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    嚴寒環(huán)境下雙摻礦物摻合料對玻璃纖維增強水泥構件抗彎、抗沖擊強度的影響

    2020-02-03 07:40:02李建波王學雷
    建筑施工 2020年10期
    關鍵詞:網(wǎng)格布性能參數(shù)硅灰

    喻 林 李建波 王學雷

    1. 河海大學力學與材料學院 江蘇 南京 210098;

    2. 蘇寧置業(yè)集團有限公司 江蘇 南京 210042

    玻璃纖維增強水泥(GRC)材料具有材質輕、強度高、抗裂性能好、抗凍性好、抗沖擊強度高、清潔環(huán)保、安裝便捷、可塑性強及造型多變等特點[1]。目前,GRC因其輕質高強等特點而被廣泛應用。傳統(tǒng)GRC構件主要用于非承重結構,通過提高其耐久性,GRC構件也被應用于半承重結構。

    GRC試件不僅涉及人們的住、行、用等多方面,而且在一些重大的軍事工程中也有它們的身影[2-3]。隨著制作玻璃纖維水平的提高,GRC構件的應用得到了推廣。玻璃纖維在GRC制品中既增強了界面區(qū)的強度,有效地抑制裂縫的產生與發(fā)展,又使水泥內部的應力集中得到消除[4-7]。但是GRC構件的耐久性能,尤其是在潮濕環(huán)境下強度與韌性降低的問題沒有得到解決。

    關于摻加活性礦物摻合料以改進GRC試件力學性能方面的研究較少,而針對GRC試件在經(jīng)過凍融循環(huán)后的力學性能研究則更少。本文結合項目工程實際,通過雙摻不同礦物摻合料對GRC試件的抗凍性能進行研究,從而確定GRC試件的最佳配合比,制備高強、增韌及耐久性強的GRC構件。

    1 試驗方案

    1.1 試驗用原材料

    本試驗所用拌和水為自來水,其參數(shù)符合行業(yè)規(guī)范 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》相關規(guī)定;細集料(級配合理的中砂)所用砂為湖砂,來自洞庭湖,細度模數(shù)為2.7,含泥量為0.8%;偏高嶺土是河南鞏義市辰義耐材磨料公司生產的,其基本性能參數(shù)見表1;耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布基本化學成分、基本性能參數(shù)見表2、表3;硅灰的基本參數(shù)性能參數(shù)見表4;水泥采用安徽蕪湖海螺水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5),主要化學成分為CaO、SiO2,質量分數(shù)分別58%、23%,其初凝時間、終凝時間分別為158、231 min,抗壓強度、抗折強度(28 d)分別為42.5、6.5 MPa;粉煤灰是由江蘇省某國網(wǎng)熱電廠生產的F類Ⅰ級粉煤灰,其基本性能參數(shù)見表5;采用的減水劑為江蘇尼高科技有限公司生產的高效減水劑。

    表1 偏高嶺土的基本性能參數(shù)

    表2 耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布基本化學成分質量分數(shù)

    表3 耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布基本性能參數(shù)

    表4 硅灰的基本性能參數(shù)

    表5 粉煤灰基本性能參數(shù)

    1.2 配合比設計

    GRC試件配合比試驗要求:水膠比0.38,膠砂比1∶1,玻璃纖維網(wǎng)格布體積摻量為3%,高效減水劑摻量為0.6%~1.0%,添加雙摻活性礦物摻合料試驗組(偏高嶺土摻入比例〔質量分數(shù),下同〕范圍為10%~40%、硅灰摻入比例范圍為5%~10%、粉煤灰摻入比例范圍為10%~50%),偏高嶺土、硅灰、粉煤灰摻量梯度分別為10%、5%、10%。

    試驗對各組改性水泥試件抗壓強度、抗折強度以及減少減水劑使用等方面因素進行比較,選取了以下4種雙摻礦物的摻入比例:Si5+Mk20、Si10+Fa20、Si10+Mk20、Fa20+Mk20(Si代表硅灰,Mk代表偏高嶺土,F(xiàn)a代表粉煤灰,字母后綴的數(shù)字代表摻入比例)。優(yōu)化后,外加劑用量根據(jù)流動度相同的原則調整。根據(jù)配合比要求進行稱料配比,通過調節(jié)用水量和減水劑量將各組拌和物的流動度控制在225 mm左右。

    1.3 試驗方法

    本試驗主要設備儀器:TDR-2型混凝土凍融試驗機、荷載-撓度曲線電子試驗機、電子擺錘式?jīng)_擊試驗機,分別如圖1~圖3所示。

    圖1 TDR-2型混凝土凍融試驗機

    圖2 荷載-撓度曲線電子試驗機

    圖3 電子擺錘式?jīng)_擊試驗機

    按照設定配合比進行砂漿拌和,然后澆筑GRC試件??箯潖姸仍囼炈贸叽鐬?50 mm×50 mm×10 mm,抗沖擊強度試驗所用尺寸為120 mm×50 mm×10 mm。每6個試件 為一組,24 h后進行拆模,拆模后進行標準養(yǎng)護28 d。當GRC試件養(yǎng)護齡期到達26 d時,將試件全部放入不低于0 ℃的清水中浸泡24 h,同時檢查GRC試件表面,取出因為切割而引起的缺陷部分,水的液面至少高出試件頂端2~3 cm。凍融循環(huán)試驗之前,取出GRC試件并將表面水分擦干。第25次凍融循環(huán)結束后,將取出的GRC試件表面用清水洗凈后擦拭干凈,檢查其外觀是否有起層、剝落等破壞現(xiàn)象,剔除其中損壞的GRC試件,然后進行宏觀力學性能試驗。

