碳纖維復(fù)合漿液水化過程微觀結(jié)構(gòu)分析

高書文　　楊　坪，2

(1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海　200092;　2．巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00092)

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·建筑材料及應(yīng)用·

碳纖維復(fù)合漿液水化過程微觀結(jié)構(gòu)分析

高書文1楊坪1，2

(1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092;2．巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

摘要:按一定比例配制了碳纖維復(fù)合漿液，并對不同齡期的結(jié)石體進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，研究了其水化過程微觀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維在漿液中的分布具有隨機(jī)性，隨著齡期增加其水化程度更高、水化產(chǎn)物含量增加。

關(guān)鍵詞:碳纖維，復(fù)合漿液，掃描電鏡，微觀結(jié)構(gòu)

水泥作為注漿材料具有來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于注漿工程中。由于純水泥漿液的初凝時(shí)間較長，且會在注漿過程中因?yàn)槲鏊绊懽{的效果，因此需要配制速凝的水泥漿液從而能夠應(yīng)對更多的工況。添加劑能夠改變漿液的流動性、初凝時(shí)間及其凝結(jié)后的強(qiáng)度，其中鋁酸鈉、硅酸鈉、氯化鈣能夠促進(jìn)漿液的水化從而起到速凝和早強(qiáng)的效果［1］。纖維素則有增稠的作用能夠改變漿液的初始粘度和析水特性，增加漿液的稠度使其流動性降低［2，3］。碳纖維具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高比模和耐腐蝕性能等特點(diǎn)［4］，能夠增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和韌性［5，6］。杜寧等［7］為了比較清水混凝土的耐久性，在清水混凝土中加上不同摻合料進(jìn)行電鏡掃描，研究不同原材料對清水混凝土使用性能的影響。呂鵬等［8］采用掃描電鏡對硅酸鹽水泥的早期水化過程進(jìn)行研究，對其早期水化過程進(jìn)行分析。王剛等［9］在灌漿材料中加入碳纖維對漿液的流動性和結(jié)石體的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明碳纖維對結(jié)石體的強(qiáng)度起到增強(qiáng)的作用。王勝等［10］對密閉條件下的硅酸鹽水泥的凝固特性進(jìn)行研究，研究分析其不同齡期的水化產(chǎn)物。本文基于普通水泥漿液加入添加劑(鋁酸鈉、硅酸鈉、氯化鈣)、纖維素和碳纖維配制碳纖維復(fù)合漿液，碳纖維復(fù)合漿液具有速凝、早強(qiáng)的作用，能夠滿足更多的注漿工程。通過掃描電子顯微鏡，從微觀的角度研究碳纖維在漿液中的分布情況，并研究復(fù)合漿液在水化過程的微結(jié)構(gòu)變化。

1　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料為水泥(海螺牌42．5R)、短切碳纖維(4 mm～6 mm)。通過對比試驗(yàn)的方法研究碳纖維復(fù)合漿液在不同齡期的產(chǎn)物種類及其晶體生長情況，以及碳纖維對漿液加固效果。由于速凝劑、纖維素對水泥基漿液的水化效果有一定的影響，同時(shí)碳纖維對凝結(jié)體有一定的加固效果，因此設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)并配制碳纖維復(fù)合漿液和水泥漿液，具體方案如表1所示。其中添加劑主要成分為鋁酸鈉、硅酸鈉、氯化鈣和纖維素，其配比為鋁酸鈉60%、硅酸鈉20%、氯化鈣6%、纖維素14%，這一配比可以使?jié){液水灰比在0．6～1．2的范圍內(nèi)初凝時(shí)間從幾十秒到幾個(gè)小時(shí)。

表1　漿液配比方案

2　試驗(yàn)步驟

2．1配制漿液

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行漿液的配制，然后等待其初凝后進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)。加入速凝劑的漿液可以在半小時(shí)內(nèi)初凝，而未加入速凝劑的試樣需要1 d～3 d的時(shí)間才能初凝，由于水灰比較大為0．7，在拿放時(shí)需要注意防止對試樣有擾動。

2．2制樣

用美工刀將凝膠體削成長寬高為14 mm，6 mm，5 mm大小的試樣，選樣過程中要在試塊的不同區(qū)位選取多個(gè)樣品，并小心制作。

2．3樣品脫水和干燥

樣品一般采用烘干的方式去水，由于考慮到烘干會對試樣水化產(chǎn)生影響，故對其采用低溫干燥的方法。利用低溫干燥設(shè)備，

2．4掃描電鏡試驗(yàn)

