建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能試驗(yàn)研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.024

摘 要：為了確定影響建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能的因素，進(jìn)行了建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能試驗(yàn)研究。選擇水泥和PVA纖維為實(shí)驗(yàn)材料，按照1∶1.5∶0.6的配合比，將水泥、水和纖維混合，制備了厚度分別為10、20、30 cm的建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥試件，通過模擬紫外光照和高溫環(huán)境，測(cè)試了建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥試件經(jīng)過紫外光老化和熱老化之后的吸水率、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和耐磨度。結(jié)果顯示，不同厚度水泥試件的吸水率和氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，耐磨度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，而且紫外光老化對(duì)建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能的影響較大，水泥試件的耐老化性能在厚度上存在明顯差異。

關(guān)鍵詞：復(fù)合水泥；粉煤灰；耐老化性能；纖維增強(qiáng)；耐磨度；光熱老化

中圖分類號(hào)：TU528；TQ172.79" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0088-04

Experimental study on aging resistance of building fiber reinforced composite cement

ZHAO Kaixuan1，LI Hui2

（1.Henan Water Construction Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450008，China;

2.Zhengzhou Technology and Business University，Zhengzhou 451400，China）

Abstract：In order to determine the factors affecting the aging resistance of building fiber reinforced composite cement，the aging resistance of building fiber reinforced composite cement was studied.Cement and PVA fiber were selected as experimental materials，and cement，water and fiber were mixed according to the ratio of 1∶1.5∶0.6，and building fiber reinforced composite cement specimens with thickness of 10 cm，20 cm and 30 cm were prepared.The water absorption，chloride diffusion coefficient and wear resistance of building fiber reinforced composite cement specimens after ultraviolet light aging and thermal aging were tested by simulating ultraviolet light and high temperature environment.The results showed that the water absorption rate and chloride ion diffusion coefficient of cement samples with different thicknesses increased with the aging time，but the wear resistance decreased with the aging time.Moreover，ultraviolet aging had a great influence on the aging resistance of building fiber reinforced composite cement，and there were obvious differences in the thickness of the aging resistance of cement specimens.

Key words：composite cement;fly ash;aging resistance;fiber reinforcement;wear resistance;photothermal aging

建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥的問世，為解決混凝土易碎問題提供了一種行之有效的途徑。然而，混凝土既要解決脆性問題，又要解決其耐老化的問題^[1]。而且，混凝土的強(qiáng)度雖然很高，但并不意味著它的耐老化性能就會(huì)變得更好。采用3個(gè) GHPFRCC梁柱連接構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從軸壓比值和受火模式2個(gè)角度對(duì) GHPFRCC梁柱連接的耐火性進(jìn)行了研究^[2]，采用有限元分析的方式驗(yàn)證了ABAQUS模型的性能。采用不同摻量的 PP纖維，對(duì) PP纖維/水泥復(fù)合材料的耐磨性能進(jìn)行了研究^[3-4]。

基于以上研究背景，試驗(yàn)測(cè)試了建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能，以期延長(zhǎng)建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥的使用壽命。

1"實(shí)驗(yàn)部分

1.1"實(shí)驗(yàn)材料

在建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能試驗(yàn)中，選擇水泥和PVA纖維為實(shí)驗(yàn)材料，其中表1和表2分別給出了水泥的化學(xué)組成及性能。

PVA纖維是由某國(guó)貿(mào)公司生產(chǎn)的，纖維長(zhǎng)度和直徑分別為14 mm和42 μm，具有較高的彈性模量和強(qiáng)度^[5]，纖維的密度為1.5g/cm³，其表面采用油膜工藝處理^[6]。將其纖維的吸水率，PVA纖維的外貌形態(tài)如圖1所示。

1.2"制備試件

1.2.1"試件成型

在制備建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥試件時(shí)，按照m（水泥）∶m（水）∶m（纖維）=1∶1.5∶0.6的配合比進(jìn)行混合配制，混合物攪拌10 min后，分別放入長(zhǎng)×寬×厚度分別為50 cm×50 cm×10 cm、50 cm×50 cm×20 cm和50 cm×50 cm×30 cm的模具中，待完全成型之后，放在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)0.5 min，并靜置12 h之后脫模^[7]。

