PE纤维水泥基复合材料的力学性能试验

 论文栏目:复合材料论文     更新时间:2018/5/11 11:21:12   

摘要:在水泥基复合材料中掺入适量聚乙烯(PE)纤维得到PE纤维水泥基复合材料,可以很好的提升水泥基复合材料的弯曲性能,研究了PE纤维掺量、粉煤灰置换率等对PE纤维水泥基复合材料抗压强度以及弯曲性能的影响。试验表明,PE纤维掺量可以有效的提升材料的弯曲性能,但对其抗压强度影响不大,而粉煤灰置换率却可以有效地控制水泥基复合材料强度等级,对其弯曲性能也有明显增强。

关键词:PE纤维水泥基复合材料;弯曲性能;抗压强度;纤维体积掺量;粉煤灰置换率

引言

纤维水泥基复合材料是通过在水泥基体中加入纤维,增强材料的韧性,对于建筑材料在抗弯性能、耐久性能等方面发挥重要作用。目前纤维的种类较多,钢纤维、聚丙烯纤维(PP)和聚乙烯醇(PVA)纤维作为增韧纤维材料已经获得大量的研究,并取得了很好的成果[1-5]。聚乙烯(PE)纤维是一种聚合物纤维,其强度高和弹模大,国内外对其作为纤维增韧材料的研究较少。FischerG等学者将PE纤维加入水泥基体配制成PE-ECC(polyethylene-engineeredce-mentitiouscomposite)材料,直接拉伸硬化应变可达到3%[6],但其成本过高[7],不利于推广应用;李操旺等利用PE纤维配制成超高性能混凝土[8],其抗压强度可以达到150MPa,但在弯曲增韧方面并没有体现出特别好的效果。本研究选取一种特力夫PE纤维,通过改变粉煤灰掺量、纤维体积掺量等因素来研究粉煤灰和纤维对PE纤维水泥基复合材料的抗压强度和弯曲韧性的影响。

1试验概况

1.1试验原材料及配合比设计

试验原材料主要有P•O52.5级水泥、精细砂、II级粉煤灰、硅灰、PE纤维(如表1所示)、聚羧酸盐类高效减水剂、拌和水为自来水。

1.2配合比设计

本次试验目的是研究PE纤维体积掺量和粉煤灰置换率对PE纤维水泥基复合材料抗压强度和弯曲性能的影响,配合比见表2,1~4组分别表示PE纤维体积掺量为0、1%、1.5%、1.8%、2%的情况,5~8组分别代表粉煤灰置换率为60%、50%、70%、80%的情况。

1.3试件的制备及试验方案

PE纤维水泥基复合材料在Hobart搅拌机中完成搅拌,首先将胶凝材料和精细砂放入搅拌机中,慢档搅拌1~2min,再将拌和水和减水剂分2次加入搅拌机,搅拌3~5min,待砂浆具有良好的流动性和黏聚力时,将纤维人工分次加入搅拌机中,全部加入后搅拌5~8min,搅拌完成,搅拌好的试件具有良好的流动性,用手触摸未发现明显的结团现象。将搅拌好的拌和体放入铁模中,振捣磨平好,盖上保鲜膜,待24h后拆模移至标准养护室中养护,到相应龄期进行力学性能试验。根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》,PE纤维水泥基复合材料立方体抗压试验均采用70.7mm×70.7mm×70.7mm尺寸试块,加载速率为0.4MPa/s;抗折试验采用40mm×40mm×160mm试件尺寸,试验跨距为120mm,跨中点按位移加载,加载速率为0.5mm/min,上述试验每组6个试块,立方体抗压试验在100T的Instron万能试验机上进行,其他试验均在25T的Instron万能试验机上进行,数据的采集均使用IMC动态采集系统。

2试验结果及分析

根据表2配合比设计8组试块,测试纤维体积掺量和粉煤灰置换率对其抗压强度和抗折强度的影响,其结果见表3。

2.1PE纤维体积掺量、粉煤灰置换率对PE纤维水泥基复合材料抗压强度的影响

由表3可知,当PE纤维体积掺量在0~2%增加时,PE纤维水泥基复合材料的抗压强度7、28d都会相比较于素水泥基复合材料有一个小幅度降低,但其强度等级都会保持在相同或者相邻的强度等级;而在纤维掺量均在2%时,随着粉煤灰置换水泥的比例从50%增加到80%时,PE纤维水泥基复合材料的抗压强度从78MPa降低到27MPa,可见改变粉煤灰置换率可以有效地改变PE纤维水泥基复合材料的强度等级,也可以根据这个来配制工程所需要的水泥基复合材料强度。主要原因在于:PE纤维添加到基体中,纤维与基体之间产生了薄弱界面,影响了基体的整体性,从而导致了基体抗压强度降低;而粉煤灰由于作为掺合物,其含钙率低于6%,不参加水化反应,因此随着粉煤灰置换率的增加,参加水化反应的水泥量降低,导致了PE纤维水泥基复合材料的抗压强度明显降低。

2.2PE纤维体积掺量、粉煤灰置换率对PE纤维水泥基复合材料弯曲性能的影响

由表3可以看出,在基体中加入PE纤维可以明显改善水泥基复合材料的抗折强度,当纤维掺量达到2%时,其28d抗折强度从4.6MPa提升到20.5MPa,提升了346%;而当纤维掺量保持在2%,粉煤灰置换率从50%增加到80%时,PE纤维的28d抗折强度从25.1MPa降低到13.7MPa,但仍明显高于素水泥基材料。另外,从图1中可以看到,当PE纤维掺量在2%时,极限荷载对应的位移为素水泥基复合材料的75倍,展现出优异的弯曲延性性能。主要愿因是:PE纤维是高强高弹模的纤维,当基体产生裂缝时,纤维起到了很好的“桥联”作用,将断裂应力传递到周围基体中,直至周边基体达到开裂应力,新的裂缝出现,周而复始其产生裂缝开裂的稳态破坏;而粉煤灰的添加影响了PE纤维与基体之间的黏结力,粉煤灰越多,其黏结力越弱,无法承担纤维的应力传递工作,抗折强度降低。

3结论

本试验通过研究PE纤维体积掺量和粉煤灰置换率对PE纤维水泥基复合材料抗压强度、弯曲性能的影响,得到如下结论:(1)PE纤维具有高强高弹模的特点,将其加到水泥基体中展现出良好的力学性能,可以作为纤维增韧材料。(2)添加PE纤维会降低水泥基复合材料的抗压强度,但均保持在相同或相邻抗压强度等级;而增加粉煤灰置换水泥的比例可以有效地降低水泥基体的抗压强度,可以根据这一特性来配制C30~C70强度等级的水泥基复合材料。(3)添加PE纤维可以大幅提升该材料的抗折能力,当PE纤维体积掺量在1%~2%时,PE纤维水泥基复合材料抗折强度可以提升至素水泥基复合材料的3~4倍,同时可以几十倍提升材料的弯曲延性特征,而提高粉煤灰置换水泥比例却会影响材料的抗折强度,但仍几倍大于素水泥基材料。

作者:李伟平 马卫强 王激扬 万成霖 陈荣达 单位:浙江省交通规划设计研究院 浙江大学 高性能建筑结构与材料研究所

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