玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的耐久性研究*

李 飛，陳鯉波，馬建寧，曾曉輝,4，王 平，龍作虹，周 昊，李建輝

(1.中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司，南寧 530029；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；3.四川昊龍高科軌道交通新材料科技股份有限公司，成都 610000；4.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410074)

0 引 言

傳統(tǒng)混凝土因其具有便宜的價(jià)格、較高的強(qiáng)度，已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，但其也存在抗拉強(qiáng)度低、易開裂、脆性大等缺點(diǎn)[1]，為克服傳統(tǒng)混凝土的固有缺點(diǎn)而發(fā)展起來的高強(qiáng)高韌性水泥基材料，其極限拉伸應(yīng)變能達(dá)到3%～5%，具有高延展性、高韌性、良好的耐久性等特征[2-3]，擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外學(xué)者對水泥基材料耐久性研究主要集中在單摻增強(qiáng)纖維或改變其具有活性功能礦物填料方面[4-5]。Jiang W G等[6]將加入聚乙烯醇纖維和氧化石墨烯的水泥基材料與不加纖維的水泥基材料進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)摻雜纖維的水泥基材料具有良好的抗凍性能、較大的極限拉伸強(qiáng)度和韌性降低幅度較小等優(yōu)點(diǎn)；朱華軍[7]通過單摻玄武巖纖維，研究了其抗氯離子滲透和抗凍融性能，結(jié)果表明玄武巖纖維在增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性、抗氯離子侵蝕、抗凍融性能等方面均優(yōu)于普通混凝土。劉曙光等[8]通過改變硅粉、粉煤灰摻量，探究了其對聚乙烯醇纖維水泥基材料抗?jié)B性的影響，結(jié)果表明，粉煤灰的過量摻入，減小了聚乙烯醇纖維水泥基材料的抗?jié)B能力，而硅粉能夠減緩水化反應(yīng)，提高了聚乙烯醇纖維水泥基復(fù)合材料的密實(shí)度，從而有助于增強(qiáng)聚乙烯醇纖維水泥基材料的抗?jié)B性。目前水泥基材料主要以單摻增強(qiáng)纖維為主，而單一纖維的摻入對提高水泥基材料的綜合性能有限，往往只能改善某種性能[9-10]。張廣泰等[11]通過對鋼纖維-聚丙烯混雜纖維混凝土的研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維對抵抗高性能混凝土約束收縮裂縫有較好的效果，能夠抑制凍融微裂縫的產(chǎn)生并提高混凝土的含氣量。胡星宇[12]通過對玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維混凝土的性能研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度要高于單摻玄武巖纖維，其韌性也要明顯優(yōu)于單摻纖維。

目前，國內(nèi)外對摻玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的耐久性研究較少，本文選用玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維，輔以一定活性的礦物摻合料，通過實(shí)驗(yàn)對

玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的耐久性展開了相關(guān)研究，主要包括其抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化和抗氯離子滲透性等方面的研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

水泥：P·O42.5R硅酸鹽水泥，成都都江堰市拉法基水泥廠；粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰，四川金堂沃能精細(xì)粉煤灰材料有限公司，其性能指標(biāo)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》( GB/T1596—2017)；硅灰：成都合鋒新材料有限公司，其物化性能指標(biāo)符合《砂漿和混凝土用硅灰》( GB/T 27690—2011)；偏高嶺土：成都復(fù)興建材有限公司，其性能指標(biāo)如表1所示；砂：實(shí)驗(yàn)骨料采用優(yōu)質(zhì)石英砂，粒徑范圍70～140目；聚乙烯醇纖維：中國石化集團(tuán)四川維尼綸廠；玄武巖纖維：四川航天拓鑫集團(tuán)，兩種纖維的性能指標(biāo)如表2所示；減水劑：KS-JS系列高效聚羧酸減水劑，西卡集團(tuán)；實(shí)驗(yàn)用水為自來水，滿足JGJ63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》。

表1 偏高嶺土的化學(xué)組成/%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition ofmetakaolin/wt%

表2 纖維基本指標(biāo)Table 2 Basic index of fiber

1.2 配合比

玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料配合比參考高強(qiáng)高韌水泥基材料制備工藝和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)配合比如表3所示。

