Flexural performance of ultra-high performance fiber reinforced cementitious composite material doped with copolymer formaldehyde fiber
-
摘要: 为探究共聚甲醛纤维超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)的抗弯力学性能,设计并测试了5组抗弯试件,包括3组纤维单掺型试件和2组纤维混杂型试件。结果表明:共聚甲醛纤维UHPFRC试件中,纤维体积掺量为2vol%时,UHPFRC试件具有更好的抗弯强度,平均强度可达13.4 MPa;适量的共聚甲醛纤维可延缓UHPFRC基体的开裂,增强其裂前变形能力,5组试件中,2vol%共聚甲醛纤维UHPFRC试件的开裂挠度最大,可达0.65 mm;混杂纤维可更好地增强UHPFRC的抗弯强度和韧性,1.5vol%共聚甲醛纤维和1.5vol%钢纤维混掺时,UHPFRC试件抗弯强度可达13.9 MPa,同时该组试件的韧性最好。本文揭示了共聚甲醛纤维在UHPFRC抗弯力学性能方面的作用效果,对其在UHPFRC中的应用及UHPFRC的推广具有重要参考价值。
-
关键词:
- 共聚甲醛纤维 /
- 超高性能水泥基复合材料 /
- 抗弯性能 /
- 纤维类型 /
- 纤维掺量
Abstract: In order to investigate the flexural performance of ultra-high performance fiber reinforced cementitious composite material (UHPFRC) doped with copolymer formaldehyde fiber, five groups of bending specimens were designed and tested, including three groups of single mixed specimens and two groups of fiber hybrid specimens. The results show that among the copolymer formaldehyde fiber UHPFRC specimens, 2vol% copolymer formaldehyde fiber UHPFRC specimens have better flexural strength, with an average strength of 13.4 MPa. An appropriate amount of co-formaldehyde fiber can delay the cracking of UHPFRC matrix and enhance its ability to deformation before cracking. Among the five groups of test pieces, the cracking deflection of 2vol% copolymer formaldehyde fiber UHPFRC test piece is the largest, which can reach 0.65 mm. Hybrid fiber can better enhance the flexural strength and toughness of UHPFRC. When 1.5vol% copolymer formaldehyde fiber and 1.5vol% steel fiber are mixed, the flexural strength of UHPFRC specimens can reach 13.9 MPa, and the toughness of this group of specimens is the best. The research reveals the effect of copolymer formaldehyde fiber on the flexural mechanical properties of UHPFRC, which has important reference value for its application in UHPFRC and the promotion of UHPFRC. -
近几年,随着经济的发展和生活水平的提高,木制品因其天然环保和美丽色泽的特性而被广泛应用于家具、船舶、室内装修等领域。由于常用纤维板易燃的特性,GB 20286—2006[1]标准强制要求用于特殊公共领域装饰装修的纤维板必须进行阻燃处理,从而使许多学者对木材及人造板的阻燃进行深入、广泛研究。
目前国内外用于纤维板阻燃处理的有金属氢氧化物阻燃剂[2-4]、金属氧化物阻燃剂[5-6]、木质素[7]、碳纳米材料[8-11]和磷氮系等阻燃剂[12-15]。金属类阻燃剂虽然对环境无害,但其阻燃效率低,需要较大添加量才具备一定阻燃效果,但高添加量大大降低了材料的力学性能,严重限制材料的实际应用。碳纳米材料虽然具有一定阻燃性,但成本太高,不适合工业广泛应用。磷氮系阻燃剂是目前最具发展潜力的阻燃剂,具有无卤、环保、高效等特点,且其在燃烧过程中不会产生二噁英及卤化氢等严重危害环境及人员安全的物质,在很多领域得到广泛应用。在燃烧过程中,阻燃剂中磷酸组分使木质材料脱氧成炭覆盖在材料外层,阻止热量和O2进入材料内部,同时阻燃剂可分解产生不可燃气体来稀释可燃气体浓度,从而起到阻燃效果。
