玄武巖纖維對磷石膏基復(fù)合材料耐久性能的影響

黃瑩鎣,孔德文,崔庚寅,謝 浪,王玲玲

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院,貴陽 550025;2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽 550025)

0 引 言

磷石膏(phosphogypsum, PG)具有與天然石膏相似的特性,包括快速凝固、耐火、隔熱和聲學(xué)特性,但其強(qiáng)度、耐水性和抗裂性普遍較低[1],因此僅有15%的PG被回收利用于建筑材料、農(nóng)業(yè)肥料和土壤穩(wěn)定劑等[2]。許多學(xué)者對PG的環(huán)境影響和回收利用問題進(jìn)行了研究,將一些外加劑及摻合料單摻或復(fù)摻于磷石膏基體中[3-5],獲得磷石膏基復(fù)合材料(phosphogypsum-based composites, PGC),如酸性磷石膏[6]、耐水型磷石膏砌塊[7]、β-半水磷石膏[8]等,改善了此類材料的物理性能和機(jī)械性能。

當(dāng)前PG常見的處理方式有熱處理、使用外加劑、添加纖維等。許多學(xué)者利用熱處理使PG具備膠凝性,同時(shí)使其力學(xué)性能也有一定提升,但熱處理工藝復(fù)雜;人們普遍認(rèn)為纖維是提高石膏基復(fù)合材料的有效方式之一,常采用纖維改善水泥基膠凝材料的性能,以提高混凝土的增韌、增強(qiáng)和抗裂性能[9-11]。近年來纖維作為一種增韌材料,已被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域[12-13]。所以當(dāng)前的研究常采用纖維對PGC進(jìn)行改性,以期獲得物理性能和力學(xué)性能良好的硬化體[14-16]。

本研究以玄武巖纖維(basalt fiber, BF)為改性材料來制備玄武巖纖維增強(qiáng)磷石膏基復(fù)合材料(basalt fiber reinforced phosphogypsum-based composites, BFRPGC),對復(fù)合材料分別進(jìn)行15次干濕循環(huán)試驗(yàn)和15次凍融循環(huán)試驗(yàn),并對干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后試樣進(jìn)行強(qiáng)度系數(shù)和溶蝕率測量,再將二者測量結(jié)果進(jìn)行對比分析,以探究BF直徑、長度和摻量對復(fù)合材料耐久性能的影響,同時(shí)分析BF的作用機(jī)理。為后續(xù)纖維改性石膏材料的研究提供參考,以期獲得一種具有廣闊利用空間的纖維增強(qiáng)磷石膏基復(fù)合膠凝材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

磷石膏取自貴州開磷磷石膏綜合利用有限公司,其pH值為6.82,含水率為18.5%,將磷石膏破碎后過0.315 mm方孔篩,待自然風(fēng)干3 d后即得到試驗(yàn)用原狀磷石膏(DPG),隨后再將DPG置于160 ℃烘箱中煅燒2 h,密封7 d后即獲得所用半水磷石膏(HPG)[17]。DPG和HPG的主要化學(xué)成分具體見表1,SEM照片見圖1。由圖1可看出,DPG的微觀結(jié)構(gòu)為板塊晶體狀,且表面較為光滑,而HPG經(jīng)高溫煅燒后表面較為粗糙,有垂直裂縫生成,更易與化合物產(chǎn)生反應(yīng)。

圖1 DPG和HPG的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of DPG and HPG

表1 DPG和HPG的主要化學(xué)組成[17]Table 1 Main chemical composition of DPG and HPG[17]

水泥采用貴陽海螺盤江水泥廠的P·O 42.5水泥,硅灰來自甘肅三元微硅粉有限公司,生石灰來自四川宜賓川灰生物科技有限公司,各摻合料的主要化學(xué)組成見表2。外加劑采用聚羧酸類減水劑,來自上海臣啟化工科技有限公司。

表2 各摻合料的主要化學(xué)組成[17]Table 2 Main chemical composition of each admixture[17]

BF來自貴州石鑫玄武巖科技有限公司,其物理指標(biāo)見表3,宏觀和微觀照片見圖2。由圖2可知,宏觀下的BF呈長絲狀,表面泛有金屬光澤,微觀下的BF表面較光滑呈長桿狀。

