粉煤灰對3D玻璃纖維織物增強水泥基材料力學性能及耐久性影響的研究

朱雪峰，張朋，李清海，李東旭

（1.南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210009；2.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

粉煤灰對3D玻璃纖維織物增強水泥基材料力學性能及耐久性影響的研究

朱雪峰1，張朋1，李清海2，李東旭1

（1.南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210009；2.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

通過50℃熱水加速老化養(yǎng)護，并采用堿度測試、掃描電子顯微鏡、抗彎強度測試等手段，研究了3D玻璃纖維織物增強水泥基材料的力學性能以及摻加粉煤灰后的耐久性。結(jié)果表明，標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d時，使用3D玻璃纖維織物增強可提高基體的抗彎性能，強度較空白試件提高了37.69%，同時，在基體中摻加粉煤灰可以提高基體的長齡期強度，改善耐久性。

GRC；粉煤灰；3D玻璃纖維織物；耐久性

玻璃纖維增強水泥基材料（Glass Fiber Reinforced Cement，簡稱GRC）是一種新型的建筑材料，具有優(yōu)良力學性能及輕質(zhì)、抗裂、不燃等優(yōu)點。目前對GRC材料的研究主要集中在一維、二維玻璃纖維以及三維混雜纖維摻入基體的性能[1-2]，而對于三維定向玻璃纖維織物（簡稱3D玻璃纖維織物）增強水泥基材料的研究較少。同時，在GRC應(yīng)用過程中，由于基體內(nèi)的玻璃纖維受到侵蝕，導致其長期力學性能降低，因而GRC材料的耐久性問題是阻礙GRC廣泛應(yīng)用核心的問題之一[3]。

本試驗通過高溫養(yǎng)護方式，并采用堿度測試、掃描電子顯微鏡以及抗彎性能等測試方法，研究了未使用3D玻璃纖維織物增強、3D玻璃纖維織物增強以及摻粉煤灰3D玻璃纖維織物增強水泥基材料的力學性能及耐久性。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：唐山冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5R水泥，主要性能指標見表1，主要化學成分見表2；粉煤灰：來自河北某熱電廠，比表面積460 m2/kg，Ⅱ級，主要化學成分見表2

表1 水泥的主要性能指標

表2 水泥和粉煤灰的主要化學成分%

細集料：河砂，細度模數(shù)3.2，最大顆粒粒徑不大于4.75 mm，含泥量0.6%。

外加劑：聚羧酸減水劑，固含量為20%。

3 D玻璃纖維織物：常州伯龍三維復合材料有限公司生產(chǎn)，厚度為30 mm，單位面積質(zhì)量1.25 kg/m3，由ZrO2含量為16.7%耐堿玻纖絲編織而成，表面經(jīng)環(huán)氧樹脂涂覆。其主要性能指標如表3所示。

表33 D玻璃纖維織物的主要性能指標

水：自來水。

1.2 試驗方法

試件尺寸為400 mm×100 mm×40 mm，3D玻璃纖維織物厚30 mm，在制備試塊時，織物上下兩側(cè)各有5 mm砂漿保護層（如圖1所示）。

圖1 玻璃纖維位置示意

試件制備：將水泥、粉煤灰、砂加入砂漿攪拌機，先預攪30 s，再分2次加入水和減水劑，攪拌均勻制得砂漿，攪拌時間為180 s。在制備試件時，分2次澆注，先澆注砂漿，并控制砂漿層厚度為5 mm，再將3D玻璃纖維織物放入模具內(nèi)，再次澆注完全，放置于振動臺上振動后刮平，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。

測試齡期：制備好的試件放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，24 h后拆模，繼續(xù)放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d后測試抗彎強度。同時，將標準養(yǎng)護28 d后的試件再在50℃熱水中加速老化養(yǎng)護，并設(shè)定測試齡期為1 d、7 d、28 d、90 d。根據(jù)前人研究，在50℃熱水中養(yǎng)護1 d相當于在北京大氣中自然養(yǎng)護85 d[4]。本試驗采用的熱水養(yǎng)護齡期及其所對應(yīng)的自然養(yǎng)護時間見表4。

表450 ℃熱水養(yǎng)護齡期對應(yīng)的自然老化齡期

加載裝置：試驗在50 kN微機控制電子萬能試驗機上進行，采用位移控制。加載程序控制5 mm/min的加載速度（如圖2所示）。

圖2 試塊抗彎試驗支撐與加載方式示意

抗彎強度按式（1）計算[5]。

式中：σ——試件的抗彎強度，MPa；

譯文 The phoenix and phoenix’s mate are daily more and more remote[14]161.

