PVA和HTPP纤维与不同胶凝材料在弯曲载荷下的相容性比较研究外文翻译资料

 2022-03-11 10:03

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PVA和HTPP纤维与不同胶凝材料在弯曲载荷下的相容性比较研究

强调

bull;比较HTPP和PVA纤维增强基体的弯曲行为。

bull;与HTPP纤维复合材料比PVA纤维增强的复合材料具有更高的耐缺陷性。

bull;W / B比率显著影响纤维基质相容性。

摘要

实验研究了聚乙烯醇（PVA）和高韧度聚丙烯（HTPP）纤维与不同胶凝材料基体在弯曲性能方面的相容性。在三种水与粘合剂（W / B）比例下制备基质。为了比较基体的缺陷公差，一半样品的天然缺陷结构通过使用聚乙烯珠（直径3mm）进行修饰。在弯曲载荷下测定了纤维类型，水/粘合剂（W / B）比率和缺陷结构修饰对弯曲复合材料多次开裂行为的影响。复合材料的基体相主要由普通波特兰水泥（OPC），偏高岭土（M）和石灰石粉组成。棱镜标本（25times;60times;300 mm）制备好，并在样本制备28天后进行4点加载试验。比较了弯曲性能，多重裂纹电位，复合材料的裂纹性能（通过数量和宽度）。结果表明，就用基于偏高岭土的基质的缺陷容限而言，HTPP纤维比PVA纤维更有利。

关键词

水泥基复合材料，PVA纤维，HTPP纤维，偏高岭土，多裂纹

  1. 简介

由于混凝土的高抗压强度，它是世界上最重要的建筑材料之一。混凝土行业的发展促使混凝土的压缩程度进一步加强。然而，直到第一次开裂才有这个优点。第一道裂缝后，会发生连续裂缝开裂（格里菲斯型裂缝），混凝土立即失效。为了克服这个缺点，工程胶凝复合材料（ECC）由李和同事开发。 ECC是基于微观力学设计理论的微观结构定制。

ECC在第一次破裂后显示假应变硬化行为，并出现紧密间隔的多个细裂纹（饱和裂纹），直到达到复合峰值载荷。因此，只有适度的聚合物纤维体积分数（一般为总体积的2％），可以获得高达传统混凝土三百倍的应变能力。为了达到这个性能，ECC在其基体相位，光纤和光纤/基体界面方面进行了微机械设计。 ECC开发中使用水泥，超细微粒和各种矿物掺合料（粉煤灰，矿渣等）和聚合物纤维（HDPE，UHMWPE，PVA，HTPP等）。

偏高岭土（M）是一种无水结构的超细硅酸铝化合物。生高岭土粘土在400-600℃开始脱羟基化，加热到550-900℃分解成碱性氧化物。该过程破坏了高岭石的晶格结构并形成具有火山灰活性的不稳定的无定形结构。通过在钢纤维增强超高性能混凝土中使用偏高岭土，可以提高韧性和能量吸收能力。Ouml;zbay等人显示在ECC中使用偏高岭土具有耐久性优点，例如抗裂性，低毛细作用和氯离子渗透性，而不丧失其优越的延展性或机械性能。而Gouml;dek等人表明，在具有不连续微纤维增强材料（水与粘结剂的比例，缺陷分布等）的复合材料基体中的适当设计，可以获得通常在经受弯曲载荷的连续增强梁中所见的多种开裂行为。

过去十年来，PVA纤维主要用于ECC设计。PVA纤维由于其亲水性结构而形成极强的化学键，由于拉出期间纤维的早期破裂，PVA纤维可能导致复合材料的多重开裂行为减少。为了解决这个过度的粘合问题，纤维的表面被涂油。通过这种方式，PVA纤维/基体结合被优化以实现高拉伸延展性。

