濕熱養(yǎng)護(hù)時摻合料對玻纖增強(qiáng)水泥性能的影響

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2020-03-28 16:34

本文摘要：摘要：采用80℃濕熱養(yǎng)護(hù)的加速老化方法，通過力學(xué)性能和微觀分析研究摻合料對玻璃纖維增強(qiáng)硅酸鹽水泥(GRC)中玻璃纖維腐蝕的影響。研究表明，GRC力學(xué)性能的經(jīng)時變化是砂漿強(qiáng)度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結(jié)果，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，粉煤灰一方面使砂漿

　　摘要：采用80℃濕熱養(yǎng)護(hù)的加速老化方法，通過力學(xué)性能和微觀分析研究摻合料對玻璃纖維增強(qiáng)硅酸鹽水泥(GRC)中玻璃纖維腐蝕的影響。研究表明，GRC力學(xué)性能的經(jīng)時變化是砂漿強(qiáng)度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結(jié)果，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，粉煤灰一方面使砂漿強(qiáng)度保持增長，另一方面抑制了玻璃纖維腐蝕，結(jié)果是玻璃纖維腐蝕減輕，GRC抗彎強(qiáng)度保持上升。玻璃纖維的輕微腐蝕會使其呈脆性破壞，而纖維間和周圍的水化產(chǎn)物形成也導(dǎo)致其失去增韌作用，因而用韌性的變化評價GRC的退化比用強(qiáng)度變化來評價更有效。

　　關(guān)鍵詞：建筑材料;濕熱養(yǎng)護(hù);玻璃纖維增強(qiáng)水泥;摻合料;腐蝕;韌性;粉煤灰

四川水泥

　　建筑論文投稿刊物：《四川水泥》是四川省的建筑類論文期刊，專門報導(dǎo)水泥工業(yè)實用技術(shù)及經(jīng)驗，雜志1979年成都市創(chuàng)刊發(fā)行，內(nèi)容豐富實用，在1997年獲國家建材局的《全國建材優(yōu)秀科技期刊》獎。國內(nèi)公開發(fā)行。

　　0引言

　　玻璃纖維增強(qiáng)水泥(GRC)制品價格低、自重輕、阻燃性好、比強(qiáng)度較高，作為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧蠌V泛應(yīng)用于建筑工程、市政工程、城市景觀、農(nóng)用構(gòu)件、水利工程構(gòu)件等領(lǐng)域。近年來，玻璃纖維增強(qiáng)水泥(GRC)制品的長期耐久性受到關(guān)注。Dey等[1]提出一種利用彎曲荷載撓度數(shù)據(jù)模型來模擬GRC老化效應(yīng);Eiras等[2]采用非線性沖擊共振聲譜分析和超聲波兩種無損檢測技術(shù)對GRC老化進(jìn)行監(jiān)測;Alejandro等[3]認(rèn)為凍融循環(huán)和干濕循環(huán)混合可較準(zhǔn)確地模擬天氣變化條件對GRC力學(xué)性能影響�；贏rrhenius方程的熱水加速老化方法，可以得出加速老化與自然老化之間的經(jīng)驗公式[4，5]，Litherland等[5]假設(shè)纖維腐蝕是主要的退化機(jī)理，可利用熱水加速老化的SIC法(Strandincement)預(yù)測GRC長期強(qiáng)度;南京玻纖院通過SIC法對一種耐堿玻璃纖維進(jìn)行加速老化試驗，推算出試樣在80℃熱水中放置1d相當(dāng)于在北京大氣中暴露4.2年[6];文獻(xiàn)[7]采用80℃熱水加速老化試驗研究耐堿玻璃纖維在道路用水泥砂漿中的腐蝕機(jī)理和性能變化。

　　堿性條件下玻璃纖維中的Si-O-Si鍵受羥基的侵蝕而易出現(xiàn)斷裂，硅氧骨架遭受氫氧根離子攻擊而破壞。水泥中加入活性摻合料，與Ca(OH)2等堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，降低水泥基質(zhì)堿度，進(jìn)而抑制玻璃纖維腐蝕[8-10]，在65℃水熱老化條件下，GRC的退化速率比無摻合料GRC低一個數(shù)量級[11]。濕熱加速養(yǎng)護(hù)除影響玻璃纖維外，對水泥基質(zhì)的性能也產(chǎn)生了顯著影響。僅從玻璃纖維腐蝕的角度研究GRC的老化存在一定的局限性。本文采用80℃濕熱加速老化的方式模擬長期使用環(huán)境，通過與無玻璃纖維的水泥基準(zhǔn)樣對比，并分析玻璃纖維的腐蝕性、試樣抗彎強(qiáng)度和破壞方式來研究摻合料對GRC耐久性的影響。

