玄武巖織物增強堿激發(fā)砂漿高溫后抗彎力學(xué)性能

朱德舉 彭卓 任京華 史才軍 郭帥成

摘? ?要：對高溫處理后的玄武巖織物增強堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件進行了三點彎曲試驗，并探討了環(huán)氧涂層、基體類型、織物層數(shù)對玄武巖織物增強試件耐高溫性能的影響. 試驗結(jié)果表明：隨著溫度升高，由于基體和玄武巖纖維的劣化，玄武巖織物增強堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件抗彎承載力近乎呈線性下降，并且破壞模式由多重開裂轉(zhuǎn)變?yōu)閱我涣芽p破壞;經(jīng)800 ℃高溫處理1 h后，試件的殘留抗彎強度僅為1.67 MPa. 改性環(huán)氧樹脂浸漬在600 ℃以下對抗彎強度有增強作用，超過600 ℃時，隨著環(huán)氧樹脂的揮發(fā)和界面黏結(jié)性能下降，環(huán)氧浸漬試件的抗彎強度會大幅下降. 相比玄武巖織物增強硅酸鹽水泥砂漿試件，堿激發(fā)砂漿試件表現(xiàn)出更好的耐高溫性能，在400 ℃及以上高溫情況下，抗彎強度的降幅更小. 織物層數(shù)在一定程度上能提高試件高溫后的力學(xué)性能，但提高作用隨溫度升高逐漸減弱，當(dāng)溫度到600 ℃時，增加織物層數(shù)對涂覆處理后試件的抗彎承載力幾乎沒有影響.

關(guān)鍵詞：玄武巖織物;堿激發(fā);高溫;力學(xué)性能;表面涂層

中圖分類號：TB332? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

Flexural Behavior of Basalt Textile Reinforced Alkali-activated

Mortar after Exposure to Elevated Temperatures

ZHU Deju1，2，3?，PENG Zhuo1，2，REN Jinghua1，2，SHI Caijun1，2，GUO Shuaicheng1，2

（1. Key Laboratory for Green & Advanced Civil Engineering Materials and Application

Technology （Hunan University） of Hunan Province，Changsha? 410082，China;

2. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

3. Shandong Tianyi High Technology Co，Ltd，Jining? 272000，China）

Abstract：This study conducted the three-point bending tests to examine the flexural performance of the basalt textile reinforced alkali-activated slag-fly ash mortar after elevated temperature exposure. The influence of surface coating with the epoxy resin， number of textile layers and matrix type on the high-temperature resistance of basalt textile reinforced mortar specimens was also investigated. The experimental results indicated that the flexural strength of basalt textile reinforced alkali-activated slag-fly ash mortar specimens decreased almost linearly with the increase of temperature due to the deterioration of the matrix and basalt textile. And the failure morphology was also transformed from multiple-cracking mode to single-cracking mode. After heat exposure at 800 ℃ for 1h， the remained flexural strength of the specimens was only 1.67 MPa. Surface coating with epoxy resin enhanced the flexural strength under the exposure temperature below 600 ℃. Due to the decomposition of epoxy resin and the deterioration of the bond between fiber and matrix， significant strength loss can be observed when the exposure temperature was higher than 600 ℃. Compared with the basalt textile reinforced Portland cement mortar specimens， the alkali-activated mortar specimens owned better high-temperature resistance， and less strength loss under the exposure temperature above 400 ℃. An increase in the number of textile layers can enhance the mechanical properties of specimens after exposure to elevated temperatures to a certain extent， but the enhancement gradually weakened with the increase of temperature. And the improvement to the flexural bearing capacity became insignificant for the epoxy coated specimen after the exposure temperature reached 600 ℃.

Key words：basalt textile;alkali-activated material;elevated temperature;mechanical performance;surface coating

堿激發(fā)膠凝材料是指使用激發(fā)劑（苛性堿、堿性鹽）活化鋁硅酸鹽摻合料（?；郀t礦渣、粉煤灰、偏高嶺土等）得到的膠凝材料[1]. 使用堿激發(fā)膠凝材料代替硅酸鹽水泥可以有效降低能耗和碳排放，實現(xiàn)對工業(yè)廢渣的有效利用，堿激發(fā)材料具有更優(yōu)異的抗酸腐蝕、硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透侵蝕能力[2-5]. 與硅酸鹽水泥基材料類似，堿激發(fā)材料同樣具有較低的抗彎/抗拉強度和較差的抗裂性. 織物增強可以有效提升水泥基材料的抗裂性和力學(xué)性能[6-8].? 織物增強水泥基復(fù)合材料（Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，F(xiàn)RCM;或稱為Textile Reinforced Mortar，TRM）具有輕質(zhì)高強的特點[9-10]，已被應(yīng)用于薄壁構(gòu)件以及既有結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)等[11-12].目前，針對織物增強堿激發(fā)材料的研究相對較少，特別是在其耐高溫性能方面. TRM保護層厚度較薄，在高溫條件下，基體對纖維的保護作用較為薄弱[13-14]，作為一種應(yīng)用前景廣闊的新型復(fù)合材料，織物增強堿激發(fā)材料的高溫力學(xué)性能研究具有重要意義.

