不同品種水泥的光纖導光混凝土抗侵蝕性能

王信剛，王 凱，陳方斌，葉栩娜

(1.南昌大學建筑工程學院，江西南昌330031;2.華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013)

光纖導光混凝土(optical fiber light conductive concrete，OFLCC)是在水泥基體中植入光纖的先進建筑材料，具有透光顯影效果和采光節(jié)能作用［1-3］.Losonczi àron 等［4-5］、王信剛等［6］、Li Yue 等［7］在光纖導光混凝土的設計、制備、性能與微觀結(jié)構(gòu)方面進行了研究.但是，王燕謀等［8］認為高堿性的硅酸鹽水泥對玻璃纖維具有強烈侵蝕作用，曹永康等［9］認為應采用低堿性的快硬硫鋁酸鹽水泥作基體來制備光纖導光混凝土.上述文獻研究中，主要是集中于采用硅酸鹽系列水泥作基體制備光纖導光混凝土進行的性能研究，也有部分采用快硬硫鋁酸鹽水泥作基體的，但缺乏兩者抗侵蝕性能和微觀結(jié)構(gòu)等的對比研究.

本研究分別用普通硅酸鹽(P·O)水泥和快硬硫鋁酸鹽(R·SAC)水泥作基體制備光纖導光混凝土，進行抗硫酸鹽侵蝕和抗堿溶液侵蝕試驗，采用X射線衍射儀和環(huán)境掃描電鏡，研究不同品種水泥制備光纖導光混凝土的抗侵蝕性能及其微觀結(jié)構(gòu).

1 試驗

1.1 原材料

水泥:洋房P·O 42.5 MPa水泥(武漢亞東水泥有限公司)，世利R·SAC 42.5 MPa水泥(河南登電集團水泥有限公司);骨料:贛江河砂，采用震擊式標準振篩機過篩，粒徑為0.15 ～1.18 mm;高性能減水劑:聚羧酸高性能減水劑(南昌科創(chuàng)建材有限公司)，固含量為20%，減水率≥25%;光纖:塑料照明光纖(LD-500型，南京展瑞光電技術(shù)有限公司)，直徑0.5 mm.

1.2 試樣制備

首先借助光纖均布裝置將光纖分別以3 mm×3 mm的間距進行預埋和固定;然后將拌好的自密實水泥砂漿分別澆入預埋光纖的光纖均布裝置中［6，10］;澆注成型，1 d后拆模，浸水養(yǎng)護至齡期28 d;將試塊按順光纖方向切割成40 mm×40 mm×160 mm的試樣.自密實水泥砂漿各成分質(zhì)量見表1，其中，膠砂質(zhì)量比為1 ∶1，水膠質(zhì)量比為0.35 ∶1.

表1 自密實砂漿各成分質(zhì)量 g

1.3 試驗方法

1)抗侵蝕性能試驗.將切割后的試樣分別浸入自然水、質(zhì)量分數(shù)為5%的Na2SO4鹽溶液、質(zhì)量分數(shù)為5%的NaOH堿溶液中繼續(xù)養(yǎng)護130 d.測試在不同溶液中養(yǎng)護后試樣的強度變化，觀察其外觀變化，以評價其抗侵蝕性能.采用電動抗折機(DKZ-5000型，浙江辰鑫機械設備有限公司)測試抗折強度.采用全自動壓力試驗機(YAW-4206型，上海新三思計量儀器制造有限公司)測試抗壓強度.

2)微觀結(jié)構(gòu)試驗.采用X射線衍射儀(RigakuD/Max-B型，日本)分析成分，采用環(huán)境掃描電子顯微鏡(Quanta200F型，美國FEI公司)觀察微觀形貌.

2 結(jié)果與分析

2.1 抗侵蝕性能

2.1.1 強度變化

圖1a和b分別為以P·O和R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土，在自然水、質(zhì)量分數(shù)5%Na2SO4鹽溶液和質(zhì)量分數(shù)5%NaOH堿溶液中養(yǎng)護130 d后的抗折強度、抗壓強度.由圖1可知:當養(yǎng)護齡期為130 d時，以P·O和R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土，在鹽溶液中養(yǎng)護的抗折強度分別為在自然水中養(yǎng)護的131.8%和120.6%，在堿溶液中養(yǎng)護的抗折強度分別為在自然水中養(yǎng)護的98.8%和69.5%;在鹽溶液中養(yǎng)護的抗壓強度分別為在自然水中養(yǎng)護的101.5%和102.4%，在堿溶液中養(yǎng)護的抗壓強度分別為在自然水中的92.9%和71.0%.

