钢纤维增强磷酸镁水泥复合材料的研究进展.pdf
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1、2023年第6 期(总第40 4期)Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.039混凝土ConcretePRACTICAL TECHNOLOGY实用技术钢纤维增强磷酸镁水泥复合材料的研究进展郑淑清,胡玥,李利孝,丁铸(深圳大学土木与交通工程学院广东省滨海土木工程耐久性重点实验室,广东深圳5 1 8 0 6 1)摘要:磷酸镁水泥(MPC)由于其早强、耐磨、可塑性好等优越的性能得到了广泛的利用。然而作为化学键合的胶凝材料,MPC脆性较高,掺入钢纤维是提高其延性和韧性的一种非常简单又有效的方法。综合国内外钢
2、纤维增强磷酸镁水泥复合材料的研究现状,从钢纤维的不同种类分析了其对磷酸镁水泥力学性能的影响,还从微观结构界面过渡区的变化来阐述钢纤维的增强增韧机理。钢纤维可以显著改善磷酸镁水泥的抗压强度和高脆性,而相同体积下的微细钢纤维较普通钢纤维具有更多的根数,其与磷酸镁水泥的界面黏结能力就越强,故微细钢纤维对于提高MPC抗压强度和高脆性效果比普通钢纤维更为显著。指出了当前钢纤维增强磷酸镁水泥研究中存在的一些问题,结合实际应用和需求展望了今后的研究及发展的方向。关键词:磷酸镁水泥;钢纤维;微细钢纤维;黏结强度中图分类号:TU528.572Research progress of steel fiber re
3、inforced magnesium phosphate cement composites(Guangdong Province Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering,School of Civil and Transportation Engineering,Abstract:Magnesium phosphate cement(MPC)has been widely used due to its superior properties such as early strength,wear resistanc
4、eand good plasticity.However,as a chemically bonded cementitious material,MPC is relatively brittle,and incorporating steel fiber is a verysimple and effective method to improve its ductility and toughness.Based on the research status of steel fiber reinforced magnesium phos-phate cement composites
5、at home and abroad,the influence of different types of stel fiber on the mechanical properties of magnesiumphosphate cement was analyzed,and the strengthening and toughening mechanism of steel fiber was expounded from the change of inter-face transition zone of microstructure.Steel fiber can signifi
6、cantly improve the compressive strength and high brittleness of magnesiumphosphate cement,and the same volume of micro-steel fiber has more root number than ordinary steel fiber,and the interface bonding abil-ity with magnesium phosphate cement is stronger,so the effect of micro-steel fiber on impro