F——試件的抗彎力，N；

l——支撐跨距，m；

b——試件的寬度，m；

d——試件的厚度，m。

堿度測試：試件養(yǎng)護至設(shè)定齡期，破碎后放入研缽后研磨，過方孔篩（0.08 mm），稱取10 g，然后加入100 g蒸餾水，定期震蕩，48 h后測量其pH值。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中，固定膠砂比、水膠比以及減水劑摻量，通過調(diào)整水泥、粉煤灰比例來制備試件。具體配合比如表5所示。

表5 試驗具體質(zhì)量配合比

考察了不同配合比試件經(jīng)標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d以及再在50℃熱水加速老化不同齡期抗彎強度和堿度的變化，結(jié)果分別如表6、表7所示。

表650 ℃熱水加速老化試件的抗彎強度

從表6可以看出：（1）標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，3D玻璃纖維織物增強試件C+3D和C+FA+3D的抗彎強度都高于試件C，相較于試件C，試件C+3D的抗彎強度提高了37.69%。說明使用3D玻璃纖維織物可以顯著提高試件的抗彎強度。（2）經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護后，試件的抗彎強度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。試件C的抗彎強度隨著養(yǎng)護齡期的延長而緩慢增大，最后趨于平緩；試件C+3D的抗彎強度先減小后又趨于平緩；試件C+FA+3D的抗彎強度先增大后略有下降。同時，試件C+ 3D的抗彎強度始終高于試件C。而試件C+FA+3D的抗彎強度在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d時低于試件C+3D，后經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護后，其抗彎強度均高于試件C+3D。

表7 不同養(yǎng)護齡期試件的pH值

從表7可以看出，試件的堿度隨著養(yǎng)護齡期的延長而下降，試件C+FA+3D的堿度始終低于試件C+3D，但相差不大。Sagüés等[6]認為，由于實驗中使用了水進行了沖淡，使得使用取出溶出法測定的離子濃度比原孔溶液中的低約10倍甚至更多。因而，對于不同試件，其基體孔溶液的堿度比表7所示相差的大得多。

3 機理分析

3.1 增強機理

在基體中摻加3D玻璃纖維織物可以提升試件的抗彎性能，其原因在于：（1）基體和3D玻璃纖維織物的彈性模量差異：一般水泥基材料彈性模量為25～30GPa，而3D玻璃纖維織物的彈性模量高達72GPa。由復合材料混合定律[7]可知，使用3D玻璃纖維織物增強基體后，試件的彈性模量變大；（2）由于3D玻璃纖維織物定向增強作用，使用3D玻璃纖維增強基體有利于提升試件的抗彎性能。因此，摻加3D玻璃纖維織物增強試件的抗彎強度顯著高于未使用3D玻璃纖維織物增強試件。

3.2 耐久性影響機理

標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d時，試件C+FA+3D的抗彎強度低于試件C+3D，這是因為摻入粉煤灰到基體內(nèi)，替代了部分水泥，由于粉煤灰在早期未能完全參與水化，導致?lián)郊臃勖夯以嚰目箯潖姸鹊陀谖磽郊臃勖夯以嚰目箯潖姸?。圖3是試件C+FA+3D在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d掃描電鏡照片。照片顯示，粉煤灰表面較為光滑，可推斷其與基體未完全反應(yīng)。

