高強(qiáng)高韌性水泥基薄板的研制

朱慧峰

(南通市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站海門分站，江蘇南通 226100)

先進(jìn)水泥基復(fù)合材料行為及其性能的研究在土木工程材料領(lǐng)域發(fā)展迅速，其中纖維作為水泥基復(fù)合材料的主要增韌材料，可以依靠其與基體的界面粘結(jié)承擔(dān)荷載，延緩基體中裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展，并吸收水泥基體開裂時釋放的能量，使復(fù)合材料即使在開裂后仍能具有一定的承載能力并繼續(xù)產(chǎn)生較大的塑性變形，從而使復(fù)合材料的韌性性能得到提高，因此纖維與水泥基材的粘結(jié)性能、韌性、裂紋擴(kuò)展情況、能量吸收以及整體生存能力(即發(fā)生大變形時仍具有足夠的殘余強(qiáng)度)等方面的性能是近幾年研究的主要方向［1-3］。目前關(guān)于纖維水泥基材的研究主要集中在以下幾個方面:1)新增強(qiáng)材料的引入［4］;2)纖維與水泥基材的粘結(jié)以及粘結(jié)性能的優(yōu)化［5］;3)纖維水泥基材模型的發(fā)展，通過建立模型，計算纖維水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性［6］;4)制備工藝的創(chuàng)新，提高材料之間的粘結(jié)，并降低孔隙率［7］。文獻(xiàn)用到的纖維主要有碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維等。其中PVA纖維由于其親水性，分散性好，與水泥基材的粘結(jié)良好，作為研究的主要方向之一。

本文選取比表面積800 m2/kg的高活性、超細(xì)礦渣粉和比表面積分別為20 000 m2/kg，450 m2/kg的硅灰及普通礦粉。相同摻量取代水泥的10%，制備水泥基復(fù)合材料，比較不同摻合料對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，制備高強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。但是高強(qiáng)水泥基材料常常伴隨著高脆性、摧毀性的破壞，對大型工程而言，水泥基材的韌性顯得尤為重要，韌性表征了水泥基材避免災(zāi)害性脆性破壞的能力。因此本文在制備高強(qiáng)水泥基材的基礎(chǔ)上，摻入不同體積分?jǐn)?shù)的聚乙烯醇纖維，制備出高強(qiáng)、高韌性水泥基薄板。

1 試驗(yàn)材料

采用華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的52.5強(qiáng)度等級的硅酸鹽水泥，比表面積為380 m2/kg;江蘇博特聚羧酸高效減水劑PCAⅠ;高活性、超細(xì)礦渣粉比表面積800 m2/kg;硅灰、普通礦粉的比表面積分別為20 000 m2/kg和450 m2/kg。各種摻合料詳細(xì)的化學(xué)組成如表1所示，所用纖維的性能如表2所示。

表1 摻合料的化學(xué)成分 %

表2 PVA纖維性能

對比圖1a)和圖1b)，普通礦粉和超細(xì)礦粉的表觀形貌，超細(xì)礦粉的顆粒明顯小于普通礦粉，兩者均是不規(guī)則幾何形狀;圖1c)中10萬倍的放大倍數(shù)下可以清楚的看到，硅灰呈現(xiàn)球形顆粒，是由許多小顆粒通過靜電聚集在一起，這些球形顆粒的表面很光滑而且球體間呈點(diǎn)接觸。

圖1 摻合料的表觀形貌圖

2 試驗(yàn)方法

強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計了四組不同配備比的凈漿試樣，其中一組為純水泥漿體的空白對比試樣，其他三組分別用摻10%的硅灰、普通礦粉、超細(xì)礦粉。所有試樣流動度控制在100 mm～110 mm之間。試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，成型24 h之后拆模，在20℃的溫度條件下，相對濕度90%的環(huán)境室中養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期進(jìn)行測試。具體的試驗(yàn)配方見表3;纖維的摻量以體積分?jǐn)?shù)計，砂為通過1.18 mm篩孔的細(xì)砂，薄板的尺寸為280 mm×70 mm× 25 mm，具體配合比見表4。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 基本力學(xué)測試結(jié)果與分析

水泥凈漿各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度發(fā)展如圖2所示。從圖2中可以看出摻入US試樣各齡期的強(qiáng)度明顯高于OS試樣;OS試樣1 d的增強(qiáng)效果不如空白試樣，3 d以后OS試樣各齡期的強(qiáng)度均高于空白試樣;加入硅灰后的試樣28 d抗壓、抗折強(qiáng)度比未摻硅灰的空白試樣明顯有所提高，但1 d，3 d，7 d強(qiáng)度的測試結(jié)果卻相反，空白試樣的抗壓強(qiáng)度反而比摻硅灰試樣的高出許多。由圖2可知，超細(xì)礦粉可較明顯地提高水泥基材料各齡期力學(xué)性能。