圖2 BF的宏觀照片及SEM照片F(xiàn)ig.2 Macrophotograph and SEM image of BF

表3 BF的物理性能Table 3 Physical properties of BF

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以BF長度、摻量和直徑作為影響因素,制備BFRPGC,然后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)。BF長度包括6、9、12 mm。此外,在單因素試驗(yàn)中BF摻量被設(shè)定為三個(gè)水平(0.5%、1.0%、1.5%,質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),直徑為三個(gè)水平(13、18、23 μm)。樣品編號(hào)按BF直徑、長度和摻量依次標(biāo)記,如13 μm/9 mm-1.0%,縮寫為13/9-1.0。

1.3 試樣制備

以DPG和HPG混合物(DPG和HPG質(zhì)量比為7∶3)作為基材,加入12%水泥、5%硅粉和4%生石灰、1.4%減水劑以及0.23%的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量制成PGC。用電動(dòng)攪拌器制備漿體,將攪拌好的漿體倒入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模具中,在自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,再將該試樣放于溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(50±5)%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。試樣配合比見表4。

表4 試樣配合比Table 4 Mix ratio of samples

1.4 試驗(yàn)方法

機(jī)械性能按照《建筑石膏 力學(xué)性能的測定》(GB/T 17669.3—1999)進(jìn)行測定。

將BFRPGC浸水5 min后取出,自然干燥30 min,置于烘箱中7 h后取出冷卻20 min,算1次干濕循環(huán)。該測試進(jìn)行15次,每5次干濕循環(huán)后,測試試樣的絕干強(qiáng)度和力學(xué)強(qiáng)度,然后按式(1)計(jì)算溶蝕率C。

C=[(m0-mi)/m0]×100%

(1)

式中:mi是第i個(gè)干濕循環(huán)后的試樣質(zhì)量,g;m0是試樣的初始絕干質(zhì)量,g。

干濕循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)Kd-w根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算。

Kd-w=R2/R1

(2)

式中:R1是試樣的絕干抗壓或抗折強(qiáng)度,MPa;R2是試樣在15次干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度,MPa。

凍融循環(huán)試驗(yàn)方法參照《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》(GB 50574—2010)。

2 結(jié)果與討論

2.1 BF對PGC干濕循環(huán)強(qiáng)度的影響

2.1.1 干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度系數(shù)

圖3展示了BF對PGC干濕循環(huán)抗壓性能的影響。從圖3可看出,BF對PGC干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)效果。在相同直徑和摻量下,BF長度為12 mm時(shí),試樣的干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度較BF長度為6、9 mm時(shí)更優(yōu),尤其在BF摻量為0.5%時(shí),BF長度為12 mm 的試樣的抗壓強(qiáng)度比長度為6、9 mm的試樣分別提高了10.54%和15.99%,這是因?yàn)樯倭康拈L纖維在試樣內(nèi)部形成了橋接結(jié)構(gòu),可以抵抗干濕環(huán)境下的損傷。18 μm/12 mm-1.5%試樣的抗壓強(qiáng)度較空白組提高了20.2%。而當(dāng)BF摻量為1.5%和直徑為18 μm時(shí),BF長度對干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度無顯著影響。18 μm/6 mm-1.5%試樣的抗壓強(qiáng)度最大(33.28 MPa),比空白組(27.22 MPa)提高了近22.3%。此外,當(dāng)BF的長度和摻量確定時(shí),BF直徑對干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度沒有明顯影響。從圖3還可以發(fā)現(xiàn),23 μm/9 mm-1.0%試樣的抗壓強(qiáng)度系數(shù)最大(0.95)。BFRPGC的干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)隨BF摻量的增大先升高后降低,這是源于較多的纖維成團(tuán),會(huì)在試樣內(nèi)部形成應(yīng)力集中點(diǎn),該缺陷抑制了抗壓強(qiáng)度系數(shù)的持續(xù)提高。

圖3 BF對PGC干濕循環(huán)抗壓性能的影響Fig.3 Effect of BF on dry-wet cycle compressive performance of PGC