圖1 光纖導光混凝土在不同溶液中養(yǎng)護130 d后強度變化

分析可知:與自然水養(yǎng)護相比，兩種水泥制備的光纖導光混凝土在鹽溶液養(yǎng)護的抗折、抗壓強度增大，特別是其抗折強度增長顯著，這與摻入光纖后起到的增韌作用有關(guān);堿溶液養(yǎng)護的抗折、抗壓強度減小，且堿溶液對以R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土的抗折、抗壓強度具有更為明顯的破壞作用.

2.1.2 外觀變化

圖2為不同光纖導光混凝土在不同溶液中養(yǎng)護130 d后外觀變化.圖3為不同光纖導光混凝土試樣在鹽、堿溶液中養(yǎng)護130 d后斷面變化.

圖2 不同混凝土在不同溶液中養(yǎng)護130 d后外觀變化

圖3 不同混凝土試樣在鹽、堿溶液中養(yǎng)護130 d后斷面

由圖2可知:經(jīng)過自然水、鹽溶液和堿溶液養(yǎng)護130 d后，以P·O水泥為基體的光纖導光混凝土，其外觀顏色均呈灰色，且堿溶液養(yǎng)護的有些泛白;以R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土，其外觀顏色均呈黃色，以堿溶液中養(yǎng)護的泛黃現(xiàn)象最為明顯，其次為鹽溶液養(yǎng)護試件.

由圖3可知:在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護130 d后，以P·O水泥為基體的試件，斷面周圍幾乎看不出腐蝕痕跡;以R·SAC水泥為基體的試件，斷面周圍出現(xiàn)了明顯的腐蝕痕跡，且堿溶液的腐蝕程度遠大于鹽溶液的.外觀觀察與強度強化測試的結(jié)果是一致的.

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

2.2.1 XRD

圖4為不同光纖導光混凝土試樣在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護130 d后XRD分析.其中，E為鈣礬石，G為石膏，P為羥鈣石，C為硫鋁酸鈣，A為β-三水鋁石.由圖4可知:兩種水泥為基體的光纖導光混凝土，在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護130 d后，反應產(chǎn)物鈣礬石、石膏、羥鈣石均存在明顯的特征峰，且在RSAC水泥為基體的光纖導光混凝土中還存在β-三水鋁石、硫鋁酸鈣的明顯特征峰.這主要是由于P·O和R·SAC水泥的主要成分不同，導致其水化產(chǎn)物不同;在Na2SO4鹽溶液中，由于SO42-濃度較高，光纖導光混凝土受到硫酸鹽侵蝕，反應生成了部分鈣礬石和石膏［11］;在NaOH堿溶液中，由于OH-濃度較高，光纖導光混凝土受到堿腐蝕，與P·O水泥中鋁酸三鈣反應，生成了部分羥鈣石和易溶的鋁酸鈉［12］.

圖4 不同光纖導光混凝土試樣在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護130 d后XRD分析

2.2.2 ESEM

圖5為兩種水泥為基體的光纖導光混凝土試樣在堿溶液中養(yǎng)護130 d后的光纖與基體間界面的ESEM圖.圖6為兩種水泥為基體的光纖導光混凝土試樣在鹽溶液、堿溶液中養(yǎng)護130 d后水化產(chǎn)物的ESEM圖.

由圖5可知:兩種水泥為基體的光纖導光混凝土試樣，在堿溶液中養(yǎng)護130 d后，其光纖與基體間界面處結(jié)合不夠緊密，均出現(xiàn)比較明顯的縫隙或微缺陷，可能導致光纖導光混凝土的力學性能下降.這與前述的光纖導光混凝土的抗侵蝕性能測試結(jié)果是一致的.

圖6為試樣養(yǎng)護130 d后水化產(chǎn)物ESEM圖.圖6a中存在豐富的團絮狀C-S-H凝膠、柱狀石膏;圖6b中存在大量的等大粒子狀C-S-H凝膠;圖6c中存在針棒狀鈣礬石、柱狀石膏;圖6d中存在六方薄板狀羥鈣石、球狀鋁膠［12］(即 β-三水鋁石)，上述水化產(chǎn)物相互交織，結(jié)合比較致密.