表3 三種摻合料取代水泥的漿體配合比(以重量百分比計)

表4 薄板配合比(以重量百分比計)

圖2 摻合料對水泥基材料力學(xué)性能的影響

超細(xì)礦粉與普通礦粉對水泥基材料影響取決于不同細(xì)度礦粉的火山灰活性以及微集料填充效應(yīng):徐彬和蒲心誠［8］將礦粉中的玻璃相的兩相形式分為連續(xù)相和分散相，認(rèn)為分散相呈球狀或柱狀并均勻分散于連續(xù)相中;連續(xù)相即富鈣相，分散相即富硅相，在超細(xì)礦粉玻璃體中，富鈣相相當(dāng)于膠結(jié)物，維持著整個礦粉玻璃體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。當(dāng)富鈣相在堿性介質(zhì)中與OH-迅速反應(yīng)而溶解后，超細(xì)礦粉玻璃體解體，富硅相逐步暴露于堿性介質(zhì)中，與Ca(OH)2反應(yīng)，加速水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程;超細(xì)礦粉顆粒較細(xì)，粒徑大部分在5 μm以內(nèi)，摻入水泥基材料中可大幅地改善膠凝材料顆粒的填充性，提高其致密度［9］。

硅灰的主要成分是SiO2，絕大部分是無定形氧化硅，鐵、鈣等的氧化物含量隨礦石的成分不同稍有變化。在水泥漿體水化硬化早期，硅灰的火山灰效應(yīng)并不明顯，硅灰的摻入促進(jìn)了Ca(OH)2均相成核結(jié)晶產(chǎn)生大晶體，促進(jìn)了Ca(OH)2的富集［10］;在漿體硬化的后期，水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2先溶解在充滿水的孔隙中，相鄰離子的水化產(chǎn)物之間的空間被侵占，使得漿體內(nèi)部的自由空間極小，使得硅灰與Ca(OH)2反應(yīng)生成的C-S-H凝膠沿孔隙生長，堵塞了漿體內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率，對試樣硬化后期的強(qiáng)度提高有非常大的促進(jìn)作用，因而SF10試樣后期的強(qiáng)度高于空白C試樣［11］。

3.2 水泥基薄板韌性測試結(jié)果與分析

從圖3可知，纖維水泥薄板的載荷—位移曲線可分為三個階段:首先是加載初期，載荷隨位移變化呈線性增長，為彈性階段;當(dāng)載荷接近峰值載荷時，摻纖維的試件載荷變化較為平穩(wěn)，基本在峰值載荷附近維持一段時間;然后斜率減小，載荷慢慢降低，表現(xiàn)為明顯的延性破壞階段。從圖3及表5可以看出隨著纖維摻量的增加，平板的抗彎強(qiáng)度和位移變形量明顯增大。表5比較了一定超細(xì)礦粉摻量下的不同纖維摻量之間的強(qiáng)度比較，可以看出摻有纖維的強(qiáng)度有比較明顯的提高，纖維體積分?jǐn)?shù)為1%時，水泥基薄板的強(qiáng)度提高30%以上;摻1.7l%時，薄板強(qiáng)度提高40%甚至50%以上。不摻纖維的水泥基薄板彎曲破壞時峰值載荷和位移均較小，載荷—位移曲線沒有峰后階段，試件在載荷達(dá)到峰值時迅速降低，表現(xiàn)為脆性破壞。

圖3 纖維摻量對水泥基薄板載荷—位移曲線的影響

表5 纖維水泥基薄板載荷增長率

關(guān)于纖維對水泥基復(fù)合材料的影響的理論有四種，包括纖維間距理論和RSFRCC的復(fù)合力學(xué)理論，復(fù)合材料機(jī)理和增韌機(jī)理。參考這四種理論以及結(jié)合PVA纖維具體的情況對PVA纖維對水泥基材的增強(qiáng)、增韌效果，從水泥基材缺陷方面的改善情況以及PVA纖維的方向性、纖維長度及界面粘結(jié)等因素作出以下分析。

