纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能試驗(yàn)研究

梁巧真,張淑嫻

(1.安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 糧食工程系,安徽 合肥 230011; 2.江蘇東大工程檢測技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

最冷月平均溫度≤-10 ℃或日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)≥145 d的嚴(yán)寒地區(qū)在我國分布較廣,這些寒冷地區(qū)的建筑施工問題一直是亟待解決的技術(shù)難題[1],這主要是因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)建筑體系多采用混凝土結(jié)構(gòu),而寒冷環(huán)境下的混凝土施工需要克服混凝土緩凝以及凍脹破壞等問題[2-3],這些問題的存在給嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土的材質(zhì)和施工工藝提出了更高的要求[4]。目前,碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在混凝土建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛,而這種復(fù)合材料在嚴(yán)寒地區(qū)的凍融循環(huán)作用下的性能變化規(guī)律仍不完全清楚[5]。本文采用干壓成型法制備了碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥基復(fù)合材料的顯微形貌、孔隙率、抗壓強(qiáng)度和熱電性能,該試驗(yàn)成果已初步探明水泥基復(fù)合材料凍融循環(huán)作用對其性能影響的變化規(guī)律,并將利用這些變化規(guī)律解決嚴(yán)寒地區(qū)施工技術(shù)難題。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原料包括廣州卡本復(fù)合材料有限公司提供的T800型碳纖維、鄭州盾泥建材有限公司提供的硫鋁酸鹽水泥。

在JJ-5型行星式膠砂攪拌機(jī)中對碳纖維進(jìn)行預(yù)分散處理,在WZH-XQM-4型行星式球磨機(jī)中對硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行球磨,然后在S1110型碾輪式混砂機(jī)中將一定比例的碳纖維和水泥按照比例充分混合,在加壓成型機(jī)上進(jìn)行成型,試件尺寸為15 mm×15 mm×40 mm;成型后的水泥基復(fù)合材料試件進(jìn)行85%水蒸氣環(huán)境下的預(yù)養(yǎng)護(hù)處理,時(shí)間為1 d;預(yù)氧化處理后進(jìn)一步浸泡在室溫水中,保持3 d后取出進(jìn)行表面處理,待去除表面水化層后取部分試樣進(jìn)行上電極處理(距離試件10 mm位置處連接導(dǎo)線)。

為了模擬嚴(yán)寒地區(qū)纖維水泥基復(fù)合材料的實(shí)際工況,將水泥基復(fù)合材料試樣用錫紙包裹后,置于低溫環(huán)境中進(jìn)行循環(huán)凍融處理,低溫溫度為-30℃、保溫0.5 h后取出,置于室溫下放置5 min,待試樣到達(dá)室溫后,轉(zhuǎn)移至溫度為95 ℃環(huán)境中保溫0.5 h,結(jié)束后再轉(zhuǎn)移至室溫環(huán)境,待試樣達(dá)到室溫后完成一個(gè)凍融循環(huán)。依此分別對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行10次、20次、30次、40次和50次的凍融循環(huán)處理。

采用SU8010型掃描電鏡對水泥基復(fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行觀察;孔隙率測試采用阿基米德法進(jìn)行[6];水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度測試采用MWD-10B型抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,加壓速率為1 MPa/s。將水泥基復(fù)合材料固定在自制的熱電測量裝置中加熱至設(shè)定溫度,采用DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率測試儀測試電導(dǎo)率,并結(jié)合電動(dòng)勢和溫差結(jié)果,計(jì)算水泥基復(fù)合材料的seebeck系數(shù)[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥基復(fù)合材料的顯微形貌。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí),水泥基復(fù)合材料的內(nèi)部較為密實(shí),微裂紋數(shù)量較少且裂紋較短;當(dāng)對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行10次凍融循環(huán)處理后,可見水泥基復(fù)合材料中碳纖維與水泥結(jié)合緊密,局部被拉出的碳纖維表面還粘附有水泥;繼續(xù)增加凍融循環(huán)次數(shù)至20次時(shí),水泥基復(fù)合材料中出現(xiàn)了明顯的裂紋,且裂紋寬而長;在凍融循環(huán)次數(shù)增加至30次、40次和50次時(shí),水泥基復(fù)合材料中都可見明顯微裂紋存在,水泥基復(fù)合材料中微裂紋數(shù)量逐漸增多、裂紋長度和寬度增加,但是碳纖維與水泥基體間的結(jié)合仍然較為緊密。

