葉邦土，蔣金洋，王文灝，夏 璐

（1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210028；2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

水泥基材料的強(qiáng)度與水泥水化速度和界面強(qiáng)度密切相關(guān)，纖維在水泥基材料中起增強(qiáng)、增韌作用，但是纖維長期處于堿性環(huán)境中會(huì)受到化學(xué)腐蝕損傷以及晶體產(chǎn)生的物理刻蝕損傷［1－2］.改善纖維在水泥基材料中耐久性的措施很多，主要包括改變纖維自身的化學(xué)組成、改善基體以及纖維表面改性［3］等.利用粉煤灰及硅灰等活性礦物摻和料對(duì)水泥基體進(jìn)行改性是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)［4－5］.

鑒于此，本文主要研究了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和熱水加速養(yǎng)護(hù)條件下玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗壓、抗折強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，并著重分析了粉煤灰和硅灰復(fù)摻對(duì)水泥砂漿中玄武巖纖維耐腐蝕性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，黃石華新水泥廠生產(chǎn)；粉煤灰：Ⅰ級(jí)F 類粉煤灰，鎮(zhèn)江諫壁電廠蘇源公司生產(chǎn)；硅灰：比表面積22 000m2／kg，SiO2含量1）文中涉及的含量、水膠比均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.95.5%，貴州海天鐵合金磨料有限責(zé)任公司生產(chǎn)；減水劑：聚羧酸減水劑JM－PCA（Ⅳ），減水率為35%，江蘇博特新材料有限公司研制；細(xì)集料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，表觀密度2 620kg／m3；玄武巖纖維：浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn).水泥與粉煤灰的化學(xué)組成見表1.

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cement and fly ash

1.2 制備與測(cè)試

按照表2 的配合比來制備玄武巖纖維水泥砂漿.首先將水泥、細(xì)集料以及其他礦物摻和料在攪拌機(jī)內(nèi)攪拌2～3min，再加入已混合均勻的水和外加劑，繼續(xù)攪拌直到獲得較好的工作性，最后加入玄武巖纖維攪拌2～3min，使纖維在基體中均勻分散.將攪拌好的砂漿裝入尺寸為40mm×40mm×160mm的模具成型后，放入（20±2）℃，相對(duì)濕度＞90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h后脫模.

表2 水泥砂漿配合比Table 2 Mix proportion of cement mortar

砂漿強(qiáng)度測(cè)試參照GB／T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行.采用美國FEI公司產(chǎn)Quanta 3DFEG 型系列環(huán)境掃描ESEM／聚焦離子束FIB“雙束”顯微鏡（quanta 3DFEG SEM／FIB dual beam）觀察纖維與水泥砂漿界面；采用德國Bruker－AXS公司產(chǎn)D8Discover型X射線衍射儀（Xray diffraction，XRD）定性分析水泥砂漿中水泥水化產(chǎn)物的晶體組成，掃描方式為locked coupled模式，工作電壓和工作電流分別為40kV 和30mA，掃描范圍為10°～80°，步寬0.02°，掃描速度8（°）／min.

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下礦物摻和料對(duì)玄武巖纖維砂漿強(qiáng)度的影響

圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180d內(nèi)各砂漿試件的強(qiáng)度發(fā)展情況.

由圖1可見：就抗壓強(qiáng)度而言，玄武巖纖維的摻入對(duì)配合比不同的各砂漿試件抗壓強(qiáng)度影響較小，其抗壓強(qiáng)度均略有降低.就抗折強(qiáng)度而言，玄武巖纖維砂漿試件M1－BF 的早期抗折強(qiáng)度有所提高，其7，28d的抗折強(qiáng)度分別較基準(zhǔn)砂漿試件M1－J提高了12%和2%；28d后，隨著水泥水化反應(yīng)的繼續(xù)，基準(zhǔn)砂漿試件M1－J的抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而不斷增長，纖維砂漿試件M1－BF抗折強(qiáng)度卻基本保持不變甚至略有降低；180d時(shí)，玄武巖纖維砂漿試件M1－BF抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)砂漿試件M1－J下降了約11%.值得注意的是，摻60%粉煤灰的玄武巖纖維砂漿試件M2－BF 抗折強(qiáng)度28～180d仍保持增長趨勢(shì)，后期增長速率逐漸趨緩，180d時(shí)，其抗折強(qiáng)度高出基準(zhǔn)砂漿試件M2－J 6%左右；摻50%粉煤灰和10%硅灰的玄武巖纖維砂漿試件M3－BF 28～180d一直保持較高的增長速率，180d時(shí)仍高出基準(zhǔn)砂漿試件M3－J約17%.由各砂漿試件的強(qiáng)度發(fā)展情況可知，礦物摻和料可顯著延長玄武巖纖維對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果的時(shí)效，其中復(fù)摻粉煤灰和硅灰比單摻粉煤灰效果更為顯著.

