31 / 2021-07-11 00:08:07

基于PE纤维表面改性的超高性能混凝土应变硬化机理

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采用不同浓度的硅烷偶联剂(Silane coupling agent, SCA)溶液对憎水的聚乙烯纤维(Polyethylene fiber, PE纤维)进行表面改性处理，用表面改性后的PE纤维制备超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)，测定其直拉应变硬化与开裂行为。结果表明，纯PE纤维与较高水胶比(0.32)的普通混凝土基体之间的界面粘结与基体的强度匹配较好，在拉伸破坏过程中纤维被拔出的同时，基体碎块被纤维连带拔出，使纤维混凝土具有显著的应变硬化行为；而纯PE纤维与低水胶比(0.18)UHPC基体的界面粘结相对于基体本身的强度而言显得较弱，拉伸破坏时以纤维拔出为主，基本无基体碎块连带拔出，应变硬化特征被削弱。在采用3%和5%浓度的硅烷偶联剂溶液分别对PE纤维表面进行改性处理后，强化了PE纤维与混凝土基体间的界面粘结，显著改善了UHPC的应变硬化行为和多缝开裂效果。对于低水胶比(0.18)UHPC，掺有3%浓度硅烷偶联剂溶液改性纤维得到了较好的应变硬化效果，极限拉应变值较高，多缝开裂效果更为显著。用硅烷偶联剂进行PE纤维表面改性影响UHPC应变硬化的机理是，附着在PE纤维表面的硅烷偶联剂官能团与基体之间建立较强的化学粘结力，其中的自由羟基与基体中水化产物C-S-H发生缩合反应，羟基(-OH)与C-S-H或Ca(OH)₂中的Ca²⁺之间发生配位化合作用。PE纤维的这种界面改性效果取决于两个方面，即：在PE纤维表面形成硅烷偶联剂的覆盖层，借此与UHPC基体建立较强的化学粘结，由此增强PE纤维与基体的界面粘结；另一方面，此覆盖层的厚度不宜过大，厚度过大反而使界面粘结受到削弱，导致UHPC的应变硬化效果降低。