三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)具有无卤、热稳定性好等特性,在膨胀型阻燃剂中常用作酸盐、气源使用,具有较好阻燃效果。黄俊等[16]采用MPP与金属氧化物协效阻燃聚丙烯,结果表明,聚丙烯的极限氧指数(LOI)从17.4vol%提高到31.5vol%,垂直燃烧(UL94)等级达到V-0级。程利萍等[17]将MPP和磷酸三苯酯(TPP)复配用于阻燃聚丙烯,结果表明,当MPP与TPP质量比为20∶10时,聚丙烯阻燃性能最佳。次磷酸铝(AP)是近年发展起来的高效无机磷系阻燃剂,具有含磷量高、热稳定性好、燃烧残炭率高等优点,常作为一种无卤阻燃协效剂与其他磷氮系阻燃剂共同使用。许肖丽等[18]将AP和苯氧基环三磷腈(PCPZ)用于协效阻燃聚碳酸酯(PC),结果表明,AP与PCPZ的质量比为1∶1时,且阻燃剂的质量分数为10wt%时,PC的LOI为35.5vol%,UL94等级达到V-0级。果威等[19]将MPP和AP用于阻燃聚乙烯/木粉复合材料,结果表明,MPP与AP的质量比为3∶2时,聚乙烯/木粉复合材料阻燃效果达到最佳,LOI为29.6vol%,UL-94等级达V-0级。虽然MPP和AP在聚合物或聚合物复合材料中具有良好的阻燃效果,但目前还未在纤维板中得到应用。
近几年,纤维板行业逐步转型升级,更新产品结构,探索通过提高密度来生产高物理力学性能的纤维板,开发应用于建筑外墙装饰、化学实验台等领域。本研究将MPP为主阻燃剂,AP为阻燃协效剂,添加入木纤维(WF)和酚醛树脂(PF)中制备阻燃高密度纤维板(MPP-AP-WF/PR)复合材料。采用弯曲强度、吸水率、吸水厚度膨胀率、LOI、热失重(TG)、SEM和EDS探究MPP与AP质量比对MPP-AP-WF/PR复合材料性能的影响,并对其阻燃机制进行分析。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
杨木纤维(WF),含水率为13%~14%,保定金宏达轻质板材制造有限公司。酚醛树脂胶黏剂(PR),固含量为48.35%,黏度为45 mPa·s,pH值为9.71,广东太尔胶黏剂有限公司。三聚氰胺聚磷酸盐(MPP),白色粉状,m(P2O5)≥35%,粒径≤2.5 μm的MPP占总质量的50%,粒径≤30 μm的MPP占总质量的98%,东莞市吉信塑胶原料有限公司。次磷酸铝(AP),白色粉末,3~13 μm,东莞市吉信塑胶原料有限公司。
1.2 复合材料的制备
将WF浸泡到固含量为15%的PR溶液中,待溶液浸渍完,将多余的胶挤掉,使纤维上胶量为17% (每100 g纯WF含有17 g PR)。将含胶WF晾至含水率为12.1%,再将阻燃剂按照表1的配方与WF混合均匀,手工铺装,最后压制成300 mm×300 mm×8 mm的MPP-AP-WF/PR复合材料,板材密度为1.35 g/cm3,热压温度为150℃,热压时间为1 mm/min。每个配方制备3块板,再制成标准试样进行性能表征。
No. Sample Mass ratio of
MPP to APMass fraction of MPP and/or AP/wt% 1# WF/PR 0∶0 0 2# MPP-WF/PR 1∶0 10 3# AP-WF/PR 0∶1 10 4# MPP-AP-WF/PR 2∶1 10 5# MPP-AP-WF/PR 1∶1 10 6# MPP-AP-WF/PR 1∶2 10 Notes: MPP—Melamine polyphosphate; AP—Aluminium phosphate; WF—Wood fiber; PR—Phenolic resin. 1.3 性能测试与表征
弯曲性能按照GB/T 17657—2013[20]测试,速率为5.0 mm/min;采用江宁分析仪器厂HC-2型氧指数测定仪,按照GB/T 2406.2—2009[21]进行极限氧指数(LOI)测试,样品尺寸为100 mm×10 mm×4.0 mm;采用美国TA公司TGA Q5000型热重分析仪进行TG测试,在N2氛围中以10℃/min的速度升温,温度范围为室温~600℃。样品在真空条件下喷金后,采用SEM (HITACHI S4800)观察其断面形貌,采用EDS(Inca X-Max 80)观察微观结构元素分布;吸水厚度膨胀率RT和吸水率Rw按照GB/T 17657—2013[20]进行测试,浸泡时间为24 h,试件尺寸为50 mm×50 mm,每种材料取5个试件进行测试,最后取平均值。RT和Rw计算如下:
RT=h2−h1h1×100% (1) Rw=m2−m1m1×100% (2) 式中:h1和h2分别为浸泡前和浸泡后试件的厚度(mm);m1和m2分别为浸泡前和浸泡后试件的质量(g)。
2. 结果与讨论
2.1 MPP-AP-WF/PR复合材料的弯曲性能