圖3 摻粉煤灰試件標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d掃描電鏡照片

經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護后，試件C+3D的強度先呈現(xiàn)下降的趨勢，這是由于隨著水泥的加速水化，產(chǎn)生了更多的堿性物質(zhì)，對基體內(nèi)的玻璃纖維產(chǎn)生侵蝕，使得試件的抗彎強度降低。對于試件C+FA+3D，由于其基體內(nèi)摻加了粉煤灰，粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3與水泥水化產(chǎn)生的堿發(fā)生反應(yīng)，使得基體的堿度低于未摻加粉煤灰的試件C+3D（見表7），減少了基體中的堿對玻璃纖維的侵蝕。同時熱水養(yǎng)護條件下，促進了粉煤灰及水泥的水化，因此試件C+FA+3D的強度逐漸提高。但50℃熱水加速老化養(yǎng)護90 d后其抗彎強度降低，這是因為基體內(nèi)的粉煤灰已參與反應(yīng)，雖然摻入粉煤灰降低了基體的堿度，減少了堿性物質(zhì)對玻璃纖維的侵蝕，但并不能完全阻止玻璃纖維受到侵蝕，因而其抗彎強度出現(xiàn)小幅降低。圖4為試件C+FA+3D經(jīng)50℃熱水養(yǎng)護90 d的掃描電鏡照片。

圖4 摻粉煤灰試件50℃熱水養(yǎng)護90 d掃描電鏡照片

圖4（a）顯示，試件中玻璃纖維表面局部受到侵蝕；圖4（b）顯示，粉煤灰表面粗糙，說明粉煤灰已與基體發(fā)生反應(yīng)。

從表6可以看出，經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護1 d后，試件C+FA+3D的抗彎強度始終高于試件C及C+3D。在50℃熱水加速老化養(yǎng)護28 d時其強度仍保持增長，按表4對應(yīng)規(guī)律可見，在自然養(yǎng)護6.5年仍然具有較好的抗彎性能。同時經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護90 d后，其強度仍高于試件C及C+3D，可見，自然養(yǎng)護21年，其抗彎強度仍優(yōu)于試件C及C+3D。在此過程中，粉煤灰對改善3D玻璃纖維織物水泥基材料耐久性起到關(guān)鍵作用。一方面，摻加粉煤灰等量替代水泥后，降低基體內(nèi)水泥的用量，使得其水化生成的堿性物質(zhì)變少，降低了堿對玻璃纖維的侵蝕作用；另一方面，在堿性環(huán)境下，粉煤灰中具有化學活性的SiO2、Al2O3與Ca（OH）2反應(yīng)，生成類似于水泥水化所產(chǎn)生的C-S-H和水化鋁酸鈣等反應(yīng)產(chǎn)物。這些反應(yīng)產(chǎn)物使得基體變得更加密實，提高了基體的強度，同時由于反應(yīng)消耗了部分堿[8]，也使得體系的堿度降低，從而降低了堿對基體內(nèi)玻璃纖維的侵蝕作用。

4 結(jié)論

（1）在水泥基材料中摻入3D玻璃纖維織物可以明顯提高基體的抗彎強度，這是由于3D玻璃纖維織物高彈模及可三維定向分布所致；但經(jīng)長齡期加速老化高溫養(yǎng)護后，由于基體內(nèi)堿性物質(zhì)對玻璃纖維的侵蝕作用，使得其增強效果有所下降。

（2）在3D玻璃纖維織物增強水泥基體中摻加粉煤灰時，較早期時由于粉煤灰未完全參與水化，其增強效果不如未摻加粉煤灰的對比試件，但隨著水化的進行，粉煤灰參與反應(yīng)，試件強度提高，同時基體堿度降低，對玻璃纖維侵蝕作用減小，后期強度明顯優(yōu)于對比試件。

（3）摻加粉煤灰后，可以提高GRC試件的耐久性，但由于粉煤灰不能完全阻止堿對玻璃纖維的侵蝕，長齡期高溫加速老化后，其強度略有下降，但仍高于未摻加粉煤灰的試件。

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Study of fly ash on mechanical properties and durability of 3D glass fiber fabric reinforced cement

ZHU Xuefeng1，ZHANG Peng1，LI Qinghai2，LI Dongxu1
（1.College of Materials Science And Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 210009，China；2.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

The mechanical properties of 3D glass fiber fabric reinforced cement and the durability with fly ash are studied by means of determination of alkalinity and flexural strength and SEM in 50℃hot water conservation.The results indicate that compared with blank specimen after curing 28 d in standard-curing room，the flexural strength of 3D glass fiber fabric reinforced cement improve 37.69%.And fly ash can improve the long-term strength and durability.

GRC，fly ash，3D glass fiber fabric，durability

TU528.581

A

1001-702X（2016）07-0046-03

國家科技支撐計劃項目（2013BAJ10B03）

2016-01-13；

2016-03-03

朱雪峰，男，1991年生，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向為玻璃纖維增強水泥基材料。