    抗彎性能試驗:將250 mm×50 mm×10 mm標準尺寸的GRC試件,以6個試件為一組,養(yǎng)護至指定齡期,放到荷載-撓度曲線電子試驗機上進行抗彎性能試驗,結果以6個試件的算術平均值表示,精確到0.1 MPa。

    抗彎比例強度、抗彎破壞強度分別按照公式(1)、(2)計算:

    式中:σLOP——抗彎比例強度,單位MPa;

    σMOR——抗彎破壞強度,單位MPa;

    P1——抗彎比例荷載,單位N;

    Pm——抗彎破壞荷載,單位N;

    L——跨度,單位mm;

    b——GRC試件寬度,單位mm;

    h——GRC試件厚度,單位mm;

    抗沖擊性能試驗:將120 mm×50 mm×10 mm標準尺寸的GRC試件,以6個試件為一組,經(jīng)標準養(yǎng)護后,通過電子擺錘式?jīng)_擊試驗機進行抗沖擊性能試驗,以6個試件的算術平均值表示,精確到0.1 kJ/m2。

    抗沖擊強度按照公式(3)計算:

    式中:σ1——抗沖擊強度,單位kJ/m2;

    A——沖擊能量,單位J;

    b——試件寬度,單位mm;

    h——試件厚度,單位mm。

    2 試驗結果及分析

    2.1 GRC試件的抗彎強度

    經(jīng)凍融循環(huán)后,計算得到不同齡期各種GRC試件抗彎強度平均值,所得數(shù)據(jù)見表6。

    表6 GRC試件抗彎強度值 單位:MPa

    在本次試驗中,凍融循環(huán)前表示GRC試件經(jīng)標準養(yǎng)護28 d后進行抗彎強度試驗,凍融循環(huán)后表示GRC試件經(jīng)過25次凍融循環(huán)后進行抗彎強度試驗。為了方便表示,將摻入比例Si5+Mk20、Si10+Fa20、Si10+Mk20、Fa20+Mk20依次標記為①、②、③、④。

    圖4 GRC試件凍融循環(huán)前后抗彎比例強度

    圖5 GRC試件凍融循環(huán)前后抗彎破壞強度

    根據(jù)表6抗彎強度試驗數(shù)據(jù),分別繪制凍融循環(huán)前后抗彎比例強度、抗彎破壞強度柱狀圖,如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知:經(jīng)過凍融循環(huán)后,各組GRC試件的抗彎強度均呈現(xiàn)不同程度下降,改性(摻加摻合料)GRC試件的下降幅度低于對照GRC試件(P.O 42.5)下降幅度:前者GRC試件的抗彎強度保留率為90%,后者GRC試件抗彎強度保留率為70%。改性GRC試件②、③的抗彎破壞強度保留率分別為87.9%、87.3%,可見雙摻10%硅灰、20%粉煤灰和雙摻10%硅灰、20%偏高嶺土能夠有效提高GRC試件在凍融循環(huán)后的抗彎破壞強度。

    2.2 GRC試件的抗沖擊強度

    經(jīng)凍融循環(huán)后,計算得到GRC試件抗沖擊強度平均值,數(shù)據(jù)見表7。

    表7 GRC試件抗沖擊強度值 單位:kJ/m2

    根據(jù)表7試驗數(shù)據(jù),可繪制以改性普硅水泥為基材的GRC試件在凍融前、后抗沖擊強度柱狀圖(圖6)。

    圖6 GRC試件凍融前后抗沖擊強度

    由圖6可知:經(jīng)過凍融后,GRC試件抗沖擊強度值有所下降,其中對照GRC試件(P.O 42.5)的強度保留率為75%左右,改性(摻加摻合料)GRC試件的強度保留率高于90%。改性GRC試件(②、③)在凍融循環(huán)后抗沖擊強度仍大于18 kJ/m2,可見雙摻10%硅灰、20%粉煤灰和10%硅灰、20%偏高嶺土能夠提高GRC試件在凍融循環(huán)后的抗沖擊性能。

    2.3 機理分析

    水泥基材與GRC試件玻纖網(wǎng)格布的連接界面是GRC試件最薄弱的環(huán)節(jié),因為玻纖網(wǎng)格布表面容易產生水分富集現(xiàn)象,導致局部水灰比過大,從而引起氣孔尺寸與氣泡間距增大,連接界面水泥基材孔隙率也增加較多,密實度下降。因此,在凍融循環(huán)過程中界面處產生的凍脹壓力會增大,從而導致其力學性能下降,抗凍性降低。摻入活性摻合料使得水泥砂漿中的微小孔洞得到填充,雖然原來的微小孔洞變成了一個個微細毛孔,但是這些微細毛孔又有一定的連通性。在凍融循環(huán)過程中,當孔隙中水結冰,產生水壓力時,水能夠從微細毛孔經(jīng)過沒有冰凍的孔擴散至自由空間,從而緩解了凍融過程中的冰脹壓力。GRC試件中的3層玻纖網(wǎng)格布具有很好的整體性,上下層玻纖網(wǎng)格布能夠很好地將所受荷載進行傳遞,增強試件的抗彎、抗拉強度,最終能使試件在凍融循環(huán)后保持較好的力學性能。

    3 結語

    1)經(jīng)凍融循環(huán)后,GRC試件的表面未出現(xiàn)裂紋、分層、剝落等現(xiàn)象,但其抗彎強度、抗沖擊強度均有不同程度下降。

    2)雙摻10%硅灰、20%粉煤灰和雙摻10%硅灰、20%偏高嶺土能夠有效提GRC試件的抗彎強度、抗沖擊強度,經(jīng)凍融循環(huán)后強度保留率高于90%。

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