綠色韌性水泥基復合材料碳化性能試驗*

鮑文博，李林鳳，原林杰

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

建筑工程

綠色韌性水泥基復合材料碳化性能試驗*

鮑文博，李林鳳，原林杰

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

為了研究綠色韌性水泥基復合材料(GCC)的耐久性，進行了快速碳化試驗，研究了GCC的抗碳化性能以及水膠比和纖維摻量對抗碳化性能的影響規(guī)律.結(jié)果表明：隨著碳化時間的增加，GCC的碳化深度逐漸增加，但其碳化速率逐漸減小；摻加一定量的纖維可以改善GCC的抗碳化性能，但當纖維摻量超過一定臨界值時，GCC的抗碳化性能反而有所降低；水膠比對于GCC的抗碳化性能有明顯影響，隨著水膠比的增加，GCC材料的抗碳化性能逐漸降低.

尾礦砂；綠色建材；水泥基復合材料；PVA纖維；纖維摻量；水膠比；碳化試驗；碳化深度

綠色韌性水泥基復合材料(green cementitious composite，GCC)是項目組自2010年從節(jié)約資源和提高性能兩個方面探索研發(fā)的新型綠色建筑材料.該材料借鑒美國等發(fā)達國家研發(fā)的超高韌性水泥基復合材料(engineered cementitious composites，ECC)[1-2]制備技術(shù)，且應(yīng)用礦山開采后廢棄的尾礦砂大比例替代ECC中的細骨料，用工業(yè)粉煤灰大比例替代水泥，制備的一種具有環(huán)保特性的韌性建筑材料[3-6].前期研究工作表明，該綠色建筑材料具有良好的抗壓性能和抗拉延性，在拉伸荷載作用下均表現(xiàn)出明顯的假應(yīng)變硬化和多縫開裂特性，其極限拉伸應(yīng)變可達約3%，是一種具有延性變形特征的水泥基復合材料，具有很強的能量吸收能力，可以顯著改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗拉變形能力，因此，具有很廣泛的應(yīng)用前景[7].

同普通混凝土材料一樣，由GCC制備的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其鋼筋銹蝕仍是造成結(jié)構(gòu)耐久性損傷的主要原因之一.因此，許多學者對于普通混凝土和高性能水泥基復合材料開展了抗碳化性能方面的試驗研究[8-9].GCC作為一種新材料，對其耐久性尚不了解.因此，對GCC碳化特性進行研究，為其在結(jié)構(gòu)中的運用提供基本的耐久性參數(shù)，有助于深入地了解該材料的物理、化學等性能，正確評估其工程性能和應(yīng)用范圍.本文通過實驗室快速碳化試驗，對GCC的抗碳化性能進行了研究，討論了水膠比和纖維摻量二元因素對GCC碳化速率的影響，為其工程應(yīng)用提供耐久性能參數(shù).

1 試驗概況

本文采用50%尾礦砂和54%粉煤灰的大比例替代率，考慮纖維體積率和水膠比這兩種因素的影響，對綠色韌性水泥基復合材料GCC開展了碳化試驗研究.本文共設(shè)計9組試驗，其中，PVA纖維分別采用0、1.5%和2.0%三種體積摻量，水膠比采用0.40、0.45和0.50三個配比值，分別用A、B和C表示.試樣編號和試驗基準配合比方案分別如表1、2所示.

表1 試樣編號Tab.1 Sample numbering

表2 基準配合比Tab.2 Basic mix proportion

1.1 試驗材料

試驗用膠凝材料采用標號為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥，細骨料采用粒徑為0.150～0.315 mm的鐵礦尾礦砂和天然砂混合細骨料，纖維采用長度為12 mm的PVA纖維，粉煤灰采用電廠一級粉煤灰，同時添加摻量為1%的高效減水劑和摻量為0.13%的增稠劑等添加劑.PVA纖維的性能指標如表3所示.