文獻[15]通過拔出試驗系統(tǒng)地研究了100 ℃、150 ℃、200 ℃、400 ℃及600 ℃高溫處理后TRM薄板中碳纖維束與硅酸鹽水泥基體之間的界面黏結(jié)性能，結(jié)果表明，在150 ℃溫度作用下，可以觀察到涂覆聚合物的碳纖維與基體之間存在聚合物互鎖機制，這一機制會顯著增大最大拔出力. Xu等[16]通過三點彎曲試驗對碳-?；炀幙椢镌鰪姽杷猁}水泥薄板試件的高溫力學(xué)性能進行了研究，結(jié)果表明，纖維表面的環(huán)氧樹脂涂層在200 ℃高溫下作用90 min后會發(fā)生嚴重劣化，造成纖維網(wǎng)與基體之間的界面黏結(jié)破壞和構(gòu)件承載力的大幅下降. Rambo等[17]研究了高溫對聚合物涂層玄武巖織物增強高鋁水泥力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，由于涂層的高溫分解、玄武巖纖維的劣化以及基體的干燥開裂，導(dǎo)致當(dāng)溫度超過400 ℃時復(fù)合材料的承載力急劇下降.

本文研究了高溫對玄武巖織物增強堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件抗彎力學(xué)性能的影響，同時分析了環(huán)氧樹脂涂層對堿激發(fā)基體-玄武巖織物性能的影響，并進一步分析了織物層數(shù)、基體類型對涂覆處理后的織物增強試件抗彎力學(xué)性能的影響.

1? ?試驗測試

1.1? ?試件制備

本試驗選用的材料：P·I 42.5型硅酸鹽水泥;礦渣，密度2.9 g/cm3，比表面積446 m2/kg;粉煤灰，密度2.3 g/cm3，比表面積290 m2/kg，通過X射線熒光光譜分析（XRF）測定礦渣、粉煤灰化學(xué)組成如表1所示;99%純度的NaOH粉末;硅酸鈉溶液，質(zhì)量組成為9.5%Na2O、28.5%SiO2、62%H2O;水，自來水;砂的粒徑分別為0～0.6 mm和0.6～1.2 mm. 玄武巖纖維織物由江蘇康達夫新材料科技有限公司生產(chǎn)，采用經(jīng)緯編織方式，網(wǎng)格尺寸5 mm×5 mm，如圖1所示（采用經(jīng)向測試）. 環(huán)氧樹脂膠（EP）為湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司研發(fā)的JN-C3P改性環(huán)氧膠黏劑. 根據(jù)《碳纖維復(fù)絲拉伸試驗方法》（GB/T 3362—2005）測得經(jīng)向纖維束的力學(xué)參數(shù)如表2所示.

制備了工作性能和力學(xué)性能均較好滿足織物增強基體要求的堿激發(fā)砂漿，配合比見表3. 堿激發(fā)砂漿的高溫抗折性能如圖2所示. 為提高玄武巖織物耐堿性和織物與基體的黏結(jié)強度，制備試件前先用環(huán)氧樹脂對玄武巖織物浸漬. 試件采用了鋪網(wǎng)-注漿法制備，其中試件分為2層織物增強和4層織物增強兩組. 如圖3（a）所示，首先將織物布置在模具（590 mm×270 mm）內(nèi)，2層和4層織物的間距分別為5 mm和3 mm，并且每層織物的經(jīng)向纖維束保持對齊. 由圖3（b）可知，攪拌后的水泥砂漿基體具有良好的流動性，可以透過織物，并且沒有分層離析;由圖3（c）可知，澆筑成型的TRM板表面平整、無明顯泌水現(xiàn)象. 最后，將澆筑完成的試件輕微振搗，抹平，室溫養(yǎng)護24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室（溫度（20±2） ℃，濕度不低于95%）繼續(xù)養(yǎng)護28 d. 將養(yǎng)護完成后的薄板切割成230 mm（長）×30 mm（寬）×15 mm（厚）的待測試樣. 由圖3（d）可知，試件切面無明顯空洞和破壞情況，基體與纖維編織網(wǎng)的黏結(jié)界面較為密實.

1.2? ?測試儀器與方法

試件的高溫處理采用馬弗爐（型號SX-5-12），從室溫24 ℃開始，以10 ℃/min的升溫速率分別加熱至200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃，恒溫60 min，然后關(guān)閉馬弗爐，待全部試件自然冷后再進行加載試驗.