7、ving the compressive strength and high brittle-ness of MPC is more significant than that of ordinary steel fiber.Some problems existing in the research of steel fiber reinforced magnesiumphosphate cement are pointed out,and the future research and development direction are prospected according to th
8、e practical applicationand demand.Key words:magnesium phosphate cement;steel fiber;micro-steel fiber;bonding strength文献标志码:AZHENG Shuqing,HU Yue,LILixiao,DING ZhuShenzhen University,Shenzhen 518061,China)文章编号:1 0 0 2-3 5 5 0(2 0 2 3)0 6-0 1 8 8-0 5生裂纹。在MPC中掺入纤维是提高其延展性和韧性的简0引言单的有效方法。近几年来,纤维增强的磷酸镁水泥复合
9、材磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement,MPC)是一料有了较大的发展,很多学者为提高磷酸镁水泥复合材料种具有多种优良性能的无机化学黏结胶凝材料,由重烧氧的力学性能而做了许多研究工作。化镁和水溶性磷酸盐之间的酸碱中和反应形成。近几十金属纤维具有良好的力学性能,不仅断裂比强度和拉年来,它受到了越来越多的关注。常用的磷酸镁水泥(MPC)伸比模量较高,而且可耐弯折、韧性良好,具有耐高温性是由氧化镁(MgO)和磷酸二氢钾(KH,PO4)或磷酸二氢铵能。金属纤维中的钢纤维被广泛的应用于减小磷酸镁水泥(NHH,PO4)按照一定的比例配制而成,分别记为磷酸镁钾(MPC)的脆性。钢纤
10、维可以显著提高水泥基复合材料的断水泥(MKPC)和磷酸铵镁水泥(MAPC)。与传统硅酸盐水裂能和断裂韧性,对水泥基复合材料起增韧抗裂作用3 。钢泥相比,磷酸镁水泥具有快速硬化、早强高、可塑性能好、纤维对水泥基复合材料的增强效果受钢纤维的类型和性耐久性好、节能环保等优点,但在抗弯强度和抗拉强度等能的影响很大,具体表现在抗拉强度、表面粗糙度、几何尺力学性能方面表现出高脆性,并且会由于自身的收缩而产寸等等。目前,已经普遍使用钢纤维制备超高性能纤维增强收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 3基金项目:国家自然科学基金(5 1 47 2 1 6 3,5 1 1 7 2 1 46)188混凝土(UHPFR
11、C)。Wa n g l4等研究钢纤维加入超高性能混凝土(UHPC)时,发现随着钢纤维含量的增加,UHPC 的抗压强度显著提高,但在MPC中钢纤维的增加会使UHPC的流动性降低。汪宏涛 5 等研究发现掺人不超过1.0%的钢纤维时对MPC流动度影响不大,在钢纤维体积掺量为0.8%1.5%之间时能显著提高磷酸镁水泥的强度。有学者 6-7 发现不管是对于UHPC还是MPC,端钩纤维(弓形纤维)更能提高材料的力学性能,因为端钩的变形增加了局部机械黏合程度,从而显著提高了材料使用率,平均黏合强度和拔出能。1普通钢纤维MPC复合材料磷酸镁水泥基具有较高脆性,为提高其抗压强度和抗弯性能,可通过添加钢纤维等材料
12、来改善其力学性能。研究表明在水泥基材料中掺入钢纤维,可以有效的抑制裂缝的产生从而起到了增强、增韧的作用 8 。钢纤维可以按照直径尺寸大小可分为普通钢纤维和微细钢纤维,普通钢纤维的直径一般大于0.0 8 mm。1.1普通钢纤维MPC复合材料的力学性能JeanPra9通过研究发现了0.6 9%(体积)的金属纤维用于MPC基质中会导致MPC复合材料在弯曲时具有弹塑性或应变硬化行为;在MPC固化3 h后,金属纤维MPC复合材料的挠度为2.5 mm时,其等效弹性弯曲应力达到最大,随后随着挠度不断的增加,应力逐渐减小。钢纤维的掺人能减小磷酸镁水泥基复合材料的收缩值,并提高其耐磨性能。在MPC水化的过程中,