图1为WF/PR、MPP-WF/PR、AP-WF/PR、MPP-AP-WF/PR复合材料的弯曲强度和弹性模量。可以看出,未添加阻燃剂时,WF/PR复合材料的弯曲强度和弹性模量分别为92.6 MPa和8500 MPa,单独添加MPP或AP时,MPP-WF/PR和AP-WF/PR复合材料的弯曲强度分别为76.04 MPa和82.37 MPa,弹性模量分别为7280 MPa和7540 MPa,表明MPP和AP的添加均使WF/PR复合材料的弯曲强度和弹性模量降低。这是由于MPP和AP的粒径较大,相当于填料的作用,添加MPP或AP后,使WF和PR之间的相互作用力减弱,且阻燃剂与PR的结合力较差,容易造成界面脱胶并留下大量孔隙,造成大量应力集中点,从而导致WF/PR复合材料的力学性能下降;而AP的粒径较MPP小,AP-WF/PR复合材料的弯曲强度较MPP-WF/PR复合材料大。图2为WF/PR、MPP-WF/PR、AP-WF/PR、MPP-AP-WF/PR复合材料的SEM图像。可以看出,WF/PR复合材料内部均匀密实,且断面比较光滑。而添加阻燃剂后,复合材料断面变得更加粗糙,这是由于阻燃剂在复合材料内部分布,纤维表面存在阻燃剂层,使PR不能很好地黏接木纤维导致的。较差的黏接区域容易形成应力集中点,降低复合材料性能。AP-WF/PR复合材料的弯曲强度和弹性模量优于MPP-WF/PR复合材料,这可能是AP粒径较小,在WF/PR复合材料内部相对较密实,外力作用下,不易发生破坏。当MPP和AP复配添加后,MPP-AP-WF/PR复合材料的弯曲强度均小于WF/PR复合材料,但大于MPP-WF/PR复合材料,表明添加粒径较小的AP阻燃剂对WF/PR复合材料弯曲强度影响较小。
2.2 MPP-AP-WF/PR复合材料的耐水性能
图3为WF/PR、MPP-WF/PR、AP-WF/PR、MPP-AP-WF/PR复合材料24 h的吸水率Rw和吸水厚度膨胀率RT。由图3(a)可以看出,添加阻燃剂后,MPP-WF/PR、AP-WF/PR和MPP-AP-WF/PR复合材料的Rw均高于WF/PR复合材料,表明阻燃剂的添加使WF/PR复合材料孔隙增加,导致水分渗入板材中。单独添加MPP时,MPP-WF/PR复合材料的Rw明显高于AP-WF/PR复合材料,这可能是由于MPP粒径尺寸较大,界面存在较多孔隙,使水份易于渗入且留在孔隙中,因此MPP-WF/PR复合材料的Rw较大。MPP和AP复配使用后,MPP-AP-WF/PR复合材料的Rw低于MPP-WF/PR复合材料。
由图3(b)可以看出,添加阻燃剂后,MPP-WF/PR、AP-WF/PR和MPP-AP-WF/PR复合材料的RT均高于WF/PR复合材料。单独添加MPP时,MPP-WF/PR复合材料的RT增加不明显,而单独添加AP后,AP-WF/PR复合材料的RT明显增大。这可能是由于单独添加MPP时,水分主要存在于MPP-WF/PR复合材料的孔隙中,对膨胀性能没有明显影响;而单独添加AP时,AP-WF/PR复合材料中的水分渗入到内部木纤维结构中,导致复合材料发生膨胀,提高了AP-WF/PR复合材料的RT。
进一步观察发现,MPP和AP两种阻燃剂复配使用时,随着AP含量的增加,MPP-AP-WF/PR复合材料的Rw和RT均增大,可以推断,与MPP相比,AP阻燃剂不利于抑制WF/PR复合材料的耐水性能。
2.3 MPP-AP-WF/PR复合材料的耐热性能
图4为WF/PR、MPP-WF/PR、AP-WF/PR、MPP-AP-WF/PR复合材料在N2中的TG曲线。表2为WF/PR、MPP-WF/PR、AP-WF/PR、MPP-AP-WF/PR复合材料的TG数据。从图4可以看出,WF/PR、MPP-WF/PR、AP-WF/PR和MPP-AP-WF/PR复合材料的热分解均经历3个阶段,热失重曲线在接近100℃时,均出现第一个台阶,对应WF水分的挥发。从表2可以看出,与无阻燃剂WF/PR复合材料相比,添加阻燃剂的MPP-WF/PR、AP-WF/PR和MPP-AP-WF/PR复合材料初始分解温度即热失重5%时的温度T5%基本没有明显变化,表明阻燃剂的添加对WF/PR复合材料的初始热性能基本没有影响。
No. 1# 2# 3# 4# 5# 6# T5%/℃ 254.9 254.9 254.9 255.1 257.4 257.3 Tmax/℃ 349.6 346.4 339.6 338.6 333.7 335.7 Char at 600℃/% 23.9 27.8 30.8 31.7 34.4 33.0 Notes: T5%—Decomposition temperature when mass of sample loss 5%,; Tmax—Maximum thermal decomposition temperature of sample. 无阻燃剂时,WF/PR复合材料在250~350℃出现第二阶段的热降解,对应半纤维素和纤维素的分解;第三阶段热降解在350℃后,属于木质素和部分纤维素的分解及成炭过程。添加阻燃剂后,MPP-WF/PR、AP-WF/PR和MPP-AP-WF/PR复合材料的热降解曲线具有相似变化趋势,只有在温度高于350℃后,降解速率明显下降,这主要是由于阻燃剂MPP和AP具有良好的耐热性,降低了WF/PR复合材料的降解速率。由表2可以发现,WF/PR复合材料的最大热释放速率对应的温度Tmax 随阻燃剂的添加逐渐降低,且随着AP含量的增加而降低,这是由于阻燃剂受热分解产生酸,酸类物质促进WF的分解。MPP和AP阻燃剂复配加入后,MPP-AP-WF/PR复合材料的残炭明显较MPP-WF/PR和AP-WF/PR高,表明MPP和AP在WF/PR复合材料中具有协效作用。残炭量的增加可以起到隔热隔氧的作用,另一方面还可在复合材料表面形成一层更好的致密炭层,有效延缓燃烧,提高复合材料的阻燃性能。