凍融循環(huán)次數(shù)為(a)0次,(b)10次,(c)20次,(d)30次,(e)40次,(f)50次圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥基復(fù)合材料的顯微形貌Fig.1 Microstructure of cement-based composites under different numbers of freeze-thaw cycles

圖2為凍融循環(huán)次數(shù)對水泥基復(fù)合材料孔隙率的影響。當(dāng)未進(jìn)行凍融處理時(shí),水泥基復(fù)合材料的孔隙率約為27.2%;當(dāng)對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行凍融循環(huán)處理后,水泥基復(fù)合材料的孔隙率都高于未進(jìn)行凍融處理的試樣,且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,水泥基復(fù)合材料的孔隙率逐漸增大。一般情況下,凍融循環(huán)次數(shù)為10～50次,其孔隙率介于30.5%～31.5%。究其原因,這主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用下,水泥基復(fù)合材料內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力并演變成數(shù)量不等的微裂紋,且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,會使得水泥基復(fù)合材料中微裂紋數(shù)量增加、長度和寬度增大[7],相應(yīng)地,孔隙率會呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。此外,對比分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從0增加至10時(shí),孔隙率增幅較大,而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從10增加至50時(shí),孔隙率增幅較小,這一現(xiàn)象表明凍融循環(huán)初始階段水泥基復(fù)合材料內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了應(yīng)力作用,內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化,而凍融循環(huán)次數(shù)的增加對后期內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響相對較小[8],微裂紋的擴(kuò)展相對較慢。

圖3為凍融循環(huán)次數(shù)對水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響。當(dāng)未進(jìn)行凍融處理時(shí),水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度約為52.6 MPa;當(dāng)對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行凍融循環(huán)處理后,水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度都低于未進(jìn)行凍融處理的試樣,且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這主要是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)增加,水泥基復(fù)合材料內(nèi)部微裂紋數(shù)量增多、微裂紋長度和寬度增大,相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度會減小[9-10]。

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)對水泥基復(fù)合材料孔隙率的影響Fig.2 Effect of the number of freeze-thaw cycles on porosity of cement-based composites

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)對水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度影響Fig.3 Effect of the number of freeze-thaw cycles on compressive strength of cement-based composites

圖4為凍融循環(huán)次數(shù)對不同溫度下水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響。對于未進(jìn)行凍融循環(huán)處理的試樣,隨著溫度的升高,水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,在溫度為30 ℃時(shí)的電導(dǎo)率約為1.66×10-3S/m;對于凍融循環(huán)處理10～50次的試樣,水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率也會隨著溫度的升高而逐漸增大,且在相同溫度下,凍融循環(huán)次數(shù)越多,且相應(yīng)的復(fù)合材料的的電導(dǎo)率越低;在溫度為30 ℃時(shí)、凍融循環(huán)50次的水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率約為1.62×10-3S/m。不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率的變化會影響到內(nèi)部載流子的傳輸效率[11],使得電導(dǎo)率呈現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小的特征。