表3 PVA纖維性能指標Tab.3 Performance indexes of PVA fiber

1.2 試件制備及養(yǎng)護

試驗依據(jù)《纖維混凝土試驗方法》(CECS 13：2009)[10]、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)[11]和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)有關(guān)規(guī)定和要求進行試件的制作與養(yǎng)護.綠色韌性水泥基復合材料的碳化試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊，3個試件為一組，所有試件都按照優(yōu)化的攪拌制度攪拌，入模后在振動臺上振搗1 min，抹平試模上口表面后蓋上塑料薄膜防止水分揮發(fā).48 h后拆模，置入濕度90%以上、溫度(20±3) ℃的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護.

1.3 試驗方法

本文依據(jù)《纖維混凝土試驗方法》(CECS 13：2009)和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)中相關(guān)規(guī)定進行：試件標準養(yǎng)護28 d后取出，在60 ℃的烘箱中干燥48 h后進行封蠟處理再放入快速碳化箱中進行碳化試驗.碳化箱內(nèi)濕度控制在(70±5)%，溫度控制在(20±2) ℃，二氧化碳濃度控制在(20±3)%.當碳化時間達到3、7、14、28 d時取出試件，將棱柱體試件用劈裂法從一端開始破型.每次切除的厚度為50 mm，切后用石蠟將破型后的試件切斷面封好，再放入箱內(nèi)繼續(xù)碳化，直到下一個周期，隨后用1%的酚酞酒精溶液噴于劈裂面，變色后，從試件表面到變色邊每邊測定10處距離，以其算術(shù)平均值作為碳化深度值.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 綠色韌性水泥基復合材料GCC碳化結(jié)果

綠色韌性水泥基復合材料GCC各碳化齡期的碳化深度結(jié)果如表4所示.

按照快速碳化28 d相當于自然碳化50年的深度預測[12]，由表4可知，綠色韌性水泥基復合材料GCC自然碳化50年時，除了配合比為C-0.0組試件的碳化深度達到了27.5 mm，超過一般鋼筋混凝土構(gòu)件厚度為25 mm的保護層，其他組配合比材料則在結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限內(nèi)不會自然碳化到鋼筋表面.

表4 GCC各碳化齡期的碳化深度Tab.4 Carbonation depth of GCC at each carbonization age mm

2.2 纖維摻量對GCC碳化速率的影響

在同一水膠比、不同纖維摻量條件下，由試驗測得GCC試件的碳化深度隨碳化時間的變化曲線如圖1所示.

圖1 纖維摻量與碳化深度的關(guān)系Fig.1 Relationship between fiber content and carbonation depth

由圖1可見，纖維摻量為0、1.5%、2%時，GCC的碳化深度均隨著碳化時間逐漸上升，但其碳化速率逐漸降低.隨著纖維摻量的增加，GCC材料的抗碳化性能逐漸提高，但纖維摻量增加到一定程度時，GCC材料的抗碳化性能反而有所降低.三種纖維摻量相比較，纖維摻量為1.5%時，GCC材料的抗碳化性能最好；纖維摻量為2%時，GCC材料的抗碳化性能較好.

GCC試樣在試驗中的碳化深度與纖維摻量之所以呈現(xiàn)圖1的變化規(guī)律，主要原因如下：

1) 在碳化初期，影響材料碳化速率的主要原因是CO2向材料內(nèi)擴散的速度.在水泥水化過程中，由于化學收縮、自由水蒸發(fā)等多種原因，在GCC內(nèi)部產(chǎn)生很多大小不同的毛細管、孔隙和氣泡等，大氣中的CO2通過這些孔隙向材料內(nèi)部快速擴散，并溶解于孔隙內(nèi)的液相，在孔隙溶液中與水泥水化過程中產(chǎn)生的可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此在碳化初期，碳化速率最大.隨著碳化進程的持續(xù)，一方面，由于碳化反應(yīng)的主要產(chǎn)物碳酸鈣屬非溶解性鹽，比原反應(yīng)物的體積膨脹，GCC材料中的凝膠孔隙和部分毛細孔隙將被碳化產(chǎn)物堵塞，使GCC材料的密實度和強度有所提高，一定程度上阻礙了CO2向材料內(nèi)部的擴散，使GCC材料的碳化速率減緩；另一方面，GCC材料中摻加了大量的粉煤灰，在碳化的中后期過程中，粉煤灰的二次反應(yīng)開始發(fā)揮作用，粉煤灰中的活性SiO2開始與Ca(OH)2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，水化產(chǎn)物填充原有孔隙，逐步使得材料趨于密實，從而使材料碳化速率減慢.因此，無論何種情況，GCC材料的碳化速率總的趨勢是隨著碳化進程的發(fā)展而減緩.