2.4 MPP-AP-WF/PR复合材料的阻燃性能及机制
图5为WF/PR、MPP-WF/PR、AP-WF/PR、MPP-AP-WF/PR复合材料的LOI和燃烧测试后的照片。可知,未添加阻燃剂的WF/PF复合材料LOI为27.1vol%,燃烧测试后,复合材料完全燃烧,只留下灰白色的残灰,不能成炭,灰极易掉落。当加入阻燃剂后,MPP-WF/PR、AP-WF/PR和MPP-AP-WF/PR复合材料燃烧后形成大量残炭,LOI明显增大,且当MPP与AP质量比为1∶2时,MPP-AP-WF/PR复合材料的LOI为41.6 vol%,较WF/PR复合材料提高了53.5%。
图6为MPP-WF/PR和AP-WF/PR复合材料燃烧测试后残炭表面和内部的SEM图像及AP-WF/PR复合材料残炭的元素分布。可以发现,MPP-WF/PR和AP-WF/PR复合材料的炭层表面非常致密,而炭层内部保留了WF自身的管状结构,表明该致密炭层不仅可以阻隔O2进入复合材料内部,还可以隔绝热量,阻止火焰向内部传播,从而保护内部复合材料不充分被燃烧,起到阻燃效果。
由图5(a)可以看出,MPP-WF/PR复合材料的LOI明显高于AP-WF/PR复合材料,表明AP阻燃效果略逊于MPP。表3为MPP-WF/PR和AP-WF/PR复合材料炭层表面和内部的元素分布。可以发现,MPP-WF/PR复合材料炭层内部和外部含有C、O和P元素,表明MPP燃烧后还可以形成磷酸类炭层覆盖在复合材料表面,在凝聚相起到隔热、隔氧等作用,抑制复合材料进一步燃烧;没有发现N元素,这可能是由于MPP受热分解成磷酸类物质和NH3[22]。许多研究表明,AP在燃烧后,P和Al元素形成交联结构,构成大量残炭[23-24]。AP-WF/PR复合材料的炭层内部和外部均含有Al和P元素,表明其产生大量含Al的磷酸类炭层,只能通过凝聚相起到阻燃作用,因此AP-WF/PR复合材料的LOI低于MPP-WF/PR复合材料。进一步观察发现,AP-WF/PR复合材料燃烧后,炭层内外表面均产生大量球状颗粒。由图6(e)~图6(h)可知,AP-WF/PR复合材料炭层的颗粒物质集中区域主要含Al、P和O元素,而C元素分布较少,因此进一步证明AP燃烧后产生大量含Al的磷酸类炭层。
Element 2# 3# External/
wt%Internal/
wt%External/
wt%Internal/
wt%C 85.73 76.15 64.42 55.61 O 9.51 19.90 25.60 22.23 Al 0 0 1.92 5.43 P 4.26 3.95 8.06 16.73 图7为MPP-AP-WF/PR复合材料燃烧测试后残炭表面和内部的SEM图像。可以发现,MPP-AP-WF/PR复合材料内部炭层均保持了很好的WF结构,表明添加MPP和AP阻燃剂后,可极大地抑制复合材料内部的有焰燃烧,因此MPP-AP-WF/PR复合材料具有较好阻燃效果。进一步观察炭层表面发现,MPP-AP-WF/PR复合材料炭层表面均与AP-WF/PR复合材料相似,均具有许多球状颗粒,表明阻燃剂MPP和AP复配使用时,MPP在气相和凝聚相起到阻燃作用,AP在凝聚相成炭,两者可以同时在气相和凝聚相起到阻燃效果,保护基材不被充分燃烧,大大提高了WF/PR复合材料的LOI。当MPP与AP质量比为1∶2时,MPP-AP-WF/PR复合材料的LOI最大,为41.6 vol%,此时MPP-AP-WF/PR 复合材 料具有最好的阻燃效果。基于MPP和AP的气相和凝聚相的双重阻燃作用,WF/PR复合材料在燃烧过程中不完全燃烧程度增加,最终在燃烧测试中表现出优异的LOI和高成炭率。
3. 结 论
(1)采用三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)和次磷酸铝(AP)作为阻燃剂加到木纤维/酚醛树脂 (WF/PR) 复合材料中,制备阻燃高密度纤维板 (MPP-AP-WF/PR) 复合材料,探索MPP与AP质量比的变化对MPP-AP-WF/PR复合材料力学性能和阻燃性能的影响。结果表明,单独或复配添加MPP和AP阻燃剂弱化了WF/PR复合材料的弯曲强度,而单独添加MPP阻燃剂对WF/PR复合材料力学性能的影响更大。
(2)添加阻燃剂后,MPP-WF/PR、AP-WF/PR和MPP-AP-WF/PR复合材料的24 h吸水率Rw和24 h吸水厚度膨胀率RT均较未添加阻燃剂的WF/PR复合材料高,表明阻燃剂的添加使复合材料内部孔隙增加,导致水分渗入到复合材料中。
(3)通过热失重分析发现,MPP和AP复配添加后,对WF/PR复合材料的初始耐热性能没有明显影响;但复配添加MPP和AP阻燃剂促进了WF/PR复合材料残炭率的提高,表明MPP和AP两种阻燃剂在WF/PR复合材料中具有良好的协同效果。
(4)将MPP和AP单独添加入WF/PR复合材料中,MPP具有更良好的阻燃效果。进一步发现,将MPP与AP按质量比为1∶2复配,MPP-AP-WF/PR复合材料的极限氧指数(LOI)为41.6 vol%,较WF/PR复合材料提高了53.5%,说明复配后MPP和AP之间存在协同阻燃作用,明显提高了WF/PR复合材料的阻燃性能。
(5) SEM分析表明,MPP-AP-WF/PR复合材料燃烧后,炭层表面形成致密结构,有助于提高复合材料的阻燃性能,且EDS分析发现,MPP和AP在凝聚相起到阻燃作用。