1.2.2"試件處理

建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥試件制備完成且成功脫模之后，打磨試件表面的浮漿^[8]，鋼絲刷打磨完成后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)處理半個(gè)月之后取出試件，在室溫條件下靜置一周，先用砂紙打磨^[9]，接著用丙酮溶液沖洗，再后用清水沖洗干凈，最后在80 ℃下烘干48 h。

1.3"環(huán)境模擬

1.3.1"紫外光照模擬

采用自主研發(fā)的紫外老化設(shè)備，將試件放在紫外老化箱中，老化箱采用500 W直管形紫外線高壓汞燈作為紫外線光源^[10]，并設(shè)置光源與試件的距離為50 cm，實(shí)現(xiàn)紫外光照模擬，為紫外光老化實(shí)驗(yàn)提供熱環(huán)境。

1.3.2"高溫環(huán)境模擬

將制備好的試件放入烘箱中，烘箱的溫度設(shè)置為72～78 ℃，在通風(fēng)條件下加熱處理1 d，關(guān)掉烘箱的開關(guān)并打開箱門，將烘箱的溫度冷卻到室溫，實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境的模擬^[11]，為熱老化實(shí)驗(yàn)提供熱環(huán)境。

1.4"實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1"老化實(shí)驗(yàn)

復(fù)合水泥耐老化性能試驗(yàn)分為紫外光老化和熱老化。紫外光老化是將不同厚度的復(fù)合水泥試件置于紫外環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)溫度分別為20、25、30 ℃，紫外輻照時(shí)間分別為2、4、6、8 d。測(cè)試?yán)匣啊⒑蟛煌穸葟?fù)合水泥試件的吸水率、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和耐磨度。

熱老化實(shí)驗(yàn)是將不同厚度的復(fù)合水泥試件放入烘箱中，熱老化實(shí)驗(yàn)的溫度設(shè)置為30、35、40 ℃，老化處理時(shí)間分別設(shè)置為2、4、6、8 d。測(cè)試?yán)匣昂?，不同厚度?fù)合水泥試件的吸水率、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和耐磨度。

1.4.2"吸水率測(cè)試

假設(shè)m₀為不同厚度水泥試件的初始質(zhì)量，將水泥試件放入水中浸泡1 h^[12]，取出試件擦干水分，稱取質(zhì)量為m*，試件的吸水率可以通過下式計(jì)算：

1.4.4"耐磨性測(cè)試

建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥試件的耐磨性測(cè)試依據(jù)GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試^[14]。

2"結(jié)果分析

2.1"光熱老化對(duì)復(fù)合水泥試件吸水率的影響

2.1.1"光老化

當(dāng)紫外光老化溫度為30 ℃時(shí)，不同厚度水泥試件吸水率與老化時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，3種不同厚度的水泥試樣，其吸水率隨老化時(shí)間的增加而增加。在2 d的老化條件下，水泥試樣的吸水率和未老化相比有顯著的增加，隨后增加的速率開始變慢，但當(dāng)試件厚度為10 cm時(shí)，水泥試樣的吸水率在6 d之后迅速增加。說明紫外老化初期對(duì)建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能的影響顯著，10 cm水泥試件在老化6 d時(shí)就出現(xiàn)了明顯老化現(xiàn)象，導(dǎo)致吸水率明顯增大。

將老化時(shí)間設(shè)置為8 d，得到了復(fù)合水泥試件吸水率與老化溫度的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)老化溫度不斷升高之后，復(fù)合水泥試件的吸水率逐漸增大，對(duì)于10 cm厚的水泥試件而言，老化溫度為30 ℃時(shí)的吸水率是20 ℃1.44倍；而20 cm厚的水泥試件和30 cm厚的水泥試件分別是1.19倍和1.26倍。由此可見，3種試件中，老化溫度對(duì)10 cm厚水泥試件吸水率影響最大。

2.1.2"熱老化

圖3給出了老化溫度為40 ℃時(shí)，老化時(shí)間與復(fù)合水泥試件吸水率變化情況。

由圖3可知，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，不同厚度水泥試樣的吸水率逐漸增大，對(duì)于10 cm厚的水泥試件而言，當(dāng)老化時(shí)間少于4 d時(shí)，水泥試件吸水率與老化時(shí)間之間呈線性變化，隨后迅速增大。20 cm厚的水泥試件和30 cm厚的水泥試件在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，吸水率與老化時(shí)間都是線性變化。

