朱慧峰
(南通市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站海門分站,江蘇南通 226100)
先進(jìn)水泥基復(fù)合材料行為及其性能的研究在土木工程材料領(lǐng)域發(fā)展迅速,其中纖維作為水泥基復(fù)合材料的主要增韌材料,可以依靠其與基體的界面粘結(jié)承擔(dān)荷載,延緩基體中裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展,并吸收水泥基體開裂時釋放的能量,使復(fù)合材料即使在開裂后仍能具有一定的承載能力并繼續(xù)產(chǎn)生較大的塑性變形,從而使復(fù)合材料的韌性性能得到提高,因此纖維與水泥基材的粘結(jié)性能、韌性、裂紋擴(kuò)展情況、能量吸收以及整體生存能力(即發(fā)生大變形時仍具有足夠的殘余強(qiáng)度)等方面的性能是近幾年研究的主要方向[1-3]。目前關(guān)于纖維水泥基材的研究主要集中在以下幾個方面:1)新增強(qiáng)材料的引入[4];2)纖維與水泥基材的粘結(jié)以及粘結(jié)性能的優(yōu)化[5];3)纖維水泥基材模型的發(fā)展,通過建立模型,計算纖維水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性[6];4)制備工藝的創(chuàng)新,提高材料之間的粘結(jié),并降低孔隙率[7]。文獻(xiàn)用到的纖維主要有碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維等。其中PVA纖維由于其親水性,分散性好,與水泥基材的粘結(jié)良好,作為研究的主要方向之一。
本文選取比表面積800 m2/kg的高活性、超細(xì)礦渣粉和比表面積分別為20 000 m2/kg,450 m2/kg的硅灰及普通礦粉。相同摻量取代水泥的10%,制備水泥基復(fù)合材料,比較不同摻合料對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,制備高強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。但是高強(qiáng)水泥基材料常常伴隨著高脆性、摧毀性的破壞,對大型工程而言,水泥基材的韌性顯得尤為重要,韌性表征了水泥基材避免災(zāi)害性脆性破壞的能力。因此本文在制備高強(qiáng)水泥基材的基礎(chǔ)上,摻入不同體積分?jǐn)?shù)的聚乙烯醇纖維,制備出高強(qiáng)、高韌性水泥基薄板。
采用華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的52.5強(qiáng)度等級的硅酸鹽水泥,比表面積為380 m2/kg;江蘇博特聚羧酸高效減水劑PCAⅠ;高活性、超細(xì)礦渣粉比表面積800 m2/kg;硅灰、普通礦粉的比表面積分別為20 000 m2/kg和450 m2/kg。各種摻合料詳細(xì)的化學(xué)組成如表1所示,所用纖維的性能如表2所示。
表1 摻合料的化學(xué)成分 %
表2 PVA纖維性能
對比圖1a)和圖1b),普通礦粉和超細(xì)礦粉的表觀形貌,超細(xì)礦粉的顆粒明顯小于普通礦粉,兩者均是不規(guī)則幾何形狀;圖1c)中10萬倍的放大倍數(shù)下可以清楚的看到,硅灰呈現(xiàn)球形顆粒,是由許多小顆粒通過靜電聚集在一起,這些球形顆粒的表面很光滑而且球體間呈點(diǎn)接觸。
圖1 摻合料的表觀形貌圖
強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計了四組不同配備比的凈漿試樣,其中一組為純水泥漿體的空白對比試樣,其他三組分別用摻10%的硅灰、普通礦粉、超細(xì)礦粉。所有試樣流動度控制在100 mm~110 mm之間。試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,成型24 h之后拆模,在20℃的溫度條件下,相對濕度90%的環(huán)境室中養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期進(jìn)行測試。具體的試驗(yàn)配方見表3;纖維的摻量以體積分?jǐn)?shù)計,砂為通過1.18 mm篩孔的細(xì)砂,薄板的尺寸為280 mm×70 mm× 25 mm,具體配合比見表4。
水泥凈漿各齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度發(fā)展如圖2所示。從圖2中可以看出摻入US試樣各齡期的強(qiáng)度明顯高于OS試樣;OS試樣1 d的增強(qiáng)效果不如空白試樣,3 d以后OS試樣各齡期的強(qiáng)度均高于空白試樣;加入硅灰后的試樣28 d抗壓、抗折強(qiáng)度比未摻硅灰的空白試樣明顯有所提高,但1 d,3 d,7 d強(qiáng)度的測試結(jié)果卻相反,空白試樣的抗壓強(qiáng)度反而比摻硅灰試樣的高出許多。由圖2可知,超細(xì)礦粉可較明顯地提高水泥基材料各齡期力學(xué)性能。
表3 三種摻合料取代水泥的漿體配合比(以重量百分比計)
表4 薄板配合比(以重量百分比計)
圖2 摻合料對水泥基材料力學(xué)性能的影響