-
表 1 纤维的几何与物理参数
Table 1 Geometrical and physical properties of fibers
Fiber type Density/(g·cm−3) Diameter/mm Length/mm Elastic modulus/GPa Tensile stress/MPa Elongation/% POM 1.40 0.2 12 ≥10 ≥1000 ≤16 SF 7.85 0.2 13 20-25 2850 3.5-4 Notes: POM—Copolymer formaldehyde fiber; SF—Steel fiber. 表 2 试件分组
Table 2 Specimen grouping
Group POM content/vol% SF content/
vol%Cement/
(kg·m−3)Silica fume/
(kg·m−3)Sand/
(kg·m−3)Sika viscocrete/
(kg·m−3)Beads powder/
(kg·m−3)Water/
(kg·m−3)2%POM-0%SF/C 2 0 904.8 67.9 1258.8 36.8 171.7 165 3%POM-0%SF/C 3 0 904.8 67.9 1258.8 36.8 171.7 165 0%POM-3%SF/C 0 3 904.8 67.9 1258.8 36.8 171.7 165 1%POM-1%SF/C 1 1 904.8 67.9 1258.8 36.8 171.7 165 1.5%POM-1.5%SF/C 1.5 1.5 904.8 67.9 1258.8 36.8 171.7 165 Note: C—Cement. 表 3 UHPFRC试件的试验结果
Table 3 Test results of the UHPFRC specimens
Group Slump flaw value/mm Bending strength/MPa 2%POM-0%SF/C 426 13.4 3%POM-0%SF/C 380 11.6 0%POM-3%SF/C 560 13.9 1%POM-1%SF/C 495 12.9 1.5%POM-1.5%SF/C 460 13.9 表 4 UHPFRC试件韧性指标计算结果
Table 4 Calculation results of toughness index of UHPFRC specimens
Group Initial crack
deflection/mmToughness index[29] Tb Toughness factor/MPa I5 I10 I20 2%POM-0%SF/C 0.65 3.77 7.34 12.96 7.30 4.38 3%POM-0%SF/C 0.41 3.52 7.81 17.39 8.40 5.04 0%POM-3%SF/C 0.48 5.52 10.27 16.47 11.93 7.16 1%POM-1%SF/C 0.49 4.15 7.98 13.69 10.80 6.48 1.5%POM-1.5%SF/C 0.56 4.84 10.03 16.87 11.95 7.17 Notes: Tb—The area under the load-deflection curve corresponding to the mid-span deflection reaching L/150 (N·mm); I5, I10, I20—The ratio of the area under the load-deflection curve corresponding to deflections of 3, 5.5, and 10.5 times the initial cracking deflection to the area under the load-deflection curve corresponding to the initial cracking deflection. -
[1] 陈宝春, 季韬, 黄卿维, 等. 超高性能混凝土研究综述[J]. 建筑科学与工程学报, 2014, 31(3):1-24. CHEN Baochun, JI Tao, HUANG Qingwei, et al. Review of research on ultra-high performance concrete[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering,2014,31(3):1-24(in Chinese).
[2] 陈宝春, 林毅焌, 杨简, 等. 超高性能纤维增强混凝土中纤维作用综述[J]. 福州大学学报(自然科学版), 2020, 48(1):58-68. CHEN Baochun, LIN Yijun, YANG Jian, et al. Review on fiber function in ultra-high performance fiber reinforced concrete[J]. Journal of Fuzhou University (Natural Science Edition),2020,48(1):58-68(in Chinese).