2.1.2 干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度及強(qiáng)度系數(shù)

圖4展示了BF對PGC干濕循環(huán)抗折性能的影響。從圖4可發(fā)現(xiàn),BF的摻入顯著提高了PGC的抗折強(qiáng)度。隨著BF摻量的增加,BF長度為6、9 mm的試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度逐漸增大,長度為12 mm的試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度先升高后降低,18 μm/12 mm-1.0%試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度最大(5.51 MPa),當(dāng)BF摻量為1.5%時(shí),干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度較1.0%摻量時(shí)下降了6.64%。該結(jié)果表明,長纖維對干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度有顯著影響,適量BF在PGC中形成的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能減少內(nèi)部吸水率和孔隙率。而過量的BF會(huì)導(dǎo)致基體形成部分空腔,造成PGC密實(shí)度下降,粘結(jié)機(jī)制變?nèi)鮗18]。由圖4還可知,BF摻量和長度不變時(shí),BF直徑為18、23 μm的試樣的抗折強(qiáng)度逐漸增加,而BF直徑為13 μm的試樣的抗折強(qiáng)度則先增大后減小,這是因?yàn)檩^大直徑BF的抗拉強(qiáng)度和彈性模量有利于抵抗外力。18 μm/9 mm-1.5%試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度最大(6.285 MPa),較空白組試樣(3.138 MPa)提高了100.3%。其次,從直方圖中可知,添加BF的PGC干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)大于空白組。低摻量時(shí),BF長度為9 mm時(shí)對干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)的增強(qiáng)效果最顯著。隨著BF摻量增加,BF長度為6、9 mm的試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)逐漸降低,而BF長度為12 mm的試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)先增大后減小,這一現(xiàn)象與BF長度為12 mm的試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度圖相似。此外,由于大直徑BF較優(yōu)的抗拉強(qiáng)度和彈性模量,BF直徑為23 μm的試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)比直徑為13、18 μm的試樣更高。23 μm/9 mm-0.5%試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)最大,為0.92。

圖4 BF對PGC干濕循環(huán)抗折性能的影響Fig.4 Effect of BF on dry-wet cycle flexural performance of PGC

2.1.3 干濕循環(huán)溶蝕率

圖5展示了BF對PGC干濕循環(huán)溶蝕率的影響。由圖5可看出,試樣干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失隨BF摻量的增加而逐漸減少。當(dāng)BF摻量為0.5%時(shí),溶蝕率與空白組相比略有增加(<5%),但符合《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》(GB 50574—2010)的相關(guān)要求。當(dāng)BF摻量為0.5%時(shí),長BF對于基體抵抗干濕循環(huán)破壞的作用不顯著,因此相應(yīng)的溶蝕率略增;但隨著BF摻量提高,長纖維在減少試樣質(zhì)量損失方面起著更重要的作用。綜上,基體的溶蝕率與BF的數(shù)量有關(guān)。低摻量下長BF的單絲纖維數(shù)少于短BF[19],因此少量長纖維橋接效果不佳;而高摻量時(shí),長纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更致密,因此能在干濕循環(huán)下具有更好的抗斷裂性。此外,BF直徑對PGC的干濕循環(huán)溶蝕率沒有顯著影響。這一結(jié)論進(jìn)一步表明,BF的長度和摻量在基體內(nèi)部形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中起著主導(dǎo)作用。

圖5 BF對PGC干濕循環(huán)溶蝕率的影響Fig.5 Effect of BF on dry-wet cycle corrosion ratio of PGC

2.2 BF對PGC凍融循環(huán)強(qiáng)度的影響

2.2.1 凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度系數(shù)