与广泛使用的聚合物如PVA和PE相比，聚丙烯（PP）是一种具有成本效益和全球可用的纤维生产替代原料。然而，传统的PP纤维与水泥基质呈现低拉伸强度和弱结合性能。因此，过去PP纤维的有效使用受到限制。随着聚合物技术的不断发展，主要是在纺丝工艺中，制造了一种抗拉强度为800-900MPa的新型高强度聚合物基纤维，称为高强度聚丙烯（HTPP）。杨和Felekoğlu等人已经研究过HTPP纤维作为其他纤维的替代品。 。已经开发了含有2％HTPP纤维的HTPP-ECC，其展现出高达4-8％的拉伸应变能力和3-4MPa极限拉伸强度。

控制基体断裂韧性是实现多重开裂行为的关键条件。天然裂缝已经存在于水泥基质中，如孔隙，弱边界，微裂纹。通过控制或改变基体的自然缺陷结构，可以提高复合材料的多重开裂行为。这种改进可以归因于在具有与水泥基质（例如塑料珠）的弱结合性的塑料珠的存在下复合材料的更好的开裂倾向。

在这项研究中，在三种不同的水与粘结剂（W / B）比下制备了偏高岭土基的PVA和HTPP纤维的水泥基复合材料。一半复合材料的缺陷结构是为了监测缺陷公差而加入PE珠粒进行改性的。研究纤维类型与各种水泥基复合材料在弯曲载荷作用下的多重开裂性能的相容性。

  1. 材料，混合物制备和实验计划

I型普通波特兰水泥（OPC）符合ASTM C150，偏高岭土（M）和石灰石粉末的要求，用于基体设计。加入总量为2％的PVA和HTPP纤维。表1和表2给出了OPC和M的化学，物理和机械性能，纤维的物理和机械性能分别在表3中给出。此外，使用聚羧酸盐基高范围减水剂（HRWRA）来改善流动性并控制基质相的塑性粘度以有效地分散聚合物纤维。在缺陷结构改性复合材料的情况下，添加总体积的6％的PE珠粒。

以不同的W / B比率分别制备三个基质，分别为0.53,0.63和0.78（表4）。所有的复合材料均使用Hobart混合器以约40L的批量制备。将粉末成分预混合1分钟。将水和HRWRA分别加入到混合物中，并在每次加入后继续混合1分钟。最后，将PVA或HTPP纤维加入到混合物中以分别生产PVA-ECC或HTPP-ECC。加入纤维后，混合物再混合2分钟。三个25 * 60 * 300毫米棱镜样品被模制。第一次模塑后，将PE珠粒加入剩余的混合物中并再混合1分钟。然后再铸造另外三个棱镜样品，以研究缺陷修饰（PE珠）对复合材料的影响。混合后一天将标本脱模并在水中（20plusmn;2℃）固化28天。水固化28天后，在位移控制下进行4点弯曲强度测试，中间位移率为0.5mm / min。线性可变位移传感器（LVDT），用于测量中间跨度处试样的挠度值。样本标记为例子“0.53MVAB”。 M表示偏高岭土（0.53MVAB），PVA和HTPP表示为VA或PP（0.53MVAB），PE珠添加用B（0.53MVAB）表示。

  1. 结果与讨论

3.1 挠曲荷载 - 挠度曲线分析

挠曲负荷 - 从四点弯曲试验获得的复合材料的中跨弯曲曲线绘制在图1和图2中的PVA-ECC和HTPP-ECC。 1和2。第一列给出了具有自然缺陷结构的载荷 - 中跨挠度曲线，第二列给出了具有改进缺陷结构的复合材料的载荷 - 中跨挠度曲线。用点表示每种复合材料的最大挠曲载荷和相应挠曲载荷的平均值。挠曲强度是这一点的纵坐标，挠曲能力被认为是该点的横坐标。

在MVA系列中，增加W / B比率可将最大弯曲载荷从1750 N逐渐减小到1024 N.中跨度弯曲能力介于4.7和5.6 mm之间（图1a）。增加W / B比值会轻微影响复合材料的挠曲能力。随着PE珠（MVAB系列）的添加，挠曲能力增加（图1b）。在W / B比较低的复合材料中，挠度改善更明显。增加W / B比率负面影响偏转能力。但是，即使在最高的W / B比（0.78）下，挠曲能力也会因缺陷修改而提高（23％）。在W / B比率最低（0.53）的复合材料中，PE珠粒的添加改善了高达85％的挠曲能力。然而，弯曲强度显着降低珠修改。