　　1材料與實驗方法

　　1.1實驗材料

　　短切耐堿玻璃纖維，長度12mm，纖維單絲直徑15μm，單股線密度98tex，氧化鋯含量為16.7%，湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司產(chǎn)品;基準(zhǔn)水泥，P·I42.5，山東魯城水泥有限公司產(chǎn)品;礦渣粉，S95，廣東韶鋼;粉煤灰，I級F類粉煤灰，市售;河砂，經(jīng)2.36mm方孔篩過篩，市售;減水劑，聚羧酸系高性能減水劑，含消泡組分，中交第四航務(wù)工程局有限公司下屬材料公司產(chǎn)品。

　　1.2實驗方法

　　將水泥、砂、水加入攪拌機(jī)，攪拌約1min后加入短切玻璃纖維繼續(xù)攪拌約2min，澆注入試模制成10mm厚大板。自然養(yǎng)護(hù)7d后，將大板置于80℃濕熱環(huán)境中分別養(yǎng)護(hù)2、4、6、8d后取出。其中濕熱養(yǎng)護(hù)時間0d的試樣自然養(yǎng)護(hù)了28d。作為對比，每個配合比還制作一組試樣自然養(yǎng)護(hù)28d。對比試樣始終自然養(yǎng)護(hù)至28d。將大板切割成250mm×50mm×10mm的抗彎試件，置于通風(fēng)良好的室內(nèi)放置3d后，進(jìn)行抗彎試驗。

　　2含摻合料玻璃纖維增強(qiáng)硅酸鹽水泥的配合比設(shè)計

　　GRC拌合物水膠比為0.36，砂膠比為1.00。采用內(nèi)摻法加入玻璃纖維，替代等質(zhì)量的砂，因為高摻量的纖維容易團(tuán)簇，使制品空隙增大，引起GRC的強(qiáng)度和耐久性顯著降低[12]，所以固定玻璃纖維摻量為固體總質(zhì)量的3.0%。摻合料取代水泥量為40%，所用摻合料有粉煤灰和礦渣。GRC拌合物加適量聚羧酸減水劑調(diào)整流動性，內(nèi)含消泡組分以避免聚羧酸引入氣泡。

　　3結(jié)果與分析

　　3.1力學(xué)性能

　　隨著濕熱養(yǎng)護(hù)時間的延長，無摻合料的基準(zhǔn)砂漿、摻粉煤灰和礦渣的基準(zhǔn)砂漿在濕熱養(yǎng)護(hù)8d內(nèi)抗彎強(qiáng)度都保持增長。各濕熱養(yǎng)護(hù)齡期，摻粉煤灰的基準(zhǔn)砂漿強(qiáng)度略高于摻礦渣基準(zhǔn)砂漿，但低于無摻合料基準(zhǔn)砂漿。濕熱養(yǎng)護(hù)6d內(nèi)，無摻合料GRC抗彎強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的延長提高，且各齡期GRC抗彎強(qiáng)度均高于同齡期基準(zhǔn)砂漿。但濕熱養(yǎng)護(hù)到8d時，GRC抗彎強(qiáng)度顯著下降，低于同齡期基準(zhǔn)砂漿。濕熱養(yǎng)護(hù)8d內(nèi)，粉煤灰GRC和相應(yīng)無玻璃纖維基準(zhǔn)砂漿的抗彎強(qiáng)度與濕熱養(yǎng)護(hù)時間關(guān)系相近，抗彎強(qiáng)度均隨濕熱養(yǎng)護(hù)時間的延長而上升，各齡期粉煤灰GRC抗彎強(qiáng)度均高于同齡期基準(zhǔn)砂漿，且兩條曲線近似平行。