圖6展示了BF對PGC凍融循環(huán)抗壓性能的影響。由圖6可知,隨著BF摻量的增加,BF長度為9、12 mm的試樣的凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度逐漸增大,BF長度為6 mm的試樣的凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度呈先降低后升高的趨勢,這是源于較長BF的橋接作用和環(huán)箍作用使試樣能夠抵抗凍融破壞。18 μm/12 mm-1.5%試樣的抗壓強(qiáng)度較空白組提高了46.5%。BF摻量對不同BF直徑下試樣的凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度有顯著影響,但BF直徑變化對試樣的凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度無顯著影響。當(dāng)摻入1.5%的18 μm/12 mm的BF時(shí),BFRPGC的凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值(27.172 MPa),比空白組提高了46.5%。從圖6中也能看出,含18 μm/12 mm-1.5%BF的BFRPGC的凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)最大,達(dá)0.71。此外,同一BF長度和摻量時(shí),BF直徑對PGC的凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)影響并不明顯。

2.2.2 凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度及強(qiáng)度系數(shù)

圖7展示了BF對PGC凍融循環(huán)抗折性能的影響。從圖7可看出,凍融循環(huán)后試樣的抗折強(qiáng)度明顯下降,這是源于BFRPGC在氣凍和水融過程中,材料內(nèi)部的水分被蒸發(fā)和消耗從而產(chǎn)生了收縮,導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了缺陷。BF的加入大幅提高了試樣的凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度,且隨著BF摻量的增加逐漸增大,18 μm/12 mm-1.5%試樣的干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度較空白組提高了120.1%。BF對凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果在BF直徑為18 μm、長度為9 mm和摻量為1.5%時(shí)最顯著,此時(shí)凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度較空白組增加了124.0%,且凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)最大,為0.62。但漿料與較長纖維混合困難會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部空隙增加,所以BF長度為12 mm時(shí)增強(qiáng)效果較弱。同時(shí),含13 μm/9 mm BF與18 μm/9 mm BF試樣的凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出相似的變化趨勢,含23 μm/9 mm BF試樣的抗折強(qiáng)度與含18 μm/12 mm BF試樣的類似。這一結(jié)論歸因于:相同BF摻量下,BF直徑越大,形成的纖維網(wǎng)孔隙越大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密度越差。從圖7還可發(fā)現(xiàn),BF的摻入提高了PGC的凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)。在BF摻量為1.0%時(shí),凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度隨纖維長度的增加而增加;隨著BF摻量的增加,BF直徑為13、18 μm的試樣的凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)相似,而BF直徑為23 μm的試樣由于大直徑纖維團(tuán)聚,基體中的單絲纖維較少,其在凍融循環(huán)環(huán)境下發(fā)揮的作用機(jī)制更為復(fù)雜,因此抗折強(qiáng)度系數(shù)略有不同。

圖7 BF對PGC凍融循環(huán)抗折性能的影響Fig.7 Effect of BF on freeze-thaw cycle flexural performance of PGC

2.2.3 凍融循環(huán)溶蝕率

圖8展示了BF對PGC凍融循環(huán)溶蝕率的影響。試樣的質(zhì)量損失主要是凍融循環(huán)過程中試樣表面剝落所致;而強(qiáng)度損失主要是內(nèi)部裂縫增多所致[18]。圖8表明,相較于空白組3.674%的溶蝕率,PGC的溶蝕率隨BF摻量的增加逐漸降低。在相同BF直徑和摻量條件下,BF長度為9、12 mm的試樣的溶蝕率低于長度為6 mm的試樣。該現(xiàn)象說明長度為9、12 mm的BF降低溶蝕率效果更優(yōu),這是由于混合漿料中較長BF的均勻分布有利于穩(wěn)定基體的收縮,BF的添加能使試樣有效抵御因內(nèi)部水分流失引起的收縮應(yīng)力,從而減少裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。但在一定摻量下,基體的收縮不再變化,這是由于BF摻量超過一定范圍后,纖維聚集或分散不均會(huì)使?jié){體拌和度下降。此外,BF長度和摻量一定時(shí),直徑為23 μm的BF抑制PGC的溶蝕效果顯著,這是源于大直徑纖維優(yōu)良的抗折性能和彈性模量[20]。

圖8 BF對PGC凍融循環(huán)溶蝕率的影響Fig.8 Effect of BF on freeze-thaw cycle corrosion ratio of PGC