[3] 赵人达, 赵成功, 原元, 等. UHPC中钢纤维的应用研究进展[J]. 中国公路学报, 2021, 34(8):1-22. ZHAO Renda, ZHAO Chenggong, YUAN Yuan, et al. Research progress on application of steel fiber in UHPC[J]. China Journal of Highway and Transport,2021,34(8):1-22(in Chinese).
[4] 王义超, 侯梦君, 余江滔, 等. 聚乙烯纤维制备超高延性水泥基复合材料的试验研究[J]. 材料导报, 2018, 32(20):3535-3540. WANG Yichao, HOU Mengjun, YU Jiangtao, et al. Experimental study on mechanical properties of ultra-high ductile cementitious composites[J]. Materials Reports,2018,32(20):3535-3540(in Chinese).
[5] 黄政宇, 李操旺, 刘永强. 聚乙烯纤维对超高性能混凝土性能的影响[J]. 材料导报, 2014, 28(20):111-115. HUANG Zhengyu, LI Caowang, LIU Yongqiang. The effects of polyethylene fiber on the properties of UHPC[J]. Materials Reports,2014,28(20):111-115(in Chinese).
[6] 赖建中, 徐升, 杨春梅, 等. 聚乙烯醇纤维对超高性能混凝土高温性能的影响[J]. 南京理工大学学报, 2013, 37(4):633-639. LAI Jianzhong, XU Sheng, YANG Chunmei, et al. Influence of polyvinyl alcohol fibers on the properties of ultra high performance concrete at high temperature[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology,2013,37(4):633-639(in Chinese).
[7] 陈倩, 徐礼华, 吴方红, 等. 钢-聚丙烯混杂纤维增强超高性能混凝土强度试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2020, 39(3):740-748, 755. CHEN Qian, XU Lihua, WU Fanghong, et al. Experimental investigation on strength of steel-polypropylene hybrid fiber reinforced ultra high performance concrete[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2020,39(3):740-748, 755(in Chinese).
[8] 滕晓丹, 谭又文, 李朋原, 等. 钢-高强高模量聚乙烯纤维混凝土高温后力学性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(4): 996-1001. TENG Xiaodan, TAN Youwen, LI Pengyuan, et al. Mechanical properties of steel-UHMWPE fiber reinforced concrete after high temperature[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2019, 38(4): 996-1001(in Chinese).
[9] 晏麓晖, 张玉武, 朱林. 超高分子量聚乙烯纤维混凝土的基本力学性能[J]. 国防科技大学学报, 2014, 36(6):43-47. YAN Luhui, ZHANG Yuwu, ZHU Lin. Basic mechanical properties of ultra high molecular weight polyethylene fiber concrete[J]. Journal of National University of Defense Technology,2014,36(6):43-47(in Chinese).
[10] 安宇坤, 王亚涛, 李建华. 聚甲醛纤维混凝土抗收缩与抗渗透性研究[J]. 混凝土世界, 2019(3):64-67. AN Yukun, WANG Yatao, LI Jianhua. Study on shrinkage and permeability of polyoxymethylene fiber reinforced concrete[J]. Concrete World,2019(3):64-67(in Chinese).
[11] 吕锦飞. 聚甲醛纤维混凝土性能研究[D]. 扬州: 扬州大学, 2019. LYU Jinfei. Study on properties of POM fiber reinforced concrete[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2019(in Chinese).
[12] 何越骁, 黄维蓉, 郭江川, 等. 共聚甲醛纤维超高性能混凝土高温后残余力学性能研究[J]. 硅酸盐学报, 2022, 50(3): 839-848. HE Yuexiao, HUANG Weirong, GUO Jiangchuan, et al. Residual mechanical properties of ultra-high performance concrete doped with copolymer formaldehyde fiber exposed to high temperature[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2022, 50(3): 839-848(in Chinese).
[13] Swiss Society of Engineers and Architects. UHPFRC—Material, design and construction: SIA 2052[S]. Zurich: Swiss Society of Engineers and Architects, 2016.
[14] Association Française de Normalisation. Concrete—Ultra-high-performance fibre-reinforced concrete—Specifications, performance, production and conformity: NF P18-470[S]. Saint Denis: Association Française de Normalisation, 2016.
[15] HE W, WANG C, WANG S, et al. Characterizing and predicting the tensile mechanical behavior and failure mechanisms of notched FMLs—Combined with DIC and numerical techniques[J]. Composite Structures,2020,254:112893. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112893
[16] FAYYAD T M, LEES J M. Application of digital image correlation to reinforced concrete fracture[J]. Procedia Materials Science, 2014, 3: 1585-1590.
[17] 梁兴文, 胡翱翔, 于婧, 等. 钢纤维对超高性能混凝土抗弯力学性能的影响[J]. 复合材料学报, 2018, 35(3):722-731. LIANG Xingwen, HU Aoxiang, YU Jing, et al. Effect of steel fibers on the flexural response of ultra-high performance concrete[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2018,35(3):722-731(in Chinese).