2) 在GCC材料中摻加一定量的纖維，可以改變水泥基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當纖維分散較好時，可以在水泥基體中形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善水泥基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高材料的抗碳化性能.但隨著纖維摻量增多，纖維分散的均勻性降低，局部出現(xiàn)結(jié)團的機率增加，反而會使水泥基體產(chǎn)生更多細小孔隙，加速材料的碳化進程，減弱材料的抗碳化性能.

2.3 水膠比對GCC碳化速率的影響

在同一纖維摻量、不同水膠比條件下，由試驗測得的GCC試件碳化深度隨碳化時間的變化曲線如圖2所示.

圖2 水膠比與碳化深度的關(guān)系Fig.2 Relationship between water binder ratio and carbonation depth

由圖2可見，水膠比為0.40、0.45、0.50時，GCC的碳化深度均隨著碳化時間的增加而增加，盡管B-2.0組(即水膠比為0.45、纖維摻量為2%的試樣)碳化速率出現(xiàn)了跳躍，但并不影響碳化深度隨碳化時間增加而逐漸上升的趨勢.B-2.0組試樣碳化速率呈現(xiàn)突增，可能是B-2.0組試塊纖維分散不均勻而在水泥基體中產(chǎn)生較多微小孔隙，致使其碳化速率突然加快所致.

隨著水膠比的增加，試樣碳化深度明顯增加，表明GCC材料的抗碳化性能逐漸降低.這一結(jié)果也與其他學者研究水灰比對水泥基復合材料碳化性能的影響結(jié)論一致[13].出現(xiàn)這一變化規(guī)律的原因是因為水膠比是決定GCC材料孔結(jié)構(gòu)與孔隙率的主要因素，其中游離水的多少關(guān)系著孔隙飽和度的大小，而材料碳化反應(yīng)就是發(fā)生在孔隙溶液中，當水膠比增大時，材料的密實性顯著降低，致使GCC材料的碳化深度隨著水膠比增加而增加，減弱了材料的抗碳化性能.

3 結(jié) 論

通過對綠色韌性水泥基復合材料GCC的抗碳化性能試驗，研究了纖維摻量和水膠比二元因素對材料抗碳化性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1) 綠色韌性水泥基復合材料GCC隨著碳化時間的增大，碳化深度逐漸增加，但碳化速率逐漸減小.一般情況下，材料的碳化深度在結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限內(nèi)不會到達鋼筋表面.

2) 摻加一定量的纖維改善了GCC材料的抗碳化性能，但超過一定臨界值時，GCC材料的抗碳化性能反而有所降低.本文中纖維摻量為1.5%時，GCC材料抗碳化性能較好.

3) 水膠比影響水泥基復合材料的抗碳化性能，隨著水膠比的增加，GCC材料的抗碳化性能逐漸降低.

[1] Li V C，Leung C K Y.Steady-state and multiple cracking of short random fiber composites [J].Journal of Engineering Mechanics，1992，118(11)：2246-2264.

[2] Li V C.Advances in ECC research [J].ACI Special Publication on Concrete：Material Science to Applications，2002，206(23)：373-400.

[3] Bao W B，Wang C H，Zhang S F，et al.Experimental study on mechanical properties of PVA fiber reinforced tailings cementitious composites [J].Advanced Materials Research，2012，598：618-621.

[4] 鮑文博，張少峰.混合細骨料水泥基復合材料鐵尾礦砂替代比例的研究 [J].混凝土與水泥制品，2013(6)：81-83.

(BAO Wen-bo，ZHANG Shao-feng.Research on replacement ratio of tailing sand about combined aggregate cementitious composites [J].China Concrete and Cement Products，2013(6)：81-83.)