2.2 80℃熱水養(yǎng)護(hù)下礦物摻和料對(duì)玄武巖纖維砂漿強(qiáng)度的影響

為研究玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基材料長期服役條件下的耐久性問題，采用熱水養(yǎng)護(hù)方法來表征玄武巖纖維砂漿長期強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律.根據(jù)Arrhenius方程［6－7］（式（1）），可通過熱水養(yǎng)護(hù)下水泥基材料強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律表征出長期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律.

式中：KT為養(yǎng)護(hù)溫度為T 時(shí)的強(qiáng)度發(fā)展速率常數(shù)；A為常數(shù)；Ea為活化能，J／mol；R 為氣體常數(shù)，8.314J·mol；T 為絕對(duì)溫度，K.

圖1 玄武巖纖維砂漿強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between standard curing time and strength of basalt fiber reinforced mortar

將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7d后放入加熱養(yǎng)護(hù)箱，分別養(yǎng)護(hù)3，5，7，12，20，28d，然后測(cè)其強(qiáng)度值.

熱水養(yǎng)護(hù)過程中，玄武巖纖維水泥砂漿強(qiáng)度發(fā)生波動(dòng)起伏主要由兩方面因素導(dǎo)致：一方面，熱水養(yǎng)護(hù)條件下，試件基體水化速度加快，從而引起強(qiáng)度值上升，尤其是在熱水養(yǎng)護(hù)初期；另一方面，玄武巖纖維在水泥基材料中會(huì)受到堿性孔溶液的腐蝕，而熱水養(yǎng)護(hù)條件也加速了該腐蝕過程，使得纖維砂漿強(qiáng)度和韌性降低.

圖2為玄武巖纖維砂漿強(qiáng)度與80℃熱水養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系.

圖2 玄武巖纖維砂漿強(qiáng)度與80℃熱水養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between curing time in hot water of 80℃and strength of basalt fiber reinforced mortar

圖2所得結(jié)果與圖1給出的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似.由圖2（a）可以看出，未摻礦物摻和料的纖維砂漿試件M1－BF 熱水養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度變化很小，而摻60%粉煤灰及混摻50%粉煤灰和10%硅灰的纖維砂漿試件抗壓強(qiáng)度仍不斷上升。由圖2（b）可以看出，未摻礦物摻和料的纖維砂漿試件M1－BF在熱水養(yǎng)護(hù)前的抗折強(qiáng)度高出基準(zhǔn)砂漿試件M1－J約12%，而熱水養(yǎng)護(hù)28d后，M1－BF 試件抗折強(qiáng)度較M1－J試件降低了18%；摻60%粉煤灰的纖維砂漿試件M2－BF 的抗折強(qiáng)度在熱水養(yǎng)護(hù)前高出基準(zhǔn)砂漿試件M2－J 19%，熱水養(yǎng)護(hù)28d后，其抗折強(qiáng)度較試件M2－J降低了15%；混摻50%粉煤灰和10%硅灰的纖維砂漿試件M3－BF 的抗折強(qiáng)度在熱水養(yǎng)護(hù)前高出基準(zhǔn)砂漿試件M3－J 37%，熱水養(yǎng)護(hù)28d后，其抗折強(qiáng)度較試件M3－J降低了7%.這說明摻礦物摻和料后的纖維砂漿試件在熱水養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，其抗折強(qiáng)度較試件的下降幅度明顯減小，且復(fù)摻粉煤灰和硅灰較單摻粉煤灰效果更為顯著.