表3 玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料配合比Table 3 Mix proportion of basalt PVA hybrid fiber cement-based materials

1.3 耐久性實(shí)驗(yàn)方法

水泥基材料抗凍性采用快速凍融循環(huán)方法,實(shí)驗(yàn)參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T50082—2009)中快速凍融實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行；抗?jié)B性實(shí)驗(yàn)參照《水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(SL352—2006)中相對抗?jié)B性實(shí)驗(yàn)方法執(zhí)行；抗碳化性實(shí)驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T50082—2009)中碳化實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行；氯離子滲透實(shí)驗(yàn)方法采用《普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T50082-2009)中的電通量法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的抗凍性能分析

對比玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料與普通混凝土試件的質(zhì)量損失和相對動彈性模量損失結(jié)果，如圖1所示。

圖1 凍融循環(huán)下試件的質(zhì)量損失和相對動彈性模量損失結(jié)果Fig 1 The results of mass loss and relative dynamic modulus loss of specimens under freeze-thaw cycles

從圖1(a)可以看出，在不到150次凍融循環(huán)中，普通混凝土的質(zhì)量損失接近5%，而玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料在300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失不到1.5%。從圖1(b)可以看出，在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，普通混凝土的動彈性模量降低己經(jīng)超過40%，而玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料經(jīng)過300次凍融循環(huán)后其動彈性模量降低不到15%。在往復(fù)的凍融循環(huán)累積作用下，毛細(xì)孔中的水分轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)體積增長而產(chǎn)生膨脹力，易造成水泥基材料原有微細(xì)裂紋擴(kuò)張或直接產(chǎn)生開裂。向其中摻入一定量的混雜纖維后，膨脹力可由毛細(xì)孔附近的玄武巖和聚乙烯醇混雜纖維受拉抵消，能對基體起到良好的約束作用，從而比普通混凝土有更好的抗凍能力，玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的相對動彈性模量和質(zhì)量損失遠(yuǎn)小于普通混凝土。

2.2 玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的抗?jié)B性能分析

普通混凝土和玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的滲透性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4和圖2所示。

從表4和圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)齡期為28 d時(shí)，普通混凝土的滲透系數(shù)為8.86×10-10cm/s，而玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的滲透系數(shù)為4.69×10-10cm/s，混雜纖維水泥基材料是普通混凝土的53%；在實(shí)驗(yàn)齡期為56 d時(shí)，混雜纖維水泥基材料和普通混凝土滲透系數(shù)同時(shí)下降，此時(shí)，混雜纖維水泥基材料滲透系數(shù)為1.99×10-10cm/s，普通混凝土滲透系數(shù)為7.55×10-10cm/s，混雜纖維水泥基材料滲透系數(shù)僅為普通同強(qiáng)度等級混凝土的26%，可知普通混凝土的抗?jié)B能力遠(yuǎn)弱于水泥基材料。主要原因是混雜纖維水泥基材料全部采用細(xì)集料構(gòu)成，并且摻入了活性礦物摻和料，其內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)后，生產(chǎn)的水化產(chǎn)物和細(xì)集料能夠填充生成的孔隙，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)性，減小孔隙率，從而提高混雜纖維水泥基材料的抗?jié)B性。而玄武巖聚乙烯醇混雜纖維摻入到水泥基材料中，混雜纖維橫跨裂縫受拉，能有效抑制擴(kuò)展水泥基材料在凝結(jié)塑化和硬化過程中產(chǎn)生的微裂縫，從而有效提高混雜纖維水泥基材料的抗?jié)B性能。

表4 普通混凝土和玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料抗?jié)B透實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Permeability test results of ordinary concrete and basalt PVA hybrid fiber cement-based materials

圖2 隨齡期變化普通混凝土和混雜纖維水泥基材料的滲透系數(shù)測試結(jié)果Fig 2 The test results of permeability coefficient of ordinary concrete and hybrid fiber cement-based materials with age change