三點彎曲試驗采用MTS萬能試驗機（型號C43.304），如圖4所示，試驗加載過程中采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min，跨距為150 mm. 采用引伸計測量試樣的跨中位移，每組試驗測試3個試件. 本試驗中試件的編號規(guī)則如下：第1項為基體類型，A代表堿激發(fā)水泥砂漿，P代表硅酸鹽水泥砂漿;第2項為織物層數(shù)L;第3項為環(huán)氧樹脂處理，EP表示織物經(jīng)環(huán)氧浸漬處理，未處理則省去該項;第4項為高溫處理溫度T，例如AL4EPT200℃表示經(jīng)200 ℃高溫處理的環(huán)氧浸漬4層玄武巖織物增強堿激發(fā)砂漿試件.

2? ?結(jié)果與討論

2.1? ?環(huán)氧樹脂對高溫后抗彎力學(xué)性能的影響

4層玄武巖織物增強堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件高溫處理后的彎曲性能如圖5所示，其中圖5（a）和（b）分別表示無環(huán)氧樹脂浸漬和有環(huán)氧樹脂浸漬的試件. 試件的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為3個階段，第1階段即線性階段，此階段砂漿基體未開裂，基體和織物共同承受荷載. 第2階段即非線性階段，砂漿基體初次開裂后，織物纖維開始承擔(dān)受拉區(qū)的荷載. 第3階段即破壞階段，受拉區(qū)的織物逐步斷裂. 圖6為堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿基體中有無環(huán)氧樹脂浸漬的玄武巖纖維形態(tài)圖.

基于高溫處理后彎曲試驗獲得的力學(xué)性能參數(shù)如表4所示，包括開裂應(yīng)力、開裂應(yīng)變、抗彎強度和峰值應(yīng)變. 隨著溫度升高，AL4試件的抗彎強度呈下降趨勢，其抗彎強度在200 ℃，400 ℃，600 ℃和800 ℃條件下分別降至室溫下的81.40%、55.73%、39.29%和11.25%. 由圖6（a）可知，堿激發(fā)基體會隨著溫度升高出現(xiàn)剝落，至800 ℃時基體稀疏多孔并且細骨料顆粒暴露. 玄武巖纖維束會隨著溫度升高變得松散，至800 ℃時容易發(fā)生脆性斷裂. 由于基體和纖維性能嚴重劣化，致使經(jīng)800 ℃高溫處理1 h時試件出現(xiàn)單一裂縫破壞并且基本喪失了承載力.

浸漬環(huán)氧樹脂可以增強纖維束的整體性，增加其協(xié)調(diào)受力能力，從而提高試件的抗彎承載力. 由表4可知，常溫下AL4EP試件的抗彎強度相對于AL4試件提高了20.49%. AL4EP試件的抗彎強度同樣會隨著溫度升高而下降，其抗彎強度在200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃條件下分別降至室溫下的79.31%、55.93%、17.84%和5.82%. 與AL4試件比較，在T<600 ℃時，AL4EP試件的抗彎強度高于AL4試件的抗彎強度;當(dāng)T≥600 ℃，AL4EP試件的抗彎強度開始低于AL4試件的抗彎強度. 隨溫度升高，AL4EP試件的峰值應(yīng)變與AL4試件的變化趨勢不同，呈增大趨勢，至600 ℃達到最大;800 ℃時處理后試件的抗彎強度和峰值應(yīng)變都近乎為0.

環(huán)氧樹脂浸漬的玄武巖織物形態(tài)如圖6（b）所示，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂涂層會隨著溫度升高逐漸分解，在溫度達到600 ℃時完全揮發(fā)，導(dǎo)致纖維松散不成束. 這一結(jié)果同上述AL4EP試件抗彎性能測試結(jié)果一致，在溫度達到600 ℃時由于環(huán)氧樹脂完全分解破壞了玄武巖纖維與基體的黏結(jié)，導(dǎo)致承載力出現(xiàn)大幅下降，開始低于AL4試件的強度. 由于環(huán)氧樹脂的逐步分解，界面黏結(jié)力隨著溫度的升高逐步變差，纖維與基體在受力時的相對滑移逐漸增大，因此在600 ℃溫度范圍內(nèi)AL4EP試件的峰值應(yīng)變呈增大趨勢. 同時溫度升高會導(dǎo)致環(huán)氧樹脂浸漬纖維表面顏色改變，在200 ℃時由乳藍色變成透明的藍色，而400 ℃時涂覆環(huán)氧樹脂的纖維表面呈紅褐色.

