天然纤维/环氧树脂-混凝土的湿热老化强度模型研究

刘 海

( 河南省濮卫高速公路有限公司，河南濮阳 457000)

作为标准的聚合物混凝土，环氧树脂- 混凝土的主要优势在于其抗压缩性能较好［1］，具有优异的耐腐蚀性能与固化效率，被广泛应用在建筑工程、公路桥梁工程、航天与体育器材等领域［2］，具有良好的应用市场。但环氧树脂- 混凝土依旧存在一定的缺陷，即其拉伸强度存在一定局限性［3］，这一局限性导致其抗弯强度存在明显缺陷，令其存在受拉区域过早破坏以及内部具有不明显裂纹的现象［4］。

针对环氧树脂- 混凝土存在的问题，相关研究人员通过反复实验研究，将纤维物质添加到环氧树脂- 混凝土内，能够有效改善混凝土内部裂纹的问题，提升其抗弯强度［5-6］。天然纤维是当前备受关注的环保型工程材料，相较于合成纤维与钢纤维等，其主要优势在于作为农副产品，价格较低，绿色环保等［7-8］。将天然纤维添加到环氧树脂- 混凝土内，能够制备出天然纤维/ 环氧树脂- 混凝土，该混凝土的力学性能更优。但天然纤维对环氧树脂的作用具有极度复杂性［9］，将其添加到环氧树脂- 混凝土中，在应用时将对于周边环境的稳定性提出更高要求［10］。当前针对天然纤维/ 环氧树脂- 混凝土在应用环境下的湿热老化的研究并不多见。基于此，研究天然纤维/环氧树脂-混凝土的湿热老化强度模型，希望为后续天然纤维/环氧树脂-混凝土的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 混凝土制备材料

天然纤维/ 环氧树脂- 混凝土制备过程中所使用的材料主要包括：天然纤维、环氧树脂、固化剂、骨料和填料。

（1）天然纤维为新西兰麻叶纤维( 天然植物纤维)与棕榈叶纤维( 天然植物纤维)。利用分析天平与万能试验机分别检测新西兰麻叶纤维与棕榈叶纤维的密度、直径与力学性质，见表1。

表1 天然纤维的密度、直径与力学性质Table 1 Density, diameter and mechanical properties of natural fibers

（2）环氧树脂型号为WSR618A，工业级，廊坊进禄防腐材料有限公司生产，环氧当量与环氧值分别为200g/mol 和0.52±0.04，粘度和密度分别为13000±3000 mPa·s 和1.1g/cm3。

（3）固化剂为QS-3218HB，工业级，北京金岛奇士材料科技有限公司生产，其密度与黏度分别为0.996 g/cm3和 150±50 Pa·s。

（4）骨料产自于内乡恒远石业有限公司，其中细骨料与粗骨料比例分别为45% 和55%。细骨料粒径均值小于4.80mm，细度模数与密度分别为2.9 与2750kg/m3；粗骨料粒径均值在4.80～5.00 mm 之间。

（5）以郑州轩泰自动化设备有限公司生产的白水泥为填料。

1.2 混凝土试件制备

在制备天然纤维/ 环氧树脂- 混凝土前，需先将新西兰麻叶纤维与棕榈叶纤维置于氢氧化钠溶液内浸泡，溶液溶度与浸泡时间分别为1%和0.5h。取出两种纤维后，利用清水超声清洗两种纤维［10］，晾干后将两种纤维切成长度分别为7mm、10mm 和13mm 的短纤维。

利用环氧树脂、固化剂与稀释剂合成胶粘剂，三者质量比为4：1：1.2。以质量比7：1：1 为标准将骨料、填料与胶粘剂混合，设定天然纤维体积参数为0.20%，根据不同纤维长度，通过搅拌制备天然纤维/环氧树脂-混凝土试件，不同纤维长度试件（包括未添加天然纤维的试件）均制备3 个，共12 个试件。

试件制备具体过程：(1)清洗骨料，并晾干备用；(2)依照设定质量比将不同组分材料称重配比；(3) 将骨料与填料搅拌均匀后添加天然纤维；(4) 在搅拌均匀的胶粘剂内加入搅拌好的骨料、填料与天然纤维；(5) 在搅拌均匀的混凝土料体内加入固化剂，设定搅拌时间为60s；(6)清洗模具，将混凝土料体倒入其中，振动排出气泡；(7)室温环境下养护处理，设定时间为24h，制备试件，并在27 天后检测各试件性能。

1.3 湿热老化强度模型构建

1.3.1 湿热老化环境设定

依照区域范围内的年太阳辐射均值、年太阳辐射总量与年紫外线辐射量情况，采用紫外光耐气候试验箱对所制备的不同试件实施热加速老化测试。试验箱内灯管数量为8 根，各灯管额定功率为12W，以Ie表示测试过程中试件表层获取的紫外光强度均值，其计算公式如下：