圖4給出了老化時(shí)間為8 d時(shí)，老化溫度與復(fù)合水泥試件吸水率變化情況。

由圖4可知，相同厚度的水泥試件，其吸水率隨老化溫度的增加而增加，不同厚度之水泥試件，其吸水率隨老化溫度的增加有較大差別。對(duì)于10 cm厚的水泥試件而言，在40 ℃的老化溫度下，其吸水率是30 ℃的1.73倍。對(duì)于30 cm厚的水泥試件而言，40 ℃時(shí)的吸水率是30 ℃的1.42倍。

綜合以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同厚度的水泥試件，耐熱老化的性能從強(qiáng)到弱依次為30 cm厚的水泥試件、20 cm厚的水泥試件和10 cm厚的水泥試件。

2.2"光熱老化對(duì)試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

2.2.1"光老化

當(dāng)紫外老化溫度為40 ℃時(shí)，圖5給出了不同厚度水泥試件的氯離子滲透性能。

由圖5可知，在10 cm厚的水泥試件中，4 d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比老化前高1.9倍；8 d后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加6.2倍，表明老化時(shí)間對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響較大。在30 cm厚度的水泥試件中，盡管氯離子的擴(kuò)散系數(shù)隨老化時(shí)間的增加而增加，但增大的速度明顯變慢，說明30 cm厚的水泥試件具有更好的抗紫外老化性能，能夠提高混凝土的抗氯離子滲透能力。

2.2.2"熱老化

當(dāng)老化溫度為40 ℃時(shí)，圖6給出了老化時(shí)間與不同厚度水泥試件的氯離子滲透性能之間的關(guān)系。

由圖6可知，3種厚度的水泥試件在未老化狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)相同，經(jīng)過熱老化處理之后，水泥試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著增大。對(duì)于10 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是老化前的2.2倍；老化8 d后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是老化前的3.8倍。對(duì)于20 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)沒有明顯增大的趨勢(shì)；老化8 d后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是老化前的2.6倍。對(duì)于30 cm厚的水泥試件而言，經(jīng)過老化之后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)只出現(xiàn)了微小的變化。由此證明，不同厚度的水泥試件，耐熱老化的性能從強(qiáng)到弱依次為30、20、10 cm厚的水泥試件。

2.3"光熱老化對(duì)復(fù)合水泥試件耐磨度的影響

2.3.1"光老化

在40 ℃的老化溫度下，紫外光老化時(shí)間對(duì)復(fù)合水泥試件耐磨度的影響如圖7所示。

由圖7可知，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，不同厚度水泥試件的耐磨度逐漸下降，對(duì)于10 cm厚的水泥試件而言，老化4 d的耐磨度是老化前的0.5倍；老化8 d的耐磨度是老化前的0.25倍。對(duì)于30 cm厚的水泥試件而言，老化4 d的耐磨度是老化前的0.63倍；老化8 d的耐磨度是老化前的0.29倍。

2.3.2"熱老化

老化溫度為40 ℃時(shí)，不同厚度水泥試件的耐磨度變化情況如圖8所示。

由圖8可知，熱老化處理對(duì)不同厚度復(fù)合水泥試件耐磨度的影響較大，對(duì)于10 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的耐磨度是老化前的0.65倍，老化8 d后的耐磨度是老化前的0.125倍；對(duì)于30 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的耐磨度是老化前的0.85倍；老化8 d后的耐磨度是老化前的0.21倍。

綜合以上結(jié)果可知，不同厚度的水泥試件，耐熱老化的性能從強(qiáng)到弱依次為30、20、10 cm厚的水泥試件。

3"結(jié)語

研究通過制備不同厚度的建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥試件，進(jìn)行了耐老化性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，光熱老化對(duì)不同厚度建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥的耐老化性能影響較大，在不同的老化條件下，水泥的吸水率、擴(kuò)散系數(shù)均有顯著提高，耐磨性顯著下降。但是，研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以在水泥試件的表面增加一層耐老化涂層，測(cè)試涂層的耐老化性能，延長(zhǎng)水泥構(gòu)件的使用壽命。

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收稿日期：2023-09-12；修回日期：2023-12-08

作者簡(jiǎn)介：趙凱選（1982-），男，高級(jí)工程師，主要從事現(xiàn)場(chǎng)施工管理、土木水利類技術(shù)創(chuàng)新研究等；E-mail：94657253@qq.com。

引文格式：趙凱選，李"慧.建筑纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥耐老化性能試驗(yàn)研究[J].粘接，2024，51（2）：88-91.