2.3 玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的抗碳化性能分析

圖3為玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料和普通混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的關(guān)系。從圖3可以看出，在實(shí)驗(yàn)前期，普通混凝土在的碳化速率要低于混雜纖維水泥基材料，但之后混雜纖維水泥基材料碳化速度逐漸降低，56 d時(shí)混雜纖維水泥基材料碳化深度為14.9 mm，已經(jīng)低于普通混凝土的碳化深度(16.4 mm)，混雜纖維水泥基材料的碳化深度為普通C40混凝土的90%。主要是因?yàn)椋阂环矫妫瑹o粗骨料，碳化擴(kuò)散過程幾乎無阻礙因素，較容易進(jìn)行；另一方面，由于混雜纖維水泥基材料中摻入了粉煤灰等活性混合礦物摻和料，隨著齡期增長，粉煤灰的火山灰效應(yīng)開始發(fā)揮作用，粉煤灰中的活性SiO2開始與Ca(OH)2生成水化硅酸鈣填充原有孔隙，逐步使其趨于密實(shí)，從而減緩碳化速率。

圖3 混雜纖維水泥基材料與普通混凝土隨碳化時(shí)間變化的碳化深度測試結(jié)果Fig 3 The test results of carbonation depth of hybrid fiber cement-based materials and ordinary concrete with carbonation time

2.4 玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性能分析

鋼筋腐蝕是引起傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)破壞和降低耐久性的一個(gè)重要原因，而氯離子滲透侵入是引起鋼筋腐蝕的首要原因。玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料雖然本身不含鋼纖維，但是在應(yīng)用時(shí)有可能與鋼材混合使用，因此開展了玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料抗氯離子滲透性能研究。氯離子滲透性能電通量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 隨齡期變化混雜纖維水泥基材料與普通混凝土的氯離子滲透性能電通量測試結(jié)果Fig 4 The electric flux test results of chloride ion permeability of hybrid fiber cement-based materials and ordinary concrete with age change

從圖4可以看出，28 d齡期時(shí)，混雜纖維水泥基材料的電通量為普通混凝土電通量的65%，56 d齡期時(shí)，混雜纖維水泥基材料的電通量為普通混凝土電通量的49%。混雜纖維水泥基材料的電通量在28和56 d齡期時(shí)的電通量均小于普通混凝土，說明混雜纖維水泥基材料的抗氯離子性能強(qiáng)于普通混凝土。而隨著齡期的增加，兩組材料的抗氯離子滲透性能都在增強(qiáng)，普通混凝土的電通量降低了約25%，混雜纖維水泥基材料則降低了約45%，說明隨齡期增加，混雜纖維水泥基材料抗氯離子性能增強(qiáng)得更快。隨著齡期的增加，混雜纖維水泥基材料內(nèi)部的粉煤灰、硅灰的火山灰活性效應(yīng)逐漸體現(xiàn)，生成了強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更好的低堿度水化硅酸鈣凝膠，有效堵塞空隙和毛細(xì)管道，硅灰的高細(xì)度、高SiO2含量以及高度的無定形性也能起到良好的填充性，同時(shí)，硅灰大大降低了混雜纖維水泥基材料內(nèi)部的Ca(OH)2含量，形成無定形的致密的C-S-H相，有效降低孔隙率，提高其抗氯離子滲透性能。

3 結(jié) 論

(1)在不到150次凍融循環(huán)中，普通混凝土的質(zhì)量損失接近5%，而玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料在300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失不到1.5%；在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，普通混凝土的動彈性模量降低己經(jīng)超過40%，而玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料經(jīng)過300次凍融循環(huán)后其動彈性模量降低不到15%，玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料抗凍性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

(2)玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料齡期為28和56 d時(shí)的滲透系數(shù)分別為4.69×10-10和1.99×10-10cm/s，為普通同強(qiáng)度等級混凝土的53%和26%，可知混雜纖維水泥基材料具有較強(qiáng)的抗?jié)B透能力，抗?jié)B性隨著齡期增長逐漸增強(qiáng)。

(3)碳化時(shí)間28 d以前，玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的碳化深度要高于普通混凝土，隨著碳化時(shí)間增長，混雜纖維水泥基材料的碳化速率逐漸降低；碳化時(shí)間為56 d時(shí)，混雜纖維水泥基材料的碳化深度為普通C40混凝土的90%。

(4)28和56 d齡期時(shí)，玄武巖-聚乙烯醇混雜纖維水泥基材料的電通量分別為普通混凝土電通量的65%和49%，混雜纖維水泥基材料的抗氯離子性能明顯高于普通混凝土。