老化测试过程在仿真光照的同时，还仿真了白天与夜晚的温度转换［11］。确定等效一年紫外光老化的试验时间t。设定最长等效老化时间为7 年，表2 内列出试验老化时间与等效的实际老化时间对照情况。

表2 老化时间对照情况Table 2 Comparison of aging time

通过紫外光功率、温度与湿度这三个参数的不间断波动能够仿真显示区域范围内的白昼交替情况。依照非金属材料在外界环境中的检测标准［12］，设定环境控制参数的循环周期、温度上限值与相对湿度分别为4h、55℃和区域相对湿度上限值的85%。

为获取各试件老化过程中的各项参数结果，确定天然纤维/环氧树脂-混凝土的老化过程。在测试过程中任意确定若干个老化时间点。并且各组测试过程均重复10次，在确定性能表征结果时以10 次测试结果均值为准，以此提升测试结果精度。

1.3.2 力学性能测试

对所制备的试件进行切割处理，将各试件切割成长宽高分别为10cm、10nm 和50cm 的长方体。依照相关测试标准［13］，在室温环境下，利用万能电子压力试验机，测试各试件的力学性能。

抗压强度Yc计算公式如下：

式（2）中，Fz和S分别表示试件压缩破坏时所承受的荷载上限值与试件的截面面积。

抗弯强度Yb计算公式如下：

式（3）中，P和L分别表示载荷上限值与跨径，b和h分别表示试件宽度和高度。

利用式（4）能够描述Yb对应的应变：

式（4）中，f表示试件同夹头接触点的扰度值。

1.3.3 质量波动检测

依照国家相关标准，对所制备试件进行质量增长率测试［14］。对各试件进行真空干燥处理，将处理后的试件放置在恒温恒湿试验箱内，每隔固定时间取出试件吸取试件表层多余水分，通过电子分析天平检测各试件质量波动情况。

1.3.4 湿热老化强度模型

根据抗压强度、抗弯强度、质量波动率以及老化时间，构建湿热老化强度模型，公式描述如下：

式（5）中，Y（t）表示湿热老化强度，t表示老化时间；r表示关于试件寿命的时间特征；Zl表示试件湿热老化条件下的质量波动率。

2 测试结果

2.1 天然纤维长度对力学性能的影响

表3 所示为不同天然纤维长度条件下所制备各试件的力学性能测试结果。分析得到，在天然纤维长度分别为7mm、10mm 和13mm 的条件下，所制备各试件的抗压强度波动范围在69.0～86.0 MPa 之间，而劈裂抗拉强度与抗弯强度值的波动范围分别为9.0～12.6 MPa 和12.9～14.3 MPa 之间；同未添加天然纤维的试件相比，均有不同程度的提升。并且随着天然纤维长度的提升，各试件的各项力学性能提升幅度呈阶梯式上升趋势。测试结果说明通过在混凝土内添加天然纤维能够提升其力学性能，同时，所添加天然纤维长度与试件力学性能提升幅度之间呈正比例相关，也就是添加13mm 长度天然纤维的试件力学性能最好，因此后续试验中均以添加13mm 天然纤维的试件为例。

表3 力学性能测试结果Table 3 Test results of mechanical properties

2.2 破坏形式

以添加13mm 长度天然纤维的试件为例，对其进行抗压强度测试，图1 所示为试件断裂面情况。

图1 试件抗压缩测试结果Fig. 1 Compressive test results of specimen

在图1(a) 所示的抗压缩测试下，添加13mm 长度天然纤维的试件受荷载影响产生裂纹。分析试件外部裂纹形态［图1(b)］与试件内部的裂纹形态［图1(c)］可知，受载荷影响下，试件的裂纹发展方向与试件测试过程中压缩方向大致相同，不存在明显的贯穿试件的横向裂纹，这表示在抗压缩测试过程中，添加13mm 长度天然纤维的试件在荷载影响下形成裂纹破坏的主要因素为横向的拉应力与拉应变，受剪力作用并不显著。

2.3 老化温度对抗弯强度的影响

抗弯强度是天然纤维/ 环氧树脂- 混凝土实际应用性能评估的主要强度参数。以添加13mm 长度天然纤维的试件为例，分析不同试验过程中老化温度对试件抗弯强度的影响，结果如图2 所示。

图2 老化温度对试件抗弯强度的影响Fig. 2 Effect of aging temperature on bending strength of specimen

分析图2 得到，在进行老化测试前，添加13mm 长度天然纤维的试件抗弯强度均值为14.18MPa。在老化测试时间逐渐延长的条件下，试件抗弯强度逐渐下降，这说明老化测试时间与试件抗弯强度之间呈反比例相关。在老化测试的前15 天中，添加13mm 长度天然纤维的试件抗弯强度下降速度较为显著，在后12 天，抗弯强度下降速度相对平缓。