13、磷酸盐和氧化镁不断相互反应并在溶液中渐渐产生胶体,即水化产物为鸟粪石晶体(MgKPO46H,O)0。由于MPC水化后产生的胶结物中晶体所占的比例较大,所以它比普通硅酸盐水泥(OPC)和硫铝酸盐水泥(SAC)更脆。此外钢纤维与水泥基体结合的力学性能也会受不同酸碱环境的影响。Aamer Bhuttal!等通过对不同碱溶液摩尔浓度对比试验得出从浓度为1 0 mol的NaOH增加到1 2 mol的NaOH可改善使用末端变形钢纤维与水泥结合时的黏结强度和韧性。碱性溶液浓度的增加可以促进水泥基材料的溶解和水化反应程度,而末端变形钢纤维因端钩变形会产生锚固作用,从而使纤维增强水泥基材料的强度得以提高。钢纤维
14、在水泥基材料中不均匀三维分布可以有效的抑制水泥基裂缝的产生 1 2 。Stahli13认为若是使纤维沿应力方向对齐,会使结构中的纤维增强水泥基材料的力学性能得到提高。不同的水泥嵌入钢纤维所表现的力学性能也有所不同。Fengl4等在嵌人钢纤维拔出试验中比较了3 种类型水泥:磷酸镁水泥(MPC)、硫铝酸盐水泥(SAC)、和普通硅酸盐水泥(OPC),通过微观试验结果可以发现与SAC和OPC基体中拔出的纤维表面图对比,更多的胶结颗粒附着在MPC基体中拔出的纤维表面,这些胶结颗粒正是导致钢纤维与MPC基体之间的优异黏结性能的原因。钢纤维的添加显著改善了MPC复合材料的力学性能,而这种改善很大程度上归因于
15、钢纤维与MPC之间的桥联作用,从而组织了微裂纹的持续扩展。钢纤维和水泥基体之间的拉伸黏结强度可抵抗由垂直于界面作用的力引起的位移。钢纤维与磷酸镁水泥之间高黏结强度使得钢纤维增强MPC复合材料具有较高的拉伸强度和挠曲强度。不同类型的钢纤维如表1 所示。钢纤维的类型对弯曲韧性有着显著的影响,这些特性与纤维水泥基体的黏结-滑移密切相关,故而水泥基材料力学性能受钢纤维类型影响。Fengl7等通过研究不同类型钢纤维和磷酸镁水泥基体之间的黏结性能,发现端钩钢纤维的端钩变形使MPC复合材料黏结性能得到了显著改善。钢纤维与磷酸镁水泥基体之间的黏结性能主要体现在3 个方面,即摩擦力、化学黏结力和机械咬合力。杨楠
16、 5 在研究中发现不同外形的钢纤维与磷酸镁水泥的黏结强度大有不同,其中端钩纤维黏结强度最大,波纹钢纤维黏结强度次之,直钢纤维黏结强度最小;波纹钢纤维因为其弯曲缠绕的形状,增加了纤维和磷酸镁水泥基体的反应面积,在一定程度上提高了黏结强度;端钩型钢纤维因端钩变形产生锚固作用,从而提高了钢纤维和水泥基体之间的黏结强度。钢纤维在强度和刚度方面具有很好的增强特性,它们有多种几何形状可供选择,这些几何形状提供了不同的锚固黏结能力。P.Frantzis10在对磷酸镁水泥基体的典型拉伸黏结强度测试结果中发现,肾形纤维和磷酸镁水泥基体之间的拉伸黏结强度仅为低碳钢与磷酸镁水泥基体之间黏结强度的六分之一。有学者通过
17、试验研究一种新的测试方法确定了钢纤维从MPC基体中拔出特性和相应的荷载-位移的过渡点,用两种不同的钢纤维对比,发现不规则截面的粗糙表面肾形纤维比规则光滑的圆形截面抗拉拔性能高出了1 倍。表 1 钢纤维的性能 7,1 5 纤维长度直径抗拉强度类型/mm直纤维30端钩纤维35波纹纤维401.2钢纤维MPC复合材料的微观结构与增强机理界面过渡区(ITZ)是在水泥基复合材料的微观结构中,由邻近水泥颗粒的水合物组成的一个松散单元,其随着反应的不断推进,界面逐渐由弱到强。大多数力学性能都可通过研究界面过渡区(ITZ)的变化得到解释。Wangl18)等从水化过程中反应性镁砂与MKPC桨体之间的相互作用,单轴
18、压缩下水泥浆体的ITZ破坏模式以及ITZ体积稳定性3 个方面,研究了含反应性镁砂的MPKC砂浆中ITZ的发展,发现与使用石英砂的MPKC砂浆相比,反应性镁砂在MPKC砂浆的制备中的应用产生了更好的性能。反应性镁砂可以改善MKPC砂浆的摩尔比,增强MKPC砂浆的界面结合能力,其与MKPC之间出色的体积稳定性,使其在ITZ处的反应不会导致有害膨胀,该膨胀作用使水泥基复合材料耐久性降低。Li等研究酸性溶液条件下磷酸铵镁水泥基界面过渡区的微观结构变化,发现其黏结强度较低,晶体结构更疏松。但其发现MAPC和OPC之间存在着明显的界面微区,可形成具有优异黏附性的凝胶状晶体,表明189形状和/mm/MPa0
19、.7511000.5412001.26600表面直的/光滑/圆的弯钩状/光滑/圆的波纹状/扁平的了MAPC可以在修复材料方面发挥其良好的黏结性能 9。钢纤维与磷酸镁水泥基体之间的界面过渡区在微观上是一个复杂的结构。Feng20等通过研究钢纤维和MPC之间的界面张力,基于ITZ的表征,揭示了钢纤维与磷酸镁水泥基材之间良好黏结的机理和原因。P/M(磷酸二氢钾与镁的摩尔比)为1/4的钢纤维与MPC之间的ITZ具有最大的致密性,最薄的薄弱区域和最高的力学性能指标,此时钢纤维和MPC之间的黏结强度也是最佳的。Hu等 2 0 研究也表明添加适量的硅灰(SF)可以提高磷酸镁水泥基钢纤维复合材料黏结强度。因为
