强度降低到峰值荷载的80%时视为破坏,停止试验。试验共9组配合比,每组配合比测试3次,取3次试验的平均值作为试验值,绘制荷载挠度曲线。试件初始加载形态和破坏形态如图1所示。

图1 三点弯曲试验Fig.1 Three point bending test

2 试验结果与分析

2.1 钢纤维聚氨酯砂浆的强度及发展速度

材料的早期强度及强度发展速度对其在路面快速修补工程的应用至关重要。聚氨酯砂浆不同龄期下的抗压抗折强度如图2、图3所示,折线各段斜率代表砂浆强度的发展快慢。

由图2可得,LSF体积分数在2%以下时,减缓了砂浆早期(1～3 d)强度的发展速度,对砂浆后期(3～7 d)强度发展无明显影响,LSF掺量在3%以上时,砂浆强度发展速度呈增大趋势。其中对于抗压强度,早期强度发展速度在LSF体积分数3%时最大,较基准组提升了21.4%,LSF体积分数达到4%时后期强度发展速度最快,较基准组提升了100%。对于抗折强度,LSF体积分数达到4%时强度发展最快,早期、后期强度的发展速度较基准组分别提升了58.3%、146.2%。而由图3可以看到,SSF对砂浆强度发展规律的影响与LSF明显不同,当钢纤维体积分数在1%～4%变化时,SSF的加入对早期强度发展速度无明显影响,但显著提升了后期强度的发展速度。当SSF体积分数为4%时,砂浆3d～7 d的抗压、抗折强度发展速度最快,较砂浆基准组分别提高了270%、107.7%。

对于早期强度,LSF体积分数在4%时,砂浆的1 d、3 d抗压强度较基准组分别提高了57.8%、31.8%,1 d、3 d抗折强度较基准组分别提高了55.8%、56.6%。SSF在体积分数1%时对抗压强度增强效果最好,但1 d、3 d抗压强度较基准组也只分别提高了15.6%、7.6%;其1 d抗折强度在SSF体积分数1%时较基准组只提高了9.6%,3 d抗折强度在SSF体积分数3%达到最高,较基准组仅提高了3.9%。可以看到,LSF的加入大幅提升了砂浆1 d、3 d抗压抗折强度,使砂浆能满足高等级路面材料的性能要求,同时缩短了修补后路面的开放时间,以保证交通效率。而对于SSF,掺入后对聚氨酯砂浆早期强度影响很小,表明SSF的加入对砂浆在路面快速修补的应用意义不大。

图2 PLSF不同龄期下的抗压抗折强度Fig.2 Compressive and flexural strength of PLSF at different ages

图3 PSSF不同龄期下的抗压抗折强度Fig.3 Compressive and flexural strength of PSSF at different ages

2.2 钢纤维掺量对砂浆力学性能的影响

图4为不同掺量的钢纤维与聚氨酯砂浆力学强度的关系,4条曲线的拟合优度R2分别为0.995 6、0.984 7、0.960 4、0.864 5。可以看到,LSF体积分数在2%以下时,PLSF的抗压抗折强度较基准组均无明显提升,LSF体积分数在3%、4%时,抗压强度分别提高了33.0%、42.0%,抗折强度分别提高了58.4%、69.7%。PSSF的抗压强度在钢纤维1%～4%变化时较基准组分别提高了7.5%、9.5%、27%、45%,抗折强度分别提高了1.1%、5.6、6.7%、19.1%。

图4 钢纤维掺量对抗压抗折强度的影响Fig.4 Effect of steel fiber content on compressive and flexural strength

PLSF、PSSF在钢纤维体积分数2%以下时强度均无较大提升,在3%以上时提高幅度很大,这是因为钢纤维掺量较小时,基体断裂后钢纤维桥接作用不足以承担更大的荷载,基体断裂强度视为砂浆破坏强度。不同的是,PLSF在体积分数达到4%时,曲线变平缓,表明钢纤维体积分数4%以上时,砂浆的力学强度增加随钢纤维掺量变化的敏感度下降,这是因为LSF掺量过大导致分散困难,结团对基体造成缺陷,影响钢纤维的增强效果;而PSSF强度随钢纤维掺量呈指数关系增长,表明SSF体积分数大于4%时,PSSF强度提高幅度有进一步增大的趋势,这是因为SSF尺寸较小,更好地与骨料相协调,可在更高掺量下大幅增强砂浆的力学性能,这与文献[17]的研究结果一致。

2.3 钢纤维长径比对砂浆力学性能的影响

长径比对钢纤维强度的影响如图5所示。从图中可以得出,当钢纤维体积分数在1%～4%变化时,SSF对抗压强度的提高幅度相比于LSF分别增大了9.7%、8.4%、0.8%、2.1%;而对于抗折强度,LSF相较于SSF分别提高了5.6%、6.4%、48.4%、42.5%。

图5 长径比对砂浆力学性能的影响Fig.5 Effect of aspect ratio on mechanical properties of mortar

从图5中可以看出,LSF的加入对PLSF抗压抗折强度提高幅度都很大,但是SSF的加入主要提高了砂浆的抗压强度,对抗折强度提高幅度不大。观察试件断裂破坏面发现,PLSF的断裂面钢纤维的长度明显长于PSSF断裂面的钢纤维,表示LSF在基体内锚固长度较大,拔出耗能能力较强,能很好地桥接裂缝。因此LSF对砂浆的抗折强度增强效果优于SSF,SSF尺寸较小与骨料相容性好,因而对抗压强度增强效果更好。