由圖2還可以看出，未摻礦物摻和料的試驗(yàn)組在熱水養(yǎng)護(hù)5d后出現(xiàn)纖維砂漿試件抗折強(qiáng)度低于基準(zhǔn)砂漿試件的現(xiàn)象；而摻60%粉煤灰以及復(fù)摻50%粉煤灰和10%硅灰的試驗(yàn)組在7，12d后才出現(xiàn)該現(xiàn)象.

2.3 微觀試驗(yàn)和機(jī)理分析

粉煤灰的活性效應(yīng)體現(xiàn)在粉煤灰的玻璃成分與水泥水化產(chǎn)物中的堿相互作用.摻入的粉煤灰消耗了水泥砂漿中的Ca（OH）2，降低了漿體孔溶液中的堿含量；而粉煤灰和硅灰復(fù)摻的試件中Ca（OH）2晶體的含量更少，因?yàn)楣杌揖哂休^大的細(xì)度和大量的非結(jié)晶SiO2，具有很好的活性，摻入到水泥基材料中能夠迅速與水泥水化形成的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成C－S－H 凝膠，使原本粗大的Ca（OH）2板狀結(jié)晶物數(shù)量大幅度減少，尺寸也大幅度減小，從而降低了玄武巖纖維在基體中的腐蝕程度.反映在圖2中就表現(xiàn)為摻礦物摻和料后纖維砂漿后期抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件的下降幅度明顯減小.圖3為80℃加速老化28d后3種基準(zhǔn)砂漿水泥水化產(chǎn)物的XRD圖譜.

圖3 80℃熱水養(yǎng)護(hù)28d后3種基準(zhǔn)砂漿中水泥水化產(chǎn)物的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of mortars after cured for 28din hot water of 80℃

由圖3可以看出，單摻粉煤灰或復(fù)摻粉煤灰和硅灰后，砂漿試件中Ca（OH）2晶體的衍射峰消失，而水化產(chǎn)物中C－S－H 凝膠明顯增多.原因主要有以下兩方面：一是粉煤灰和硅灰等量替代部分水泥，減少了水泥用量，因此減少了Ca（OH）2的絕對(duì)生成量；二是粉煤灰和硅灰受Ca（OH）2激發(fā)，二次水化生成大量的C－S－H 凝膠，并且消耗了一部分Ca（OH）2，這就從根本上減少了結(jié)晶粗大的Ca（OH）2的數(shù)量及其在水泥石－集料界面過渡區(qū)和水泥石－纖維界面上的富集與定向排列，從而優(yōu)化了界面結(jié)構(gòu)［8－9］，同時(shí)還細(xì)化了水泥石的空隙，降低了孔隙率，使砂漿結(jié)構(gòu)更加密實(shí)［10］.因此摻礦物摻和料后的玄武巖纖維砂漿宏觀上表現(xiàn)出更高的后期抗折強(qiáng)度.圖4為80℃加速老化28d后3種纖維砂漿中玄武巖纖維的掃描電鏡照片.

圖4 80℃加速老化28d后各試件中玄武巖纖維的SEM 照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of basalt fiber in different specimens

由圖4可以看出，未摻礦物摻和料的玄武巖纖維砂漿試件M1－BF中，玄武巖纖維受到了非常嚴(yán)重的腐蝕，纖維與基體的黏結(jié)性能也較差；摻60%粉煤灰的試件M2－BF以及復(fù)摻50%粉煤灰和10%硅灰的試件M3－BF中，纖維腐蝕程度較小，且與基體的黏結(jié)性能也較好.

3 結(jié)論

（1）玄武巖纖維對(duì)早期水泥基材料抗折強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用，隨著齡期延長，增強(qiáng)作用減弱，后期由于玄武巖纖維受到基體腐蝕反而對(duì)基體強(qiáng)度提高不利.

（2）使用粉煤灰和硅灰等活性摻和料對(duì)玄武巖纖維水泥砂漿長期強(qiáng)度發(fā)展的改善是有效的.粉煤灰和硅灰摻入后顯著降低了基體中Ca（OH）2晶體的含量，能夠有效降低玄武巖纖維在水泥基材料中的腐蝕程度，延長玄武巖纖維砂漿的使用壽命.

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