同时，分析图2 还能够得到，老化处理过程中温度越高，添加13mm 长度天然纤维的试件抗弯强度下降越快，这说明老化温度同试件抗弯强度下降速度之间呈正比例相关。

在不同老化温度下，试件的抗弯强度逐渐下降的主要原因是试验环境内的水分被试件中的环氧树脂所吸收，对环氧树脂内部处于平稳状态的分子结构产生影响，降低了大分子链之间的相互影响程度，令分子结构内的自由体积有所提升，造成交联密度降低，即试件内环氧树脂基体分子间应力传递功能受到消极影响，而试件内的环氧树脂是构成胶粘剂的主要成分，因此最终导致试件的抗弯强度降低。

2.4 老化温度对试件质量的影响

以添加13mm 长度天然纤维的试件为例，分析不同试验过程中老化温度对试件质量的影响，结果如图3 所示。

图3 老化温度对试件质量的影响Fig. 3 Influence of aging temperature on specimen mass

分析图3 得到，在老化处理过程的前18 天，添加13mm 长度天然纤维的试件的质量均呈现显著上升的趋势，质量增长率均在34.0% 左右。老化处理的第18 天开始，试件的质量增长率提升速度变缓慢，这一现象与Fick 定理所描述内容相匹配，也就是老化处理测试的初始阶段，试件的吸湿量提升速度较快，在后期相对变缓，直至饱和状态为止。

同时分析图3 还能够得到，老化处理测试过程中，老化温度越高，添加13mm 长度天然纤维的试件质量增长速度越高，这表明老化温度同试件质量增长速度间具有正相关性。并且老化温度越高，试件饱和吸湿量越大。

试件内主要吸湿的成分为环氧树脂，在环氧树脂内，水分子处于扩展状态，同时，在空隙以及部分缺陷内产生汇聚现象；环氧树脂内的极性基团同所吸收的部分水分子相结合，由此构建自由平稳运行的化学键，通过结合水分子的方式存留在试件内。被吸收的水分子在环氧树脂基内逐渐扩展运动，运动过程中所形成的渗透压令自身内部形成裂纹等不同类别的形态改变，导致环氧树脂水解，分子结构产生变化，造成试件内环氧树脂形成不可逆转的破坏。

2.5 天然纤维体积掺量对试件抗弯强度的影响

通过分析试件内天然纤维含量对试件抗弯强度的影响程度，能够确定最优的天然纤维添加量，由此在保障试件性能的同时，节约经济成本。利用四点弯曲测试方法测试天然纤维体积参数分别为0%、1.0%、2.0%和3.0%条件下试件的应力应变曲线，所得结果如图4 所示，基于试件的应力应变计算试件的抗弯强度，结果见表4。

图4 不同天然纤维体积参数试件弯拉应力与应变曲线Fig. 4 Curves of bending and tensile stress and strain of specimens with different natural fiber volume parameters

表4 不同天然纤维体积参数试件的抗弯强度Table 4 Bending strength of specimens with different natural fiber volume parameters

分析表4 得到，未添加天然纤维的试件抗弯强度为13.01±0.07 MPa，与未添加天然纤维的试件相比，添加天然纤维能够提升试件的抗弯强度。在天然纤维体积参数为1% 的条件下，试件抗弯强度显著提升，达到13.57±0.06 MPa；在天然纤维体积参数为2% 的条件下，试件抗弯强度提升幅度依旧较高，达到14.14±0.08 MPa。随着天然纤维体积参数的继续提升，试件的抗弯强度同样呈现提升趋势，但提升幅度较小，在天然纤维体积参数分别达到3% 的条件下，试件的抗弯强度仅提升至14.19±0.11 MPa。由此说明在试件内添加体积参数为2% 的天然纤维最为科学。

2.6 模型拟合结果

将本文所研究的湿热老化强度模型应用于试件的湿热老化强度研究里，通过参数拟合得到图5 所示的拟合结果。基于图5 得到老化试验的拟合结果，见表5。

图5 强度保持率拟合结果Fig. 5 Fitting results of strength retention rate

表5 老化试验拟合结果Table 5 Fitting results of aging test

分析表5 得到，两者的r值差异较小，拟合优度R2高于0.95，由此说明本文模型拟合效果较好，可应用性较高。

3 结论

本文研究天然纤维/ 环氧树脂- 混凝土的湿热老化强度模型，利用新西兰麻叶纤维、棕榈叶纤维与环氧树脂、固化剂、骨料和填料等制备混凝土试件，在设定的试验条件下检测各试件的各项性能，并基于试件的弯曲强度与暴露时间构建湿热老化强度模型。

（1）随着天然纤维长度的提升，各试件的各项力学性能提升幅度呈阶梯式上升趋势。

（2）试件在荷载影响下形成裂纹破坏的主要因素为横向的拉应力与拉应变，受剪力作用并不显著。

（3）老化温度同试件抗弯强度下降速度与质量增长速度间具有正比例相关性。

（4）在试件内添加体积参数为2% 的天然纤维最为科学。

（5）本文模型拟合优化高于0.95。