在MPP系列中，W / B粘结剂比率从0.53增加到0.63对弯曲强度没有影响，但稍微增加了挠曲能力。随着W / B比从0.63到0.78的进一步增加，弯曲强度和挠曲能力值都得到改善（图2a）。在复合材料中添加PE珠在0.63MPP（B）系列中几乎没有效果。然而，在0.53MPP（B）和0.78MPP（B）系列下，挠曲能力增加而挠曲强度没有显着降低（图2b）。值得注意的是，具有最高W / B比（0.78）的复合材料在两者中都具有更高的挠曲强度和挠曲能力。这种改进可归因于HTPP纤维在基质中的缺陷公差作用。

本研究中测试的PVA纤维直径是HTPP纤维的3.25倍（表3）。由于这个原因，HTPP-ECC（MPP系列）横截面积中的纤维数量比PVA-ECC（MVA系列）的纤维数量高出近10倍。在HTPP-ECC情况下，每单位横截面积的纤维数量更高。因此，如果能够用有效的混合技术来解决分散，定向和聚集问题，那么单位横截面积中的更多纤维可以产生有效的方式使纤维承受更大的弯曲载荷。

PE珠添加以两种方式影响多重裂解机制。作为一个积极的影响，聚乙烯珠添加减少了矩阵的断裂韧性和促进开裂。通过这种方式，会出现更多的裂纹，并有助于将载荷传递到复合材料的其他部分。 PE珠粒也可能改变基质的纤维分散能力。

考虑到这两种机理，在PVA-ECC中，由于纤维分散性的降低，弯曲载荷不能转移到具有缺陷结构改性的其他部分。因此，复合材料的承载能力下降。但PVA-ECC的挠曲能力由于早期的第一次开裂而增加，这允许基质具有更多的裂缝。然而，在HTPP-ECC中，纤维的强度和更均匀的分散性都改善了挠曲载荷和挠曲能力值。

3.2 首先进行裂纹和弯曲强度分析

图3显示了第一个裂缝 - 弯曲强度曲线图，通过对从负载 - 挠曲曲线获得的试样的第一次开裂强度和弯曲强度进行平均。在左栏显示PVA-ECCs（MVA系列）（图3a），在右栏显示HTPP-ECCs（MPP系列）（图3b）。另外，具有改进的缺陷结构的复合材料也用虚线条显示。

通过使用来自负载 - 偏转关系变为非线性的点处的负载来计算第一抗裂强度。如果在荷载的初始部分 - 中跨挠度曲线上存在连续的斜率变化，则从该曲线的线性部分延长两个切线。然后确定并接受垂直交点作为第一次开裂强度[31]。

在MVA系列（图3a）中，随着W / B比例增加，第一裂缝和抗弯强度均逐渐降低。此外，修改复合材料的缺陷结构，几乎使第一裂纹和弯曲强度减半，并且仍然存在随着W / B比例增加而强度成比例下降的情况。

在MPP系列中（图3b），在初始裂纹和弯曲强度方面，W / B比率增量和缺陷结构修饰之间没有显着关系。另外，显然也没有显着的性能下降。然而，与MVA系列相比，第一个裂纹强度显着更高。

这可以通过横截面中的纤维数量来解释（图4）。复合材料中有几个微观缺陷。裂纹从一个微缺陷开始，随着载荷施加，并开始继续前进，同时从一个弱微缺陷反弹到另一个微缺陷。在纤维界面和基体之间形成了一种微尺度的弱缺陷，这种弱缺陷是由于纤维加入到复合材料中而形成的。更多的纤维添加意味着更多的微缺陷。因此，更多的微观缺陷可能会延长裂纹的形成并吸收更多的能量。如图4所示，与PVA-ECCS（图4a，5个步骤）相比，裂纹扩展在HTPP-ECCs中花费更长的距离（图4b，9个步骤）并且吸收更多的能量，这可能是改善的原因第一强度。

