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贵州聚丙烯网状纤维在混凝土和砂浆中的应用

作者: 时间:2021-07-1912993 次浏览

1.简介


纤维在改善建筑材料力学性能方面的应用早已为人所知。在古代,原始的泥屋是用掺有稻草的粘土建造的。在接下来的几个世纪里,人们使用了用稻草、石灰和水泥灰浆烧制的砖。在十九世纪,添加石棉纤维的混凝土变得非常流行。二十世纪初,人们首次尝试用钢纤维加固混凝土。几十年后,用于混凝土加固的天然纤维和化学纤维开始使用。关于这一主题的文献描述了应用各种天然纤维以及玻璃、碳、聚胺和其他典型合成纤维的成功尝试。


在合成纤维中,聚丙烯纤维是最常用的。人们对聚丙烯纤维的极大兴趣源于其相对低廉的价格、丰富的可用性和一些有价值的特性。纤维是安全的,易于使用,并与所有混凝土化学外加剂兼容。这种纤维具有化学惰性,具有很高的化学和生物抗性,包括在混凝土碱性环境中非常好的抗性。由于高电阻,纤维不生锈,在使用混凝土时不会腐蚀。纤维具有疏水性,几乎不吸水,在混合水泥浆时也不吸水。由于纤维密度较低,远低于钢的密度,因此钢筋较轻,不会对结构施加额外荷载。


短切聚丙烯网状纤维均匀地分布在混凝土的整个容量中,缝合裂缝的边缘并限制其扩展。特别是在浇筑后的最初几个小时内,当混凝土具有低强度和低杨氏模量,并且由于收缩产生的应力超过其强度时,减少裂缝是非常重要的

纤维通过分散内应力有效地限制了收缩裂纹的扩展。在裂缝形成的瞬间,一些纤维断裂,一些纤维在连接到混凝土的粘结断裂后,部分被拉出,一些桥梁出现加宽裂缝。所有这些过程都导致裂纹末端产生的应力耗散。虽然单纤维的抗应力能力不高,但随着纤维数量的增加,观察到了效应的累积,并有效地限制了裂纹的扩展。


除了减少裂缝扩展外,纤维的加入对其他混凝土参数也有积极影响。聚丙烯网状纤维增强混凝土具有高强度和抗弯开裂能力,抗动载荷能力高,抗疲劳性能提高,可磨性较经典混凝土低。纤维提高了混凝土的耐火性能,提高了混凝土的耐热性,并能抵抗突然的温度变化。在高温下,纤维被水泥基体熔化并部分吸收。纤维产生一个可渗透网络,允许向外气体迁移,降低材料中的孔隙压力,从而消除爆炸性剥落发生的可能性。纤维的加入也能提高混凝土的抗冻性。这样纤维显著延长了混凝土的耐久性


近年来,纤维增强混凝土被广泛用于道路和高速公路、机场路面、水边和许多其他工程物体的施工。


纤维增强混凝土的性能取决于水泥基体和纤维之间的相互作用,这取决于附着力和摩擦力。在弱应力作用下,粘结力保证了界面区的粘聚力。在这种情况下,复合材料的内应力由两种组分传递,纤维和基体在相界的位移是相容的。在较大的应力下,纤维与基体的弹性模量有显著差异,纤维与基体之间的粘结断裂。在这种键断开后,将纤维拉出的过程开始,在此过程中摩擦力起主要作用。


聚丙烯网状纤维由于其化学结构和低表面能,表现出极低的润湿性和对胶结基质的粘附性。文献描述了各种各样的纤维改性方法,旨在提高纤维的润湿性和粘附能力。一种方法是通过等离子体处理过程中发生的反应或紫外线或γ辐射引发的其他反应在纤维表面引入极性基团。改善粘合性能的第二种方法是通过化学和物理处理增加纤维表面的粗糙度。这种方法包括化学蚀刻、火焰处理、电晕放电或微波辐射。通过卷曲或扭转使纤维变形,可显著提高粘合能力。另一个有趣的选择是应用从聚丙烯类型获得的网状结构的纤维


聚丙烯网状纤维的结构。


纤维化聚丙烯纤维自20世纪60年代初开始生产[50]。由于相对简单和廉价的程序以及良好的机械性能,这种纤维的生产迅速成为传统熔融纺丝的合理替代品。在接下来的几年里,这项技术经常被应用于工业实践中,并且这种纤维被广泛应用于大规模生产麻袋布、绳索和地毯背衬织物以及农用、土工和不同技术的纺织品。


原纤化纤维的生产是一个多阶段的过程。这个过程从聚丙烯熔体通过平模挤出开始。薄膜通过水淬固化,然后单轴拉伸和热稳定。在液体介质中的高效淬火允许在随后的步骤中进行更高的拉伸。稳定后,将薄膜切割成宽度为1–20 mm的窄胶带,然后通过针辊装置将其分裂成纤维材料。最后,纤维被卷绕装置卷起。通过切割和分裂纤维,形成规则的网状结构(图1)。特殊的操作和加工条件对纤维的结构和最终性能有相当大的影响。通过改变成型参数,可以得到具有各种机械和热参数的纤维。