2.3 不同環(huán)境下的強(qiáng)度系數(shù)對比

2.3.1 抗壓強(qiáng)度系數(shù)對比

圖9展示了BF分別在干濕和凍融環(huán)境下對PGC抗壓性能的影響以及PGC和BFRPGC的破壞模式。從圖9(a)可知,隨著BF摻量增加,干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)先增大后減小,凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)逐漸增大。此外,在BF摻量低和直徑相同時(shí),較長BF提高干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)的作用顯著,而較短BF對凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)的作用更佳。但在高摻量下,長度為6 mm的BF能提高干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù),長度為12 mm的BF可以持續(xù)增大凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度系數(shù)。這歸因于PGC在凝結(jié)硬化后水分消失會(huì)產(chǎn)生收縮,所以凍融循環(huán)過程中材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,且應(yīng)力值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸變大,故凍融環(huán)境下的損傷更大。因此,BF摻量恒定時(shí),少量的長BF有利于抵抗干濕環(huán)境的影響,較多的短BF則更有利于抵抗凍融環(huán)境的損傷。相較于空白組圖9(d),圖9(b)展現(xiàn)了長度為9 mm的BF對干濕循環(huán)破壞具有良好的抑制效果,宏觀下表面脫落減少;而相較于空白組圖9(e),圖9(c)也展現(xiàn)了長度為12 mm的BF抑制硬化體凍融循環(huán)破壞的顯著效果,宏觀下硬化體質(zhì)量損失減少,表面孔隙率降低。

2.3.2 抗折強(qiáng)度系數(shù)對比

圖10展示了BF分別在干濕和凍融環(huán)境下對PGC抗折性能的影響以及PGC和BFRPGC的破壞模式。由圖10(a)可知,BF的摻入顯著提高了干濕和凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)。干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)隨BF摻量增加先增大后減小,凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)則持續(xù)增大。低摻量時(shí),長度為9 mm的BF對干濕循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)有利,而凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度系數(shù)在長度為6 mm的BF作用下更高;但在高摻量時(shí),情況相反,這歸因于高摻量的長BF能有效抵抗膨脹應(yīng)力,纖維的阻裂作用減少了空白組的初始裂縫,降低了內(nèi)部生成連通縫的可能性,因此大摻量的BF有助于BFRPGC抗折強(qiáng)度系數(shù)的提高[16]。對比圖10(c)與(e)能看出長度為12 mm的BF抑制凍融循環(huán)破壞的顯著效果。另外,對比圖10(b)和(d)可以看出,BF的摻入顯著減少了硬化體表面的孔隙數(shù),使基體更致密,由宏觀破壞對比圖還可看出,BF的橋接作用使試樣從脆性破壞轉(zhuǎn)為延性破壞。

2.3.3 干濕和凍融環(huán)境下溶蝕率的比較

圖11展示了BF分別在干濕和凍融環(huán)境下對BFRPGC溶蝕率的影響以及BFRPGC的破壞模式。由圖11(a)可以發(fā)現(xiàn),與空白組試樣的溶蝕率相比,BFRPGC的溶蝕率隨BF摻量的增加而下降,且凍融循環(huán)溶蝕率>干濕循環(huán)溶蝕率。盡管試樣在干濕和凍融循環(huán)下都產(chǎn)生了質(zhì)量損失,但從圖11(a)中折線高度可看出:添加BF的試樣經(jīng)過凍融循環(huán)后溶蝕率皆小于空白組,而添加0.5%BF的試樣經(jīng)過干濕循環(huán)后溶蝕率略大于空白組,但數(shù)值在2.0%以下,二者皆滿足規(guī)范中要求的15次循環(huán)質(zhì)量損失不大于5%的要求,故可認(rèn)為BFRPGC的耐久性能良好。而由圖11(b)和(c)的對比可知,試樣表面脫落現(xiàn)象得到明顯改善,但凍融環(huán)境下試樣表面脫落現(xiàn)象仍比干濕環(huán)境下的多,這表明試樣在凍融環(huán)境下受到的影響更大。二者從邊緣開始脫落直至破壞,但在凍融循環(huán)過程中,凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)水與吸水反復(fù)沖刷力會(huì)使試樣遭受更大的破壞,致使試樣在凍融環(huán)境下表面脫落和空隙更多,故抗凍性較干濕環(huán)境更差,破壞也更為迅速,這也是凍融循環(huán)溶蝕率大于干濕循環(huán)溶蝕率的重要原因。