圖7為4層玄武巖織物增強堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件的破壞形態(tài). 在彎曲荷載作用下，有無環(huán)氧樹脂浸漬的TRM試件都表現(xiàn)出多裂縫擴展的特征. 隨著溫度升高，AL4和AL4EP試件的裂縫數(shù)目均會減少. 到800 ℃時，由于纖維束和基體黏結(jié)力的喪失，TRM試件呈現(xiàn)單一裂縫破壞特征，且隨著溫度升高，AL4EP試件的主裂縫寬度逐漸變大，并且裂縫間距增加，這一現(xiàn)象與界面黏結(jié)性能下降、相對滑移增大相符.

2.2? ?基體類型對高溫后抗彎力學(xué)性能的影響

圖8（a）和（b）分別為2層環(huán)氧樹脂浸漬玄武巖織物增強硅酸鹽水泥砂漿和堿激發(fā)砂漿試件高溫后的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線. 由2.1節(jié)可知800 ℃高溫時試件承載力已基本喪失，因而后續(xù)研究中最高溫度限定為600 ℃. 表5匯總了彎曲荷載作用下試樣的力學(xué)性能參數(shù).

由表5可知，溫度分別升高至200 ℃，400 ℃和600 ℃時，PL2EP試件的抗彎強度分別降至室溫下的83.90%、59.17%和12.80%，而AL2EP試件抗彎強度分別降至室溫下的87.19%、77.53%和33.18%. 這表明堿激發(fā)基織物增強材料的耐高溫性能優(yōu)于硅酸鹽水泥基織物增強材料. 高溫處理后AL2EP和PL2EP的破壞形態(tài)如圖9所示，結(jié)果表明，高溫會導(dǎo)致水泥基體的開裂和表面剝落，造成力學(xué)性能劣化，出現(xiàn)如圖9（e）所示的縱向裂縫. 硅酸鹽水泥基體的開裂會降低其對玄武巖織物的保護效果，在600 ℃高溫作用后，由于織物的劣化造成試件抗彎強度顯著降低. 而堿激發(fā)砂漿具有良好的耐高溫性能，高溫處理后試件完整性保持較好，均沒有出現(xiàn)界面剝離現(xiàn)象，如圖9（b）（d）（f）所示. 堿激發(fā)基體可以提升高溫時對玄武巖織物的保護，使其600 ℃高溫處理后殘余抗彎強度依然高于原始強度的30%.

2.3? ?織物層數(shù)對高溫后抗彎力學(xué)性能的影響

由圖7和圖9可知，織物層數(shù)會影響試件的抗彎破壞形態(tài). 在400 ℃高溫處理后，4層織物增強試件依然保持多重開裂的破壞模式，而2層織物增強試件呈現(xiàn)單一裂縫破壞特征;并且4層織物試件的極限應(yīng)變要高于2層織物試件，原因在于2層織物對基體加固效果不足，受彎加載時出現(xiàn)脆性斷裂的特征. 比較表4和表5可知，常溫下，AL4EP試件的抗彎強度比AL2EP試件高9.29 MPa;經(jīng)高溫處理后，在溫度分別為200 ℃、400 ℃和600 ℃時，AL4EP試件的抗彎強度比AL2EP試件的抗彎強度分別高6.69 MPa、3.34 MPa和0.34 MPa. 隨溫度升高，增加織物層數(shù)對試件的抗彎強度的增強作用逐漸下降，主要原因是纖維束力學(xué)性能退化和環(huán)氧樹脂的揮發(fā)導(dǎo)致纖維束-基體黏結(jié)強度劣化，在600 ℃高溫情況下，增加層數(shù)對抗彎強度的影響基本可以忽略不計.

3? ?結(jié)? ?論

通過本文的試驗研究可以得到以下結(jié)論：

1）高溫會降低玄武巖織物增強堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件的抗彎力學(xué)性能，并影響其破壞形態(tài)，由常溫狀態(tài)下的多裂縫擴展、經(jīng)800 ℃高溫處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閱我涣芽p破壞.

2）環(huán)氧浸漬在600 ℃以下時有助于提升織物增強試件的抗彎強度;而在600℃以上，由于改性環(huán)氧膠的分解導(dǎo)致界面性能劣化，會使得試件強度大幅下降.

3）堿激發(fā)礦渣粉煤灰基試件的耐高溫性能優(yōu)于硅酸鹽水泥基試件，在高溫時沒有出現(xiàn)明顯開裂剝落情況，可以為環(huán)氧浸漬玄武巖織物提供更好的保護作用.

4）增加織物層數(shù)在一定程度上能提高TRM試件高溫后的力學(xué)性能，但提升效果隨溫度升高逐漸減弱. 溫度達到600 ℃時，由于纖維力學(xué)性能的劣化和環(huán)氧樹脂的分解，增加織物層數(shù)對試件抗彎承載力幾乎沒有影響.

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