2.4 钢纤维对砂浆变形性能的影响

钢纤维砂浆试件的荷载-挠度曲线如图6所示。从图中可以看出,试件PM0荷载在达到峰值后,曲线由峰值迅速跌落,呈脆性破坏,掺入钢纤维后明显看到曲线峰值荷载非线性段变长,表示试件裂缝开展后,塑性区变长。荷载达到峰值后,挠度一直增长,在峰值附近出现平台,峰值后荷载的降低趋势也较为平缓,呈延性破坏模式,表示钢纤维的掺入有效改善了聚氨酯砂浆的变形性能。

随着LSF掺量的增加,PLSF挠度相对基准组增长了1.2～1.6倍,呈先增大后减小趋势。对于PSSF,SSF体积分数在1%～4%变化时,挠度相较基准组增长了1.4～1.9倍,SSF体积分数1%时最大,随着掺量的增加,挠度提高幅度减小。这是因为钢纤维能有效桥接裂缝,增大了砂浆的变形能力,但钢纤维掺量较高时,砂浆刚度变大,限制了砂浆挠度的发展。

图6 荷载-挠度曲线Fig.6 Load deflection curves

2.5 钢纤维对砂浆弯曲韧性的影响

2.5.1 弯曲韧性评价方法

目前钢纤维混凝土的评价方法主要有美国材料协会提出的ASTM—C1018标准[20],我国的《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009),日本JCI SFRC委员会提出的韧度指数法(JSCE—SF4)[21]。前两种规范通过找初裂点来确定其他特征点,由于初裂点的位置难以确定,其微小的差异对弯曲韧性的计算结果有很大影响,存在较大误差和随机性[22-23]。日本的JSCE—SF4未考虑试件的尺寸效应,不适用于本试验砂浆的弯曲韧性的计算。

笔者参考文献[24],以峰值变形能Dp和峰后变形能Dk来评价砂浆的峰值、峰后弯曲韧性,计算方法如图7所示。

图7 能量吸收计算示意图Fig.7 Calculation of energy absorption

图中Dp、Dk分别对应OAB和ABCD的面积,通过对荷载挠度曲线积分,按式(1)计算:

(1)

式中:Dn为砂浆的变形能;δ1、δ2为计算区间的挠度;F(δ)为相应挠度时对应的荷载。采用能量比值法评价砂浆整体的弯曲韧性,根据式(2)计算弯曲韧性指数Re:

(2)

2.5.2 弯曲韧性计算结果及分析

弯曲韧性的计算结果见表4。

表4 不同配合比下砂浆弯曲韧性计算结果

从表中可以看出,当体积分数在1%～4%变化时,PLSF峰值变形能Dp相比于基准组分别增长了11.1%、37.4%、95.5%、79.3%,LSF在体积分数3%时效果最好;PSSF的Dp相比于基准组分别提高了70.3%、46.8%、47.5%、34.3%,SSF在体积分数1%时效果最好。

分析原因,钢纤维掺量增大,纤维与基体间形成的界面数量增加,钢纤维拔出耗散的总能量越多,弯曲韧性越大,但由于砂浆在断裂时并不仅仅依靠纤维拔出耗散能量,还有骨料之间的断裂和破坏,当钢纤维掺入量过高时,砂浆的工作性能下降,纤维发生团聚,钢纤维的掺入导致的基体内部缺陷增大导致基体耗能下降,峰值变形能的提高幅度有所降低。

峰后变形能Dk随着钢纤维掺量增加而大幅度提高,钢纤维体积分数在1%～4%变化时,PLSF的Dk相较于基准组分别提高了85.3%、166.9%、245.0%、591.2%,PSSF分别提高了108.5%、96.3%、113.0%、231.8%。分析原因为试件承载达到峰值后,出现裂缝,PM0因应力集中裂缝急剧扩展,应力陡然下降,无较大耗能能力。而掺入钢纤维后,砂浆出现裂缝后依靠钢纤维的桥接作用承载,此时砂浆的耗能能力主要取决于破坏面钢纤维的数量,破坏面钢纤维数量越多,纤维拔出时耗能越大,相应的峰后变形能也就越大。因此,随着钢纤维掺量的增加,砂浆的峰后韧性大幅度提高,砂浆的脆性断裂特性得到改善。

由表4还可以看到,Re随钢纤维掺量的增加而增大,表示钢纤维的掺入有效改善了聚氨酯砂浆整体的弯曲韧性。此外,钢纤维体积分数相同时,PLSF的Re相较于PSSF分别提高6.5%、8.8%、4.7%、17.1%,表明LSF对砂浆弯曲韧性的改善效果优于SSF。

3 结 论

(1)钢纤维体积分数在2%及以下时,LSF、SSF对聚氨酯砂浆的抗压抗折强度均无明显影响。LSF体积分数在3%及以上时,大幅提升了砂浆的1 d、3 d、7 d强度;SSF对砂浆1 d、3 d抗压抗折强度无明显影响,主要提高砂浆的7 d抗压强度。

(2)LSF、SSF的加入将聚氨酯砂浆的挠度分别提高了1.2～1.6倍、1.4～1.9倍,有效提高了砂浆的变形能力,砂浆破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。

(3)钢纤维的加入大幅提高聚氨酯砂浆的弯曲韧性,峰后韧性提高尤为显著,体积分数4%时,PLSF、PSSF峰后断裂能提高幅度最大,试件在破坏后仍有很强的耗能能力和承载能力;PLSF的Re相较于PSSF较大,表明LSF对聚氨酯砂浆的增韧效果相较于SSF更好。