圖5為凍融循環(huán)次數(shù)對不同溫度下水泥基復(fù)合材料seebeck系數(shù)的變化曲線,其中,插圖的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)保持不變。對比分析可知,未進(jìn)行凍融處理以及凍融處理不同循環(huán)次數(shù)的水泥基復(fù)合材料的seebeck系數(shù)均為負(fù)值,這也就說明該材料為載流子為電子的n型半導(dǎo)體;對于未經(jīng)過凍融處理的水泥基復(fù)合材料,在溫度為30 ℃時(shí),復(fù)合材料的seebeck系數(shù)約為-52 μV/℃,隨著溫度的升高,水泥基復(fù)合材料的seebeck系數(shù)呈現(xiàn)略有增加的趨勢,但是在溫度40 ℃以上時(shí)基本保持不變,整體seebeck系數(shù)都約在-40 μV/℃;經(jīng)過凍融循環(huán)處理后,水泥基復(fù)合材料的seebeck系數(shù)與未進(jìn)行凍融處理的試樣存在較大差異,而凍融循環(huán)次數(shù)對seebeck系數(shù)的影響相對較小,這也就說明,對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行凍融循環(huán)處理會對材料的seebeck系數(shù)產(chǎn)生影響,相同溫度下水泥基復(fù)合材料的seebeck系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。這主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)內(nèi)力作用下,水泥基復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生一系列變化,如水泥基復(fù)合材料中微裂紋數(shù)量逐漸增多、裂紋長度和寬度增加等,這些在很大程度上會影響水泥基復(fù)合材料的seebeck系數(shù)。

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)對不同溫度下水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of freeze-thaw cycles on conductivity of cement-based composites at different temperatures

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)對不同溫度下水泥基復(fù)合材料seebeck系數(shù)的變化曲線Fig.5 Variation curve of seebeck coefficient of cement-based composites under different freeze-thaw cycles at different temperatures

圖6為凍融循環(huán)次數(shù)對不同溫度下水泥基復(fù)合材料熱電優(yōu)值的影響。其中,插圖的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)保持不變。對于未經(jīng)過凍融循環(huán)處理的水泥基復(fù)合材料,溫度30 ℃時(shí)的熱電優(yōu)值約為1.46×10-7,且水泥基復(fù)合材料的熱電優(yōu)值會隨著溫度升高而逐漸降低,在溫度達(dá)到80 ℃時(shí)的熱電優(yōu)值降低至0.84×10-7;在相同溫度下,經(jīng)過不同周次凍融循環(huán)處理的水泥基復(fù)合材料的熱電優(yōu)值都明顯低于未經(jīng)凍融循環(huán)處理的水泥基復(fù)合材料;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)分別為10次、20次、30次、40次和50次時(shí),水泥基復(fù)合材料的熱電優(yōu)值都不會隨溫度改變發(fā)生明顯變化。由此可見,對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行凍融循環(huán)處理,會對熱電優(yōu)值產(chǎn)生明顯影響。

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)對不同溫度下水泥基復(fù)合材料熱電優(yōu)值的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw cycles on thermoelectric merit of cement-based composites at different temperatures

3 結(jié)論

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,水泥基復(fù)合材料中微裂紋數(shù)量逐漸增多、裂紋長度和寬度增加,但是碳纖維與水泥基體間的結(jié)合仍然較為緊密。當(dāng)對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行凍融循環(huán)處理后,水泥基復(fù)合材料的孔隙率都高于未進(jìn)行凍融處理的試樣、抗壓強(qiáng)度都低于未進(jìn)行凍融處理的試樣,且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,水泥基復(fù)合材料的孔隙率逐漸增大,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢。

2)未凍融循環(huán)處理的試樣,隨著溫度的升高,水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,在溫度為30 ℃時(shí)的電導(dǎo)率約為1.66×10-3S/m;對于凍融循環(huán)處理10～50次的試樣,水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率也會隨著溫度的升高而逐漸增大,且在相同溫度下,凍融循環(huán)次數(shù)越多,且相應(yīng)的復(fù)合材料的電導(dǎo)率越低,在溫度為30 ℃時(shí)、凍融循環(huán)50次的水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率約為1.62×10-3S/m。