首先，當(dāng)纖維的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥基材的彈性模量時，高彈模的PVA纖維分布到水泥基體中，減緩了基體損傷過程，阻止了裂縫的擴(kuò)展，減少了裂縫間的相互連通，從而改變了復(fù)合前水泥基材料脆斷的特性，使基體具有了較大的延性［12］;隨著PVA纖維摻量提高，單位體積內(nèi)的PVA纖維數(shù)量較多，從而更好地抑制了裂縫的擴(kuò)展，減少了集中應(yīng)力的出現(xiàn)［13］;再者，在水泥基體內(nèi)部存在不同尺度層次的孔隙和缺陷，造成應(yīng)力集中，為了增強(qiáng)水泥基材料的強(qiáng)度就必須減少與縮小裂縫源的尺寸和數(shù)量，緩和應(yīng)力集中程度，提高抑制裂縫延伸與發(fā)展的能力［14］，在水泥基體中摻入PVA纖維將發(fā)揮約束裂縫引發(fā)與擴(kuò)展的作用，纖維間距越小，則對緩和裂縫尖應(yīng)力集中程度越大，從而對強(qiáng)度和韌性相應(yīng)提高［15］;最后，纖維的引入還可以限制水泥基材的干燥收縮，這個效果也可以阻止微裂紋的擴(kuò)展［16］。

4 結(jié)語

對比不同摻合料水泥基材料的力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上確定制備高強(qiáng)水泥基材的摻合料以及用量;摻入不同體積分?jǐn)?shù)的PVA纖維，通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及應(yīng)力應(yīng)變曲線比較纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)及韌性的影響，得出的結(jié)論如下:

1)超細(xì)礦粉作為水泥基復(fù)合材料的活性摻合料，可以用來制備高性能的水泥基材料，尤其具有高的早期力學(xué)性能要求的水泥基材料。2)PVA纖維的摻入適當(dāng)提高了試件抗彎或抗壓時的峰值載荷，從四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出:纖維對試件的韌性提高十分明顯，體積摻量1%時，應(yīng)變提高近4倍;體積摻量1.7%時，應(yīng)變提高5位左右。結(jié)合工作性及經(jīng)濟(jì)性的要求，纖維摻量宜在1%左右。

［1］ 沈榮熹，崔 琪，李清海.新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.

［2］ L.Vandewalle.Cracking behaviour of concrete beams reinforced with a combination of ordinary reinforcement and steel fibers［J］.Materials and Structures，2000(33)：164-170.

［3］ Barzin Mobasher，Alva Peled，Jitendra Pahilajani.Distributed cracking and stiffness degradation in fabric-cement composite［J］.Materials and Structures，2006(39)：317-331.

［4］ R.N.Swamy，P.Mukhopadhyaya.Proceedings of the Institution of Civil Engineers Structures＆Buildings［J］.2001(3)：327-329.

［5］ M.A.Aiello，F(xiàn).Leuzzi，G.Centonze，et al.Use of steel fibres recovered from waste tyres as reinforcement in concrete：Pull-out behaviour，compressive and flexural strength［J］.Waste Management，2009(29)：1960-1970.

［6］ R.V.Balendran，F(xiàn).P.Zhou，A.Nadeem，et al.In uence of steel fibres on strength and ductility of normal and lightweight high strength concrete［J］.Building and Environment，2002(37)：1361-1367.

［7］ A.Peled，B.Mobasher.Properties of fabric-cement composites made by pultrusion［J］.Materials and Structures，2006(39)：787-797.

［8］ 徐 彬，蒲心誠.礦渣玻璃體分相結(jié)構(gòu)與礦渣潛在水硬活性本質(zhì)的關(guān)系探討［J］.硅酸鹽學(xué)報，1997，25(6)：729-733.

［9］ 蒲心誠，王勇威.高效活性礦物摻料與混凝土的高性能化［J］.混凝土，2002(2)：3-6.

［10］ D.R.G.Mitehell，I.Hinezak，R.A.Day.Interaction of silica fume with calcium hydroxide solutions and hydrated cement pastes［J］.Cem.Coner.Res，1998，28(11)：1571-1584.

［11］ 李建權(quán)，許紅升，謝紅波，等.硅灰改性水泥/石灰砂漿微觀結(jié)構(gòu)的研究［J］.硅酸鹽通報，2006，25(4)：66-70.

［12］ Mustafa Gencoglu.Effect of fabric types on the impact behavior of cement based composites in flexure［J］.Materials and Structures，2009(42)：135-147.

［13］ 陳 婷.高強(qiáng)高彈PVA纖維增強(qiáng)水泥基材料的研制與性能［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［14］ 王永波.PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能研究［D］.重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

［15］ Katrin Habel，Paul Gauvreau.Response of ultra-high performance fiber reinforced concrete(UHPFRC)to impact and static loading［J］.Cement＆Concrete Composites，2008(30)：938-946.

［16］ Zhijian Li，Lijing Wang，Xungai Wang.Compressive and Flexural Properties of Hemp Fiber Reinforced Concrete［J］.Fibers and Polymers，2004，5(3)：187-197.