　　摻礦渣GRC抗彎強(qiáng)度和濕熱養(yǎng)護(hù)時間關(guān)系與摻粉煤灰GRC略有不同，濕熱養(yǎng)護(hù)6d內(nèi)，隨著濕熱養(yǎng)護(hù)時間的增加，摻礦渣GRC抗彎強(qiáng)度增加，但增幅小于摻粉煤灰GRC。濕熱養(yǎng)護(hù)8d時，摻礦渣GRC抗彎強(qiáng)度略有下降，摻礦渣GRC的抗彎強(qiáng)度相對于基準(zhǔn)礦渣砂漿增幅僅為12.3%。同樣濕熱養(yǎng)護(hù)8d時，摻粉煤灰GRC的抗彎強(qiáng)度相對于基準(zhǔn)粉煤灰砂漿增幅達(dá)19.8%;無摻合料GRC的抗彎強(qiáng)度相對于基準(zhǔn)砂漿增幅為-18.0%。表明粉煤灰與礦渣均有抑制GRC中玻璃纖維腐蝕的效果，而粉煤灰對玻璃纖維腐蝕抑制效果優(yōu)于礦渣。各齡期含粉煤灰基準(zhǔn)樣強(qiáng)度都高于含礦渣基準(zhǔn)樣，表明粉煤灰的活性優(yōu)于礦渣，與Ca(OH)2等堿性物質(zhì)的結(jié)合能力更強(qiáng)，從而更好地抑制了玻璃纖維的腐蝕。

　　3.2微觀分析

　　濕熱養(yǎng)護(hù)0d(即自然養(yǎng)護(hù)28d)時，GRC中玻璃纖維表面光滑、無腐蝕。濕熱養(yǎng)護(hù)2d時，玻璃纖維表面出現(xiàn)大量腐蝕孔洞，并被腐蝕產(chǎn)物水化硅酸鈣包裹[13]。濕熱養(yǎng)護(hù)至6d以上時，腐蝕孔洞不斷變大、腐蝕深度顯著增加，且玻璃纖維表面出現(xiàn)顯著的腐蝕剝離。濕熱養(yǎng)護(hù)時間越長，GRC中玻璃纖維腐蝕越嚴(yán)重，且高于同齡期基準(zhǔn)砂漿。僅在8d時因玻璃纖維出現(xiàn)深度腐蝕，GRC抗彎強(qiáng)度才開始大幅下降，可見濕熱養(yǎng)護(hù)加速了玻璃纖維的腐蝕，同時也提高了水泥基質(zhì)的強(qiáng)度，GRC抗彎強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的變化是砂漿強(qiáng)度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結(jié)果。

　　與無摻合料GRC相似，自然養(yǎng)護(hù)28d時，玻璃纖維表面沒有觀察到腐蝕。濕熱養(yǎng)護(hù)2d時，玻璃纖維表面可觀察到明顯的腐蝕孔洞，但沒有觀察到大量的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕程度顯著低于濕熱養(yǎng)護(hù)2d的無摻合料GRC中玻璃纖維。濕熱養(yǎng)護(hù)至6d時，腐蝕孔洞變大，玻璃纖維局部表面出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物。濕熱養(yǎng)護(hù)至8d時，玻璃纖維表面腐蝕產(chǎn)物繼續(xù)增加，但未觀察到玻璃纖維表面大面積脫落。各濕熱養(yǎng)護(hù)齡期時，摻粉煤灰GRC中的玻璃纖維腐蝕程度都顯著低于無摻合料GRC。這是由于高活性的粉煤灰與Ca(OH)2等堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，降低了水泥基質(zhì)的堿度，從而具有很好的抑制玻璃纖維腐蝕效果。盡管濕熱養(yǎng)護(hù)后摻粉煤灰GRC中玻璃纖維也出現(xiàn)了較嚴(yán)重腐蝕，但仍然能對抗彎強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。濕熱養(yǎng)護(hù)8d時，摻粉煤灰GRC的抗彎強(qiáng)度仍大于同養(yǎng)護(hù)條件的基準(zhǔn)砂漿，表明此時砂漿強(qiáng)度提高對GRC強(qiáng)度的貢獻(xiàn)仍超過玻璃纖維腐蝕對GRC強(qiáng)度的負(fù)面影響。

