等离子体改性处理PP聚丙烯纤维增强混凝土复合材料结合强度

混凝土作为当今全球使用量最大、应用最广的建筑材料,具备原料易得、抗压强度高以及出色的耐久性等优势,在土木工程、建筑工程和水利工程等多个领域都发挥着不可替代的核心作用。但是,混凝土固有的脆性大、抗拉强度低、易开裂等缺陷,极大地影响了结构的安全性、适用性和耐久性。针对以上缺陷,纤维增强技术能够有效弥补混凝土脆性开裂等不足。工程中常向水泥基体中掺入乱向分布的短纤维,形成纤维增强水泥基复合材料(FRCC),这种复合材料能够明显提升材料的抗裂性、韧性以及能量吸收能力,进而抑制裂缝萌生与扩展,改善其宏观性能。

在FRCC体系中,聚丙烯(PP)纤维因其来源广泛、成本低、质轻以及耐腐蚀性强等突出优势,被广泛应用于控制混凝土的塑性收缩裂缝。然而,PP纤维表面化学惰性极强且高度疏水,与水泥基体界面粘结薄弱,受载时纤维易滑脱拔出,增强增韧效果难以充分发挥。为此,国内外学者聚焦于PP纤维表面改性研究,采用等离子体处理、接枝聚合、硅烷偶联剂处理等手段引入极性基团、增加表面粗糙度或构建“分子桥”,从根本上强化纤维-水泥基体间的机械啮合与化学键合作用。经改性后,纤维应力传递效率显著提升,可有效抑制早期微裂纹萌生并改善混凝土的后期力学性能与耐久性。

等离子体处理技术

低温等离子体处理是当前被广泛研究且改性效果显著的一种物理方法。等离子体处理在功能化、蚀刻、清洗、聚合中的应用示意图如图1所示。从图1中可以观察到,在低温等离子体环境中,活性粒子(如电子、离子、自由基、光子等)通过对PP聚丙烯纤维表面进行轰击与蚀刻,可实现去除污染物(清洗)、形成微观刻蚀(蚀刻)、嫁接极性官能团(功能化)等多重改性效应,甚至能诱导聚合反应。研究表明:经Ar或O2等离子体处理后,PP纤维与水泥基体的粘结强度可提高50%以上。

等离子体处理PP纤维的优点:等离子处理后对纤维原本的性能影响不大,并且赋予了其新的性能;处理的实验过程中应用气体对纤维的表面进行处理,整个过程中没有污染物质的应用以及产生,环境友好性好,不存在环境污染的情况;另外等离子处理的反应速率比较快,对纤维的改性效果显著。