[5] 黃志強，劉鑫，皮新萌.三點彎曲下PVA-尾礦砂水泥基復合材料斷裂特性 [J].沈陽工業(yè)大學學報，2016，38(4)：450-456.

(HUANG Zhi-qiang，LIU Xin，PI Xin-meng.Fracture characteristics of PVA reinforced tailing sand cementitious composite under three point bending [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(4)：450-456.)

[6] 底高浩.韌性尾礦砂PVA水泥基復合材料力學性能試驗研究 [D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2016.

(DI Gao-hao.Study on the mechanical properties of toughing tailings PVA reinforced cementitious composites [D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2016.)

[7] 鮑文博，李林鳳，底高浩，等.綠色韌性水泥基復合材料力學性能 [J].沈陽工業(yè)大學學報，2016，38(6)：697-702.

(BAO Wen-bo，LI Lin-feng，DI Gao-hao，et al.Mechanical properties of green toughness cementitious composites [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(6)：697-702.)

[8] 徐世烺，蔡新華.超高韌性水泥基復合材料碳化與滲透性能試驗研究 [J].復合材料學報，2010，27(3)：177-183.

(XU Shi-lang，CAI Xin-hua.Experimental studies on permeability and carbonation properties of ultra high toughness cementitious composites [J].Acta Materiae Compositae Sinica，2010，27(3)：177-183.)

[9] 金駿，吳國堅，翁杰，等.水灰比對混凝土氯離子擴散系數(shù)和碳化速率影響的試驗研究 [J].硅酸鹽通報，2011，30(4)：943-949.

(JIN Jun，WU Guo-jian，WENG Jie，et al.Experimental study on influence of cement water patio on coeffi-cient and carbonation rate of concrete [J].Bulletin of the Chinese Ceramic Socitey，2011，30(4)：943-949.)

[10]大連理工大學.CECS 13：2009纖維混凝土試驗方法 [S].北京：中國計劃出版社，2010.

(Dalian University of Technology.CECS 13：2009 Standard test methods for fiber reinforced concrete [S].Beijing：China Planning Press，2010.)

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB/T 50082-2009 Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete [S].Beijing：China Architecture & Building Press，2009.)

[12]蔡新華.超高韌性水泥基復合材料耐久性能試驗研究 [D].大連：大連理工大學，2010.

(CAI Xin-hua.Experimental research on the durable properties of ultra high toughness cementitious composites [D].Dalian：Dalian University of Technology，2010.)

[13]吳國堅，金駿，王傳坤，等.粉煤灰摻量對混凝土氯離子擴散系數(shù)和碳化速率的影響 [J].新型建筑材料，2011，38(8)：8-11.

(WU Guo-jian，JIN Jun，WANG Chuan-kun，et al.Influence of fly ash content on chloride diffusion coefficient and carbonation rate of concrete [J].New Building Materials，2011，38(8)：8-11.)

Experimentoncarbonationpropertiesofgreenductilecementitiouscomposite

BAO Wen-bo, LI Lin-feng, YUAN Lin-jie

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the durability of green ductile cementitious composite (GCC), a quick carbonization test was carried out.The carbonation resistant performance of GCC as well as the influence rule of water binder ratio and fiber content on the carbonation performance were studied.The results show that with increasing the carbonization time, the carbonization depth of GCC gradually increases, but the carbonization rate gradually decreases.The carbonation resistant performance of GCC can be improved by adding a certain amount of fiber.However, the carbonation resistant performance of GCC decreases when the fiber content is more than a critical value.The water binder ratio has significant effect on the carbonation resistant performance of GCC.The carbonation resistant performance of GCC gradually reduces with increasing the water binder ratio.

tailings sand; green building material; cementitious composite; PVA fiber; fiber content; water binder ratio; carbonation test; carbonation depth

2016-10-17.

遼寧省教育廳科學技術(shù)研究計劃項目(LGD2016007).

鮑文博(1958-)，男，遼寧大連人，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)動力學及新型建筑材料等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶12在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2112.016.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2018.01.19

TU 411

A

1000-1646(2018)01-0104-05

鐘 媛 英文審校：尹淑英)