[18] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土拌合物性能试验方法标准: GB/T 50080—2016[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Standard for performance test methods of ordinary concrete mixtures: GB/T 50080—2016[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2016(in Chinese).
[19] ZHOU P, FENG P. Unified analysis for tailorable multi-scale fiber reinforced cementitious composites in tension[J]. Composites Part B: Engineering,2023,254:110586. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.110586
[20] 郭文婧, 马少鹏, 康永军, 等. 基于数字散斑相关方法的虚拟引伸计及其在岩石裂纹动态观测中的应用[J]. 岩土力学, 2011, 32(10):3196-3200. GUO Wenjing, MA Shaopeng, KANG Yongjun, et al. Virtual extensometer based on digital speckle correlation method and its application to deformation field evolution of rock specimen[J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32(10):3196-3200(in Chinese).
[21] MUNOZ H, TAHERI A, CHANDA E K. Pre-peak and post-peak rock strain characteristics during uniaxial compression by 3D digital image correlation[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2016,49(7):2541-2554. DOI: 10.1007/s00603-016-0935-y
[22] LE D B, TRAN S D, DAO V T N, et al. Deformation capturing of concrete structures at elevated temperatures[J]. Procedia Engineering,2017,210:613-621. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.11.121
[23] KIM D J, PARK S H, RYU G S, et al. Comparative flexural behavior of hybrid ultra high performance fiber reinforced concrete with different macro fibers[J]. Construction and Building Materials,2011,25(11):4144-4155. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2011.04.051
[24] ZENG J J, ZENG W B, YE Y Y, et al. Flexural behavior of FRP grid reinforced ultra-high-performance concrete compo-site plates with different types of fibers[J]. Engineering Structures,2022,272:115020. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.115020
[25] 曲博扬, 卿龙邦. 钢纤维增强水泥基复合材料增韧机理研究[J]. 硅酸盐通报, 2022, 41(5): 1522-1528. QU Boyang, QING Longbang. Toughening mechanism of steel fiber reinforced cement matrix composite[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2022, 41(5): 1522-1528(in Chinese).
[26] American Society for Testingand Materials. Standardtest method for flexural toughness and first-crack strength of fiber-reinforced concrete using beam with third-point loading: ASTM C1018—1997[S]. West Conshohocken: American Society for Testing and Materials,1997.
[27] JSCE. Method of tests for flexural strength and flexural toughness of steel fiber reinforced concrete: JSCE-SF4[S]. Tokyo: Japan Society of Civil Engineering, 1984.
-
期刊类型引用(6)
