不同品種水泥的光纖導(dǎo)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(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌330031;2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

光纖導(dǎo)光混凝土(optical fiber light conductive concrete，OFLCC)是在水泥基體中植入光纖的先進(jìn)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(dǎo)光混凝土的設(shè)計(jì)、制備、性能與微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了研究.但是，王燕謀等［8］認(rèn)為高堿性的硅酸鹽水泥對(duì)玻璃纖維具有強(qiáng)烈侵蝕作用，曹永康等［9］認(rèn)為應(yīng)采用低堿性的快硬硫鋁酸鹽水泥作基體來(lái)制備光纖導(dǎo)光混凝土.上述文獻(xiàn)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(dǎo)光混凝土進(jìn)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(duì)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(dǎo)光混凝土，進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕和抗堿溶液侵蝕試驗(yàn)，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(dǎo)光混凝土的抗侵蝕性能及其微觀結(jié)構(gòu).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:洋房P·O 42.5 MPa水泥(武漢亞?wèn)|水泥有限公司)，世利R·SAC 42.5 MPa水泥(河南登電集團(tuán)水泥有限公司);骨料:贛江河砂，采用震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)過(guò)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(jìn)行預(yù)埋和固定;然后將拌好的自密實(shí)水泥砂漿分別澆入預(yù)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(hù)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(shí)水泥砂漿各成分質(zhì)量見(jiàn)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(shí)砂漿各成分質(zhì)量 g

1.3 試驗(yàn)方法

1)抗侵蝕性能試驗(yàn).將切割后的試樣分別浸入自然水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Na2SO4鹽溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH堿溶液中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)130 d.測(cè)試在不同溶液中養(yǎng)護(hù)后試樣的強(qiáng)度變化，觀察其外觀變化，以評(píng)價(jià)其抗侵蝕性能.采用電動(dòng)抗折機(jī)(DKZ-5000型，浙江辰鑫機(jī)械設(shè)備有限公司)測(cè)試抗折強(qiáng)度.采用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(YAW-4206型，上海新三思計(jì)量?jī)x器制造有限公司)測(cè)試抗壓強(qiáng)度.

2)微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn).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(guó)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(qiáng)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(dǎo)光混凝土，在自然水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%Na2SO4鹽溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaOH堿溶液中養(yǎng)護(hù)130 d后的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度.由圖1可知:當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為130 d時(shí)，以P·O和R·SAC水泥為基體的光纖導(dǎo)光混凝土，在鹽溶液中養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度分別為在自然水中養(yǎng)護(hù)的131.8%和120.6%，在堿溶液中養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度分別為在自然水中養(yǎng)護(hù)的98.8%和69.5%;在鹽溶液中養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度分別為在自然水中養(yǎng)護(hù)的101.5%和102.4%，在堿溶液中養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度分別為在自然水中的92.9%和71.0%.

圖1 光纖導(dǎo)光混凝土在不同溶液中養(yǎng)護(hù)130 d后強(qiáng)度變化

分析可知:與自然水養(yǎng)護(hù)相比，兩種水泥制備的光纖導(dǎo)光混凝土在鹽溶液養(yǎng)護(hù)的抗折、抗壓強(qiáng)度增大，特別是其抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)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(hù)的抗折、抗壓強(qiáng)度減小，且堿溶液對(duì)以R·SAC水泥為基體的光纖導(dǎo)光混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)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(dǎo)光混凝土在不同溶液中養(yǎng)護(hù)130 d后外觀變化.圖3為不同光纖導(dǎo)光混凝土試樣在鹽、堿溶液中養(yǎng)護(hù)130 d后斷面變化.

圖2 不同混凝土在不同溶液中養(yǎng)護(hù)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(hù)130 d后斷面

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

由圖3可知:在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護(hù)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(yuǎn)大于鹽溶液的.外觀觀察與強(qiáng)度強(qiáng)化測(cè)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(dǎo)光混凝土試樣在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護(hù)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(dǎo)光混凝土，在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護(hù)130 d后，反應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)光混凝土受到硫酸鹽侵蝕，反應(yīng)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(dǎo)光混凝土受到堿腐蝕，與P·O水泥中鋁酸三鈣反應(yīng)，生成了部分羥鈣石和易溶的鋁酸鈉［12］.

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

2.2.2 ESEM

圖5為兩種水泥為基體的光纖導(dǎo)光混凝土試樣在堿溶液中養(yǎng)護(hù)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(dǎo)光混凝土試樣在鹽溶液、堿溶液中養(yǎng)護(hù)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(dǎo)光混凝土試樣，在堿溶液中養(yǎng)護(hù)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(dǎo)致光纖導(dǎo)光混凝土的力學(xué)性能下降.這與前述的光纖導(dǎo)光混凝土的抗侵蝕性能測(cè)試結(jié)果是一致的.

圖6為試樣養(yǎng)護(hù)130 d后水化產(chǎn)物ESEM圖.圖6a中存在豐富的團(tuán)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(dǎo)光混凝土試樣在堿溶液中養(yǎng)護(hù)130 d后光纖與基體間界面的ESEM圖

圖6 不同光纖導(dǎo)光混凝土試樣在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護(hù)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(dǎo)光混凝土，與自然水養(yǎng)護(hù)相比，鹽溶液養(yǎng)護(hù)的抗折、抗壓強(qiáng)度增大，而堿溶液養(yǎng)護(hù)的抗折、抗壓強(qiáng)度減小，且堿溶液養(yǎng)護(hù)對(duì)R·SAC為基體的光纖導(dǎo)光混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度有更明顯的破壞作用.

2)經(jīng)過(guò)自然水、鹽溶液和堿溶液養(yǎng)護(hù)130 d后，以P·O水泥為基體的光纖導(dǎo)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(dǎo)光混凝土，其外觀顏色均呈黃色，以堿溶液養(yǎng)護(hù)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(duì)光纖導(dǎo)光混凝土的腐蝕程度遠(yuǎn)大于鹽溶液.

3)堿溶液養(yǎng)護(hù)130 d后，光纖導(dǎo)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(dǎo)致光纖導(dǎo)光混凝土的力學(xué)性能下降.

4)以P·O水泥和R·SAC水泥為基體的光纖導(dǎo)光混凝土，在鹽溶液和堿溶液中養(yǎng)護(hù)130 d后，反應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)光混凝土水化產(chǎn)物中，存在團(tuán)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.

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