圖5 不同光纖導光混凝土試樣在堿溶液中養(yǎng)護130 d后光纖與基體間界面的ESEM圖

圖6 不同光纖導光混凝土試樣在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護130 d后水化產(chǎn)物的ESEM圖

3 結(jié)論

1)以P·O水泥和R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土，與自然水養(yǎng)護相比，鹽溶液養(yǎng)護的抗折、抗壓強度增大，而堿溶液養(yǎng)護的抗折、抗壓強度減小，且堿溶液養(yǎng)護對R·SAC為基體的光纖導光混凝土的抗折、抗壓強度有更明顯的破壞作用.

2)經(jīng)過自然水、鹽溶液和堿溶液養(yǎng)護130 d后，以P·O水泥為基體的光纖導光混凝土，其外觀顏色均呈灰色，而以R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土，其外觀顏色均呈黃色，以堿溶液養(yǎng)護的泛黃現(xiàn)象最為明顯;以P·O水泥為基體的試件，斷面周圍幾乎看不出腐蝕痕跡，而以R·SAC水泥為基體的試件，斷面周圍出現(xiàn)了明顯腐蝕痕跡，且堿溶液對光纖導光混凝土的腐蝕程度遠大于鹽溶液.

3)堿溶液養(yǎng)護130 d后，光纖導光混凝土中光纖與基體間界面處結(jié)合不夠緊密，均出現(xiàn)比較明顯的縫隙或微缺陷，可能導致光纖導光混凝土的力學性能下降.

4)以P·O水泥和R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土，在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護130 d后，反應產(chǎn)物鈣礬石、石膏、羥鈣石均存在明顯的特征峰，且在R·SAC水泥為基體的光纖導光混凝土中還存在β-三水鋁石、硫鋁酸鈣的明顯特征峰;光纖導光混凝土水化產(chǎn)物中，存在團絮狀C-S-H凝膠、針棒狀鈣礬石、柱狀石膏、六方薄板狀羥鈣石和球狀鋁膠(即 β-三水鋁石)，它們相互交織，結(jié)合比較致密.

References)

［1］Nampoothiri A V V，Jones A M，F(xiàn)ourcade D C，et al.Hollow-core optical fiber gas lasers(HOFGLAS):a review［Invited］［J］.Optical Materials Express，2012，2(7):948-961.

［2］Jennifer F.Incredible new feats of concrete［J/OL］.Business Week Online，2007-11-13:17.

［3］周建軍，楊衛(wèi)國.光纖非線性Schr?dinger方程新的解析解［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2013，34(4):486-491.Zhou Jianjun，Yang Weiguo.New analytic solutions of nonlinear Schr?dinger equation for optic fiber［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2013，34(4):486-491.(in Chinese)

［4］àron Losonczi.Building block comprising light transmitting fibres and a method for producing the same:WO，097954 A1［P］.2003-05-16.

［5］ àron Losonczi，Architec M Sc.LiTraConTMlight-transmitting concrete［EB/OL］.(2010-02-18)［2013-05-08］.http:∥www.litracon.hu/.

［6］王信剛，陳方斌，章未琴，等.發(fā)光透光水泥基材料的力學性能與光學特性［J］.中國礦業(yè)大學學報，2013，42(2):195-199.Wang Xingang，Chen Fangbin，Zhang Weiqin，et al.Mechanical and optical properties of luminescent and transparent cementitious materials［J］.Journal of China University of Mining＆Technology，2013，42(2):195-199.(in Chinese)

［7］Li Yue，Xu Zhiyuan，Gu Zhongwei.Preparation of light transmitting cement-based material with optical fiber embedded by the means of parallel arrange［J］.Advanced Materials Research，2012，391/392:677-682.

［8］王燕謀，蘇慕珍，張 量.硫鋁酸鹽水泥［M］.北京:北京工業(yè)大學出版社，1999.

［9］曹永康，蔡國章.導光混凝土稱呼、譯名及制作工藝［J］.混凝土世界，2010(3):16-18.Cao Yongkang，Cai Guozhang.Appellation，translation and production process of light transmitting concrete［J］.China Concrete，2010(3):16-18.(in Chinese)

［10］陳方斌.發(fā)光透光水泥基材料的制備與性能研究［D］.南昌:南昌大學建筑工程學院，2012.

［11］Al-Amoudi O S B.Attack on plain and blended cements exposed to aggressive sulfate environments［J］.Cement and Concrete Composites，2002，24(3/4):305-316.

［12］吳宗道.硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物—鋁膠［J］.中國建材科技，1995，4(1):7-10.Wu Zongdao.Hydration products of sulphur aluminate cement-aluminum adhesive［J］.China Building Materials Science and Technology，1995，4(1):7-10.(in Chinese)