3.3 相对弯曲韧性 - 裂纹数量 - 裂缝宽度分析

相对弯曲韧性 - 裂纹数图如图5所示。相对弯曲韧性的计算方法是将负载 - 挠度曲线下的面积积分至挠曲强度点。用光学显微镜计数（卸载后）样品底部的裂纹数量，并测量裂纹宽度（在235X放大率下）。根据以下假设计算裂纹的数量：如果裂纹在样本宽度的一半以上可见，则将其视为单独的裂纹。为此，沿着试样的长度绘制中心线，并计算与该线相交的裂纹的数量。

在MVA系列（图5a）中，相对弯曲韧性和裂纹数值不受增加W / B比值的影响。然而，将W / B比率从0.63增加到0.78，对相对弯曲韧性和裂纹数值都有负面影响。缺陷结构修改改善了多裂纹行为。与天然有缺陷的复合材料相比，任意相对弯曲韧度值逐渐降低。而且，可以说相对弯曲韧性和裂纹数量之间存在正相关关系。

在MPP系列（图5b）中，相对弯曲韧性值在较高的W / B比下增加，而裂纹数受W / B比的增加的负面影响。缺陷结构修饰增加了裂纹数量和弯曲韧性值。

相对弯曲韧性是ECC中复杂的能量吸收参数，取决于纤维，基体和纤维 - 基体界面特性。基本上，如果弯曲强度和弯曲能力都增加，则相对弯曲韧性将按预期增加。此外，裂纹扩展和裂缝宽度也会影响相对弯曲韧性。新裂纹的形成和其宽度的增加吸收能量。裂缝宽度越大意味着剥离的纤维越多。在纤维剥离的同时，更多的能量将被吸收，以打破纤维和基体之间的化学和摩擦键。

由于分子链中存在羟基，PVA纤维与水泥基质形成强烈的化学键（第1节）。这种与水泥基质的化学键合导致纤维早期破裂，限制了多重开裂倾向和挠曲能力。结果，相对弯曲韧性会降低。在MVA系列中，偏转能力几乎保持在5plusmn;1毫米（图1a）。因此，弯曲韧性值是有限的。此外，增加W / B比可能削弱可能妨碍有效化学键形成的纤维 - 基质界面。因此，这些复合材料的纤维负荷转移能力下降，弯曲强度也受到限制。这是0.78MVA弯曲韧性差的原因。通过添加PE珠粒，基质的裂化倾向得到改善。因此，由于裂纹数量的增加，挠曲能力得到改善（图1b）。然而，弯曲韧性值仍然处于有限的数值。这可以解释为由于PE珠粒添加导致横截面中纤维分散效率低而导致弯曲强度降低。另外，虽然裂缝数量增加，但平均裂缝宽度减小。这也可能是弯曲韧性下降的原因。

普通PP纤维由于其疏水特性和低表面粗糙度而具有弱粘合。因此，由于纤维 - 基体界面之间的摩擦粘合特性，疏水性纤维将负载转移到部分。但据报道，疏水纤维的表面能可以通过等离子体处理增加，或者可以通过涂层来改变表面性质[27]。共聚物涂层程序被应用于HTPP纤维，以提高其与水泥基体的摩擦粘结性能[25]。在MPP系列中，弯曲强度在10plusmn;1MPa范围内。增加W / B比率或缺陷结构修改不影响弯曲强度（图2a）。此外，通过修改缺陷结构，矩阵变得更脆弱，从而支持多重裂纹。因此，裂纹数量增加。结果，相对弯曲韧性也增加了。然而，在具有自然缺陷结构的MPP系列中，弯曲韧性与裂纹数量之间存在逆向关系。从图4b中可以看出，随着W / B比的增加，裂缝数量减少而裂缝宽度增加。例如，W / B比从0.53增加到0.63，裂缝数从21个减少到16个，平均裂缝宽度几乎翻了一番（从

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