根據(jù)掃描電子顯微鏡的操作步驟進(jìn)行操作，將試樣待觀察面噴金粉，然后放入到儀器樣品臺進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。試驗(yàn)中選取合適的點(diǎn)并放大到一定倍數(shù)，從而獲得需要的電鏡掃描圖片。

3　試驗(yàn)結(jié)果和討論

3．1碳纖維的分布情況

圖1　試驗(yàn)組1-7 d-200倍

圖2　試驗(yàn)組2-7 d-200倍

碳纖維在加入水泥基漿液后進(jìn)行了充分的攪拌，分散在了漿液的各個(gè)部分，其分布具有隨機(jī)性，如圖1和圖2所示，其中碳纖維的長度為4 mm～6 mm。如圖1，圖2所示，兩組圖片都是放大200倍的掃描電鏡圖片，可以看出碳纖維的分布具有隨機(jī)性，每一根碳纖維的朝向都不相同。

3．2碳纖維復(fù)合漿液不同齡期水化產(chǎn)物

漿液在加入速凝劑后能夠快速凝結(jié)，生成微細(xì)針狀鈣礬石和六角板狀晶體氫氧化鈣，這些晶體生長并分布于水泥顆粒間，交叉連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致水泥漿速凝。通過對水化1 d，7 d，14 d，28 d的試樣進(jìn)行電鏡掃描，得到放大3 000倍的掃描電鏡圖片，見圖3～圖6。

圖3　試驗(yàn)組3-1 d-3 000倍

圖4　試驗(yàn)組3-7 d-3 000倍

如圖3所示，加入速凝劑的水泥漿液在1 d的時(shí)候就已經(jīng)有較高的水化程度，形成了少量針狀的鈣礬石、片狀的氫氧化鈣晶體以及C-S-H凝膠體，但其空間結(jié)構(gòu)較為松散。如圖4所示，加入速凝劑的漿液經(jīng)過7 d的水化反應(yīng)較為徹底，C-S-H凝膠體增多且試樣內(nèi)部更加致密，并且可以看到細(xì)針狀的鈣礬石連在微小孔隙之間。當(dāng)水化進(jìn)行14 d的時(shí)候，試樣內(nèi)形成較大的氫氧化鈣晶體，同時(shí)C-S-H凝膠體的增加使得試樣較7 d更加致密。28 d齡期時(shí)，除了較小的氫氧化鈣晶體其他的空間都被C-S-H凝膠占據(jù)，使得混凝土更加密實(shí)。總的來說，隨著齡期的增加，漿液的水化作用越來越充分，從而使混凝土形成了更多的晶體和C-S-H凝膠，最終孔隙被水化產(chǎn)物填充使混凝土的強(qiáng)度不斷提高。

圖5　試驗(yàn)組3-14 d-3 000倍

圖6　試驗(yàn)組3-28 d-3 000倍

4　結(jié)語

1)碳纖維在復(fù)合漿液中的分布具有隨機(jī)性，每一根碳纖維的朝向都不相同。2)加入速凝劑的水泥漿液能夠快速水化形成針狀的鈣礬石、片狀的氫氧化鈣晶體以及C-S-H凝膠體，隨著齡期的增加，漿液的水化作用越來越充分，從而使得混凝土形成了更多的晶體和C-S-H凝膠，最終孔隙被水化產(chǎn)物填充使得混凝土的強(qiáng)度不斷地提高。

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中圖分類號:TU528．58

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0106-02

收稿日期:2016-04-09

作者簡介:高書文(1991-)，男，在讀碩士將樣品內(nèi)的水分升華進(jìn)行干燥，能夠解決烘干過程中的水化作用，同時(shí)也不會因?yàn)槔鋬霎a(chǎn)生的冰晶對樣品的結(jié)構(gòu)造成破壞。待樣品低溫真空干燥后，將其放入到干燥箱內(nèi)，保證樣品處于干燥狀態(tài)。

Analysis of microstructure on carbon fiber composite grouts in process of hydration

Gao Shuwen1Yang Ping1，2
(1．Civil Engineering College of Tongji University，Shanghai 200092，China; 2．Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry Education，Shanghai 200092，China)

Abstract:The paper prepares carbon fiber composite seriflux according to certain ratio，carries out scanning electron microscopy test for the consolidation body with different ages，and studies its hydration process microstructure．The testing results show that:the carbon fiber distribution in the seriflux is random，with the age growing，the hydration degree will be higher and higher，the hydration products content will increase too．

Key words:carbon fiber，composite seriflux，scanning electron microscopy，microstructure