2.4 BF對PGC的作用機(jī)理

干濕循環(huán)溶蝕率和凍融循環(huán)溶蝕率在摻入BF后逐漸下降,且隨BF摻量的增多下降明顯,這是源于纖維網(wǎng)的網(wǎng)狀環(huán)效應(yīng)限制了基體中部的集料向四周擴(kuò)散的趨勢[21],從而抑制了試樣裂縫的擴(kuò)展。圖12為BFRPGC在不同環(huán)境下的SEM照片。由圖12(a)和(b)可知,在相同摻量和直徑條件下,長度為9 mm的BF能降低兩種環(huán)境下的溶蝕率,這源于較長纖維的橋接效應(yīng);而圖12(c)和(d)則表明,在摻入相同長度和摻量的BF時(shí),直徑為18 μm的BF能降低干濕循環(huán)溶蝕率,而凍融循環(huán)溶蝕率則在直徑為23 μm的BF的作用下降低更明顯。這是因?yàn)樵趦鋈诃h(huán)境下材料內(nèi)部的膨脹應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大,當(dāng)應(yīng)力大到超過材料本身的抗拉強(qiáng)度時(shí),材料內(nèi)部變得疏松易破壞,從而對凍融循環(huán)的抗性下降。此外,凍融環(huán)境下基體水分較多,大直徑纖維能吸收和保留部分游離水[22],所以抑制了水凍時(shí)對基體的不利影響。但凍融循環(huán)溶蝕率略微不同在于空白組孔隙結(jié)構(gòu)大,水分浸入量大,但摻入BF后降低了基體孔隙中自由水的含量,使基體結(jié)構(gòu)更密實(shí)細(xì)化,所以減少了水結(jié)冰時(shí)體積膨脹帶來的破壞。

圖12 BFRPGC在不同環(huán)境下的SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM images of BFRPGC in different environments

3 結(jié) 論

1)BF能有效改善PGC的耐久性能。BF的摻入能提高干濕和凍融環(huán)境下的抗壓、抗折強(qiáng)度以及強(qiáng)度系數(shù),同時(shí)能大幅減少兩種環(huán)境造成的質(zhì)量損失。

2)當(dāng)BF摻量為1.5%、直徑為18 μm時(shí),長度為12 mm的BF能顯著提高PGC的干濕和凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度,較空白組分別提高了20.2%和46.5%。其次,長度為6 mm的BF對干濕和凍融環(huán)境下PGC的抗壓強(qiáng)度系數(shù)均表現(xiàn)出良好的增強(qiáng)效果。此外,BF直徑對兩種環(huán)境下的抗壓性能均無明顯影響。

3)當(dāng)BF摻量為1.5%、直徑為18 μm時(shí),長度為12 mm的BF能顯著提高PGC的干濕和凍融循環(huán)抗折強(qiáng)度,較空白組分別提高了100.3%和120.1%。大直徑纖維的抗斷裂性在干濕環(huán)境中占主導(dǎo)地位,而相同摻量下單絲纖維數(shù)更多的小直徑纖維在凍融環(huán)境中優(yōu)勢更大。

4)溶蝕率與BF數(shù)量有關(guān),BF摻量越大,溶蝕率越低。其次,隨著BF摻量的增加,較長纖維降低PGC質(zhì)量損失的效果更好。此外,直徑對干濕循環(huán)溶蝕率的影響不大,而直徑為23 μm的BF抵抗凍融循環(huán)破壞的效果更好。PGC在凍融和干濕環(huán)境下都表現(xiàn)出了良好的耐久性能,滿足墻體材料的相關(guān)規(guī)范要求。

5)BF對耐久性能的影響機(jī)理歸因于基體內(nèi)部粘結(jié)網(wǎng)的形成,提高了基體的連續(xù)性和致密性,高彈性模量的BF也抑制了PGC內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生,從而使PGC能在干濕和凍融環(huán)境下抵抗外力和損傷。