超細(xì)礦粉與普通礦粉對水泥基材料影響取決于不同細(xì)度礦粉的火山灰活性以及微集料填充效應(yīng):徐彬和蒲心誠[8]將礦粉中的玻璃相的兩相形式分為連續(xù)相和分散相,認(rèn)為分散相呈球狀或柱狀并均勻分散于連續(xù)相中;連續(xù)相即富鈣相,分散相即富硅相,在超細(xì)礦粉玻璃體中,富鈣相相當(dāng)于膠結(jié)物,維持著整個礦粉玻璃體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。當(dāng)富鈣相在堿性介質(zhì)中與OH-迅速反應(yīng)而溶解后,超細(xì)礦粉玻璃體解體,富硅相逐步暴露于堿性介質(zhì)中,與Ca(OH)2反應(yīng),加速水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程;超細(xì)礦粉顆粒較細(xì),粒徑大部分在5 μm以內(nèi),摻入水泥基材料中可大幅地改善膠凝材料顆粒的填充性,提高其致密度[9]。
硅灰的主要成分是SiO2,絕大部分是無定形氧化硅,鐵、鈣等的氧化物含量隨礦石的成分不同稍有變化。在水泥漿體水化硬化早期,硅灰的火山灰效應(yīng)并不明顯,硅灰的摻入促進(jìn)了Ca(OH)2均相成核結(jié)晶產(chǎn)生大晶體,促進(jìn)了Ca(OH)2的富集[10];在漿體硬化的后期,水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2先溶解在充滿水的孔隙中,相鄰離子的水化產(chǎn)物之間的空間被侵占,使得漿體內(nèi)部的自由空間極小,使得硅灰與Ca(OH)2反應(yīng)生成的C-S-H凝膠沿孔隙生長,堵塞了漿體內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu),降低了孔隙率,對試樣硬化后期的強(qiáng)度提高有非常大的促進(jìn)作用,因而SF10試樣后期的強(qiáng)度高于空白C試樣[11]。
從圖3可知,纖維水泥薄板的載荷—位移曲線可分為三個階段:首先是加載初期,載荷隨位移變化呈線性增長,為彈性階段;當(dāng)載荷接近峰值載荷時,摻纖維的試件載荷變化較為平穩(wěn),基本在峰值載荷附近維持一段時間;然后斜率減小,載荷慢慢降低,表現(xiàn)為明顯的延性破壞階段。從圖3及表5可以看出隨著纖維摻量的增加,平板的抗彎強(qiáng)度和位移變形量明顯增大。表5比較了一定超細(xì)礦粉摻量下的不同纖維摻量之間的強(qiáng)度比較,可以看出摻有纖維的強(qiáng)度有比較明顯的提高,纖維體積分?jǐn)?shù)為1%時,水泥基薄板的強(qiáng)度提高30%以上;摻1.7l%時,薄板強(qiáng)度提高40%甚至50%以上。不摻纖維的水泥基薄板彎曲破壞時峰值載荷和位移均較小,載荷—位移曲線沒有峰后階段,試件在載荷達(dá)到峰值時迅速降低,表現(xiàn)為脆性破壞。
圖3 纖維摻量對水泥基薄板載荷—位移曲線的影響
表5 纖維水泥基薄板載荷增長率
關(guān)于纖維對水泥基復(fù)合材料的影響的理論有四種,包括纖維間距理論和RSFRCC的復(fù)合力學(xué)理論,復(fù)合材料機(jī)理和增韌機(jī)理。參考這四種理論以及結(jié)合PVA纖維具體的情況對PVA纖維對水泥基材的增強(qiáng)、增韌效果,從水泥基材缺陷方面的改善情況以及PVA纖維的方向性、纖維長度及界面粘結(jié)等因素作出以下分析。
首先,當(dāng)纖維的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥基材的彈性模量時,高彈模的PVA纖維分布到水泥基體中,減緩了基體損傷過程,阻止了裂縫的擴(kuò)展,減少了裂縫間的相互連通,從而改變了復(fù)合前水泥基材料脆斷的特性,使基體具有了較大的延性[12];隨著PVA纖維摻量提高,單位體積內(nèi)的PVA纖維數(shù)量較多,從而更好地抑制了裂縫的擴(kuò)展,減少了集中應(yīng)力的出現(xiàn)[13];再者,在水泥基體內(nèi)部存在不同尺度層次的孔隙和缺陷,造成應(yīng)力集中,為了增強(qiáng)水泥基材料的強(qiáng)度就必須減少與縮小裂縫源的尺寸和數(shù)量,緩和應(yīng)力集中程度,提高抑制裂縫延伸與發(fā)展的能力[14],在水泥基體中摻入PVA纖維將發(fā)揮約束裂縫引發(fā)與擴(kuò)展的作用,纖維間距越小,則對緩和裂縫尖應(yīng)力集中程度越大,從而對強(qiáng)度和韌性相應(yīng)提高[15];最后,纖維的引入還可以限制水泥基材的干燥收縮,這個效果也可以阻止微裂紋的擴(kuò)展[16]。
對比不同摻合料水泥基材料的力學(xué)性能,在此基礎(chǔ)上確定制備高強(qiáng)水泥基材的摻合料以及用量;摻入不同體積分?jǐn)?shù)的PVA纖維,通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及應(yīng)力應(yīng)變曲線比較纖維對水泥基復(fù)合材料力學(xué)及韌性的影響,得出的結(jié)論如下:
1)超細(xì)礦粉作為水泥基復(fù)合材料的活性摻合料,可以用來制備高性能的水泥基材料,尤其具有高的早期力學(xué)性能要求的水泥基材料。2)PVA纖維的摻入適當(dāng)提高了試件抗彎或抗壓時的峰值載荷,從四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出:纖維對試件的韌性提高十分明顯,體積摻量1%時,應(yīng)變提高近4倍;體積摻量1.7%時,應(yīng)變提高5位左右。結(jié)合工作性及經(jīng)濟(jì)性的要求,纖維摻量宜在1%左右。
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