20、添加硅灰后,硅灰中的超细颗粒填充了界面过渡区中的孔缺陷,MPC与纤维的接触面积增大,纤维被更好地包裹,弱区厚度大大减小,此时磷酸镁水泥钢纤维材料基体界面性能最佳。当掺入体积1 0%的SF(硅灰)显著改善了界面过渡区(ITZ)的致密性,减小了界面过渡区(ITZ)薄弱区域的厚度,获得了最佳的界面增韧效果及平均黏结强度和拉拔能均达到最大值,极大的改善了MPC和钢纤维之间的黏结性能。钢纤维和磷酸镁水泥基体之间的良好结合,提高了MPC复合材料的韧性和强度,大大的改善了MPC的高脆性。MPC的水化产物主要是六合水磷酸盐,它是水化产物中含量最多且黏结性能最佳,其结构和性能的变化都会直接影响到MPC的强度和力
21、学性能 5 。钢纤维加入MPC后,MPC在水化早期溶液条件为酸性,在酸性环境中,铁离子从钢纤维表面释放出来,磷酸盐遇到释放的铁离子,并在钢纤维表面形成一层紧密的磷化膜 2 0 ,其较强的黏结力使得钢纤维对MPC具有显著的增强增韧效果。纳米压痕技术已成为用于研究水泥基复合材料纳米力学特征的最常用技术,因为它可以通过界面过渡区的性能变化提供水泥基复合材料中不同的模量和硬度特征 2 1。硬度反映了材料承受载荷的能力,弹性模量反映了材料的弹性变形的特性。Mondal2等通过纳米压痕研究了砂和水泥浆、不同种类的粗骨料和水泥浆等胶凝材料之间的ITZ的微观力学性能。大多数学者在研究钢纤维与磷酸镁水泥结合后的
22、界面过渡区特征时都用纳米压痕技术来阐述钢纤维的增强增韧机理作用。纤维与水泥基体之间的界面过渡区(ITZ)会显著影响纤维对水泥基体的强度和增韧效果。界面黏结性能取决于纤维、基体以及钢纤维与复合材料之间的界面厚度。Feng等 2 0 从分析磷酸镁水泥(MPC)和钢纤维界面过渡区(ITZ)的角度对比试验得出MPC和钢纤维的ITZ硬度高于OPC和钢纤维之间以及 SAC和钢纤维之间的ITZ硬度,与此同时还发现MPC平均黏结强度亦高于OPC和SAC。李振 2 3 通过钢纤维拔出试验和钢纤维MPC界面处的微观形貌,认为MPC水化产物与钢纤维有非常好的黏结,而这也是其抗弯强度和断裂韧性较普通硅酸盐水泥增长显著
23、的原因,另一方面磷酸镁水泥的水胶比较小,其与钢纤维之间的界面过渡区也更加密实。2微细钢纤维MPC复合材料试验研究中将纤维直径小于0.0 8 mm的钢纤维称之为190微细钢纤维。微细钢纤维的掺人可以显著提高水泥基复合材料的抗折强度,从而抑制裂缝的扩展 2 4。Pierre Richard25在其早期的研究中,发现以2%2.5%的体积比掺入微细钢纤维会使活性粉末混凝土(RPC)断裂能提高,同时抗折强度、抗拉强度和延性也相应的有所提高。与普通的钢纤维相比,微细钢纤维(MSF)具有每公斤纤维数量多、强度高、易分散等优点。许多研究领域的学者都将不同的微纤维引入到MPC中,通过揭示其延展性、高耐腐蚀性和结
24、构完整性等特性来扩大其在土木工程中的应用。Haque2等研究通过将一些超细纤维,如微钢纤维、聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维加人到MPC中,发现微细钢纤维(MSF)加人MPC中可以显著提高MPC纤维复合材料的韧性和延性。2.1微细钢纤维MPC复合材料力学性能Pierre24等在研究微细钢纤维分别对水泥浆体和砂浆的力学性能影响时,发现微细钢纤维的加入可以显著提高水泥浆体的抗弯强度,有利于限制水泥基裂缝的扩展;在钢纤维增强的砂浆中,钢纤维促进空气夹带的机理还没有完全清楚,但似乎微细钢纤维的增加了混合物的黏度并在包裹的空隙周围形成针状颗粒的网络,从而阻止了它们的逸出,但MSF只能提高砂浆的抗弯性能。基于MP
25、C的复合材料在本质上具有典型的脆性,其基体脆性比普通硅酸盐水泥基(OPC)更大。降低水泥基脆性和提高其延性最有效的方法就是掺人微细钢纤维。Feng27等人通过研究不同变量下MSF增强MPC复合材料的抗弯强度和弯曲韧性,变量包括砂灰质量比、MSF体积分数和养护时间。通过观察不同养护时间下抗折强度的变化,发现掺入MSF后MPC水泥基由脆性破坏变为延性破坏,并且随着MSF体积分数从0增加到1.6%,微钢纤维MPC复合材料的抗弯韧性显著增加。砂灰质量比的增加会使得MPC胶凝水化产物减少且试件内部的孔隙会增加,从而导致微细钢纤维MPC复合材料的弯曲韧性和延性降低。MPC水化产物与钢纤维的黏结强度普遍高于
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