　　一方面，粉煤灰抑制玻璃纖維腐蝕;另一方面，摻粉煤灰的砂漿強(qiáng)度保持長時間的增長，兩者共同作用的結(jié)果是摻粉煤灰GRC強(qiáng)度長期保持上升。為不同濕熱養(yǎng)護(hù)齡期時摻礦渣GRC中典型玻璃纖維腐蝕情況，可見摻礦渣GRC中玻璃纖維的腐蝕程度比摻粉煤灰GRC更為嚴(yán)重。自然養(yǎng)護(hù)28d時，玻璃纖維表面沒有觀察到腐蝕。濕熱養(yǎng)護(hù)2d時，玻璃纖維表面已觀察到腐蝕物的剝離。濕熱養(yǎng)護(hù)6、8d時，GRC中玻璃纖維腐蝕繼續(xù)加劇，玻璃纖維因腐蝕脫落現(xiàn)象更加明顯，玻璃纖維周邊有大量水化產(chǎn)物聚集。各濕熱養(yǎng)護(hù)齡期時，摻礦渣GRC中玻璃纖維的腐蝕情況都比摻粉煤灰GRC中玻璃纖維腐蝕更為嚴(yán)重。SEM觀察進(jìn)一步表明，活性較高的粉煤灰對玻璃纖維腐蝕抑制效果優(yōu)于活性較低的礦渣。

　　3.3濕熱養(yǎng)護(hù)對GRC荷載-撓度曲線的影響

　　聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基材料在彎曲破壞時表現(xiàn)出了良好的韌性特征[14]，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)片材粘貼在混凝土小型空心砌塊墻體表面可使其具有更高的受剪承載力、耗能能力和延性[15]。但是玻璃纖維對水泥砂漿的增韌效果并不顯著，為自然養(yǎng)護(hù)28d和濕熱養(yǎng)護(hù)2d時摻不同摻合料GRC的彎曲荷載-撓度曲線，可見自然養(yǎng)護(hù)28d時，各種GRC的彎曲荷載-撓度曲線下降段均較為平緩，彎曲荷載達(dá)到峰值后隨著撓度的增加緩慢下降，此時玻璃纖維具有一定的增韌作用，GRC表現(xiàn)出韌性破壞。

　　經(jīng)濕熱養(yǎng)護(hù)2d后，無論是否有摻合料，GRC彎曲荷載-撓度曲線達(dá)到彎曲荷載峰值后均迅速下降至試件斷裂，GRC表現(xiàn)為脆性破壞。一方面是由于玻璃纖維表面出現(xiàn)腐蝕缺陷變脆，另一方，面纖維-水泥界面的致密化和纖維絲之間被水化產(chǎn)物填充從而降低了玻璃纖維的柔順性，導(dǎo)致纖維失去彈性而變脆[16，17]。

　　文獻(xiàn)[18]采用薄片巖相(TSP)和掃描電鏡(SEM)觀察25℃下老化10年的GRC樣品發(fā)現(xiàn)水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣在玻璃纖維間和周圍發(fā)生顯著致密化，樣品顯示出韌性的損失，而不是強(qiáng)度損失，與本文試驗結(jié)果相吻合。

　　4結(jié)論

　　(1)GRC抗彎強(qiáng)度是砂漿強(qiáng)度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結(jié)果。濕熱養(yǎng)護(hù)6d之前砂漿強(qiáng)度增長的影響超過了玻璃纖維腐蝕引起不利作用，抗彎強(qiáng)度隨齡期增加而提高，其后當(dāng)玻璃纖維腐蝕非常嚴(yán)重時GRC的抗彎強(qiáng)度開始下降。

　　(2)加速老化試驗條件下，含活性摻合料的GRC中玻璃纖維腐蝕程度顯著低于無摻合料GRC，粉煤灰對玻璃纖維腐蝕抑制效果優(yōu)于礦渣。

　　(3)一方面，活性摻合料抑制玻璃纖維腐蝕，另一方面，含活性摻合料的砂漿強(qiáng)度保持長時間的增長，兩者共同作用的結(jié)果是，在玻璃纖維腐蝕的情況下含活性摻合料GRC強(qiáng)度仍保持增長。

　　(4)加速老化后，由于玻璃纖維的輕微腐蝕會使其呈脆性破壞，纖維間和周圍的水化產(chǎn)物形成又導(dǎo)致其失去增韌作用，GRC在抗彎強(qiáng)度提高的同時韌性下降。因而，用GRC韌性的變化評價GRC的老化比用強(qiáng)度變化來評價更為有效。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]EirasJN,KunduT,BonillaM,etal.Nondestructivemonitoringofageingofalkaliresistantglassfiberreinforcedcement(GRC)[J].JournalofNondestructiveEvaluation,2013,32(3):300-314.