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对于混凝土的加固,使用短切至几毫米到几十毫米之间的特定长度的纤维。与薄膜厚度相对应的市售纤维厚度在15到100μm之间。对于纤维,单个纤维的宽度为100–600μm。纤维的比表面积在80–600 mm2/mm3之间。纤维的杨氏模量在3-5gpa之间,比胶凝材料的杨氏模量(15-40gpa)低很多倍。所用纤维的抗拉强度约为140–690 MPa


2.实验研究


2.1. 样品


获得了两个系列的聚丙烯纤维。在贝扎林SA(波兰比尔斯科比亚拉)的工业条件下生产纤维。生产中使用了DPM和Starlinger StarEx 1500生产线。纤维由市售聚丙烯树脂Moplen HP 456 J(波兰奥伦聚烯烃)制成,其熔体流动指数为3.4 g/10 min,添加(2%)聚乙烯Bralen FB 2-30(斯洛伐克石油化工公司)。


聚丙烯网状纤维通过平模挤出到水中,然后切成窄条。拉伸和热稳定后,用滚针局部切割带材,并用最终拉伸装置分开。生产出线密度为1000tex的纤维。


对于DPM生产线上生产的第一个系列,采用了两种拉伸比:8.66和9.83,以及三种针辊速度:150、180和200[m/min]。在Starlinger StarEx 1500生产线上生产的第二个系列中,使用了两种拉伸比:10和12,以及四种针辊速度:155、175、195和215 m/min。


从第一个系列中挑选出具有最佳力学参数特征的纤维:将具有最高韧性和最高杨氏模量的纤维切割成长度为19 mm的段,并用于制备钢筋混凝土样品。制备了尺寸为150mm×150mm×150mm的标准立方样品。纤维与混凝土按每立方米混凝土0.9千克纤维的比例混合。形成后,样品固化28天。


从第二系列中选择的纤维被切碎至5、10和15 mm的规定长度,并与水泥砂浆混合。根据EN 197-1:2002和EN 197-2:2002标准,使用波特兰水泥CEM I 42,5 R、沙子和自来水制备水泥砂浆。得到了纤维含量分别为0.25、0.5、0.75和1%的混合物。成分用实验室混合器Multiserw混合。将湿砂浆倒入尺寸为40mm×40×160mm的矩形棱柱模具中,并在开放空间中硬化。然后样品在水中固化28天。


2.2. 方法


研究了纤维的形态和力学性能。用JEOL-JSM-5500lv扫描电子显微镜研究了纤维的形态。对jeol1200离子溅射镀金纤维进行了观察。


根据PN-eniso5079标准测定了原纤化纤维的强度、断裂伸长率和杨氏模量。使用instron1026拉力机进行测量。


分别根据波兰标准PN-EN 12350-2:2001、PN-EN 12350-6:2001和12350-7:2001对新拌混凝土的和易性、密度和含气量进行了研究。根据波兰规范PN-en12390-3-2002,测定了150次冻融循环前后混凝土的抗压强度。根据波兰规范PN-88/B进行了吸水性研究。


砂浆的基本力学参数:抗压强度和抗弯强度按EN 196-1:2006标准测定,采用TECNOTEST KE 200/A拉力机测定。为了进行比较,测试了不含纤维的普通砂浆试样。


通过力学试验,分析了断裂试样的界面形貌。研究采用JEOL-JSM 5500lv扫描电镜进行。


3.结果


3.1. 原纤化纤维的形态、超分子结构与性能


图2显示了纤维表面的SEM显微照片。图2a显示了安装在最终拉伸装置前的滚针在聚丙烯带上产生的纵向切割。在板条表面的高倍放大率下,纤维结构清晰可见。原纤维紧密堆积,沿条带方向排列良好。纤维直径约为0.1μm。


在用针辊切割和拉伸后,观察到纤维的分裂。由于聚丙烯中分子间作用力较弱,切屑很容易繁殖。结果,板条部分分解成纤维,纤维以网状结构连接在一起,网状结构由横截面为矩形、直径约为500μm的扁平纤维形成。在相邻的光纤之间仍然可以观察到许多链路。通过强力拉伸,纤维之间的连接数量减少。


对于比例为9.83的纤维,韧性略高。在8.66和9.83拉伸的两个系列纤维中,最大的韧性表现为最小的针辊速度150m/min时产生的纤维。随着针辊速度的增加,纤维的韧性略有下降。与8.66拉伸的纤维相比,9.83拉伸的纤维的断裂伸长率更高。两种纤维的断裂伸长率均不随针辊速度的变化而变化。在较低的牵伸比8.66时,纤维的杨氏模量值较低,而杨氏模量值与针辊速度无关。对于比例为9.83的纤维,杨氏模量值较高。在低针辊速度下生产的纤维具有最高值。随着滚筒速度的增加,杨氏模量减小。