1. 刘天明,赵东,沈育才,江国栋,王庭慰. 热塑性聚酯弹性体复合材料的制备与阻燃性能. 复合材料学报. 2024(03): 1249-1258 . 本站查看 2. 张瑾,徐兴亮,孙雪楠. 原位聚合无卤阻燃聚酰胺合成技术研究进展. 天津化工. 2024(04): 15-18 . 百度学术 3. 陈嘉琳,乐超凡,吴经方,华雨涔,刘启诺,方鹏斌. 阻燃剂及阻燃整理应用研究进展. 化工新型材料. 2024(09): 48-53+58 . 百度学术 4. 邹文奖,邹明选,王雨来,吴海涛,陈烨,徐静. 磷系阻燃剂复配的阻燃丁基胶带的制备与性能. 合成橡胶工业. 2023(06): 525-530 . 百度学术 5. 李金凤,梁卓恩,彭新龙. 膨胀型阻燃剂/二乙基次磷酸铝阻燃改性不饱和树脂基复合材料. 中国塑料. 2022(06): 116-123 . 百度学术 6. 郑祎峰,王世伟. 人造板在现代家具设计与制造中的应用趋势. 林产工业. 2021(09): 91-93 . 百度学术 其他类型引用(4)
-
目的
超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)通过在基体中加入纤维来获得更高的弯拉、韧性、抗渗、耐久等性能,已成为工程材料发展的重要方向。但目前工程中大量使用的UHPC需要采用单价较高的石英砂和钢纤维,且需要蒸养来减少收缩应变、提升早期性能,导致UHPC 生产成本居高不下,约束了UHPC 的推广应用。因此亟需研发免蒸养、性价比高的“平民 化”超高性能水泥基复合材料。新型高性能有机纤维-共聚甲醛纤维是聚甲醛纤维的一类,具备耐酸碱腐蚀、低引气等优点,应用于水泥基材料时,纤维分散均匀,不易结团,与基体结合紧密。同时,与常用的钢纤维相比,经济效益显著。本文选取共聚甲醛纤维作为超高性能水泥基复合材料的掺入纤维,进行共聚甲醛纤维超高性能水泥基复合材料的抗弯试验,探究共聚甲醛纤维超高性能水泥基复合材料的抗弯力学性能。
方法本文选取共聚甲醛纤维作为超高性能水泥基复合材料的掺入纤维,进行了共聚甲醛纤维超高性能水泥基复合材料的抗弯试验。通过分析DIC与应变片测量的荷载-应变曲线进行UHPFRC试件DIC测量结果验证。通过UHPFRC的扩展度测试分析纤维对UHPFRC试件流动性能的影响。通过UHPFRC试件荷载-挠度曲线分析共聚甲醛纤维和钢纤维对UHPFRC试件抗弯性能的影响。通过ASTM C1018法和JSCE-SF4法评价了各组试件的弯曲韧性能力。
结果UHPFRC试件的三点弯试验过程中,采取DIC对试件的变形情况进行监测,从DIC与应变片测量的荷载-应变曲线分析可知,DIC与应变片测得的应变数据在弹性阶段具有很好的一致性,当试件开裂进入塑性阶段后,应变片失效,DIC可继续工作,监测试件受力全过程的变形情况,同时,DIC可监测裂缝的产生和发展过程,解决试件在加载过程中肉眼对初裂难以监测的问题。从纤维对UHPFRC试件流动性能的影响分析可知,无论是单掺型试件还是混杂型试件,各组UHPFRC试件的流动性均随着共聚甲醛纤维体积掺量的增加而降低。从UHPFRC试件荷载-挠度曲线分析可知,所有试件受力过程均可划分为三个阶段:(1)正常工作阶段,此阶段无裂缝产生,各组试件产生弹性变形,直到萌生微裂缝,纤维开始发挥作用,此阶段结束;(2)裂缝发展阶段,此阶段各组试件表现出应变软化和应变硬化的特征;(3)破坏阶段,裂缝迅速扩展,试件损伤急剧增加,部分纤维被完全拔出、拉断退出工作。此外还可发现,共聚甲醛纤维和钢纤维对UHPFRC基体受弯过程发挥着重要的作用,适量体积掺量的共聚甲醛纤维可延缓UHPFRC基体的开裂。对于单掺型试件,掺入2%体积掺量的共聚甲醛纤维时效果最优,2%POM-0%SF/C组试件的峰值荷载和开裂挠度均大于3%POM-0%SF/C组试件;对于混掺型试件,掺入1.5%体积掺量的共聚甲醛纤维和1.5%体积掺量的钢纤维时效果更好。从UHPFRC试件的弯曲韧性分析可知,当纤维总体积掺量一定时,混杂纤维UHPFRC试件的韧性好于单掺型共聚甲醛纤维UHPFRC试件。
结论单掺型UHPFRC和混杂型UHPFRC的流动性均随着共聚甲醛纤维体积掺量的增加而降低。纤维单掺时,0%POM-3%SF/C流动性最好,可达560 mm,纤维混掺时,1%POM-1%SF/C流动性最好,可达495 mm。适量的共聚甲醛纤维可延缓UHPFRC基体的开裂,增强其裂前变形能力。纤维单掺时,2%POM-0%SF/C的裂前变形能力最优,开裂挠度可达0.65 mm,当继续增加体积掺量时,开裂挠度反而降低;纤维混掺时,1.5%POM-1.5%SF/C的裂前变形能力最优,开裂挠度可达0.56 mm。对于共聚甲醛纤维UHPFRC,当共聚甲醛纤维体积掺量为2%时,抗弯强度为13.4 MPa,继续增加体积掺量,其抗弯强度反而降低;对于混杂纤维UHPFRC,掺入1.5%体积掺量的共聚甲醛纤维和1.5%体积掺量的钢纤维时效果更好,抗弯强度可达13.9 MPa。混杂纤维对UHPFRC弯曲韧性的提升更大,各组试件中,1.5%POM-1.5%SF/C的韧性最好,而3%POM-0%SF/C和2% POM/0%SF的韧性最低。
-
超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)通过在基体中加入纤维来获得更高的弯拉、韧性、抗渗、耐久等性能,可解决混凝土应用于大跨径桥梁时由于弯拉强度较差而导致的开裂、疲劳等问题,已成为工程材料发展的重要方向。
新型高性能有机纤维-共聚甲醛纤维是聚甲醛纤维的一类,具备耐酸碱腐蚀、低引气等优点,应用于水泥基材料时,纤维分散均匀,不易结团,与基体结合紧密。本文选取共聚甲醛纤维作为超高性能水泥基复合材料的掺入纤维,进行了共聚甲醛纤维超高性能水泥基复合材料的抗弯试验研究。同时,为进行试验对比分析,掺入纤维还选取了钢纤维、混杂纤维(共聚甲醛纤维和钢纤维)。抗弯试验过程中,采用了数字图像测试(DIC)技术捕捉、分析试件表面的变形情况,监测了裂缝的产生和发展过程,解决了试件在加载过程中肉眼对初裂难以判断的问题,增强了ASTM C1018法利用3、5.5、10倍初裂挠度对应荷载-挠度曲线下的面积与初裂挠度对应荷载-挠度曲线下面积的比值作为韧性指数来评价各试件弯曲韧性的适用性。本研究揭示了共聚甲醛纤维在超高性能水泥基复合材料抗弯力学性能方面的作用效果,对其在UHPFRC中的应用及UHPFRC的推广具有重要参考价值。