朱雪峰，張朋，李清海，李東旭

（1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210009；2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

粉煤灰對(duì)3D玻璃纖維織物增強(qiáng)水泥基材料力學(xué)性能及耐久性影響的研究

朱雪峰1，張朋1，李清海2，李東旭1

（1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210009；2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

通過(guò)50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)，并采用堿度測(cè)試、掃描電子顯微鏡、抗彎強(qiáng)度測(cè)試等手段，研究了3D玻璃纖維織物增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能以及摻加粉煤灰后的耐久性。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，使用3D玻璃纖維織物增強(qiáng)可提高基體的抗彎性能，強(qiáng)度較空白試件提高了37.69%，同時(shí)，在基體中摻加粉煤灰可以提高基體的長(zhǎng)齡期強(qiáng)度，改善耐久性。

GRC；粉煤灰；3D玻璃纖維織物；耐久性

玻璃纖維增強(qiáng)水泥基材料（Glass Fiber Reinforced Cement，簡(jiǎn)稱GRC）是一種新型的建筑材料，具有優(yōu)良力學(xué)性能及輕質(zhì)、抗裂、不燃等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)GRC材料的研究主要集中在一維、二維玻璃纖維以及三維混雜纖維摻入基體的性能[1-2]，而對(duì)于三維定向玻璃纖維織物（簡(jiǎn)稱3D玻璃纖維織物）增強(qiáng)水泥基材料的研究較少。同時(shí)，在GRC應(yīng)用過(guò)程中，由于基體內(nèi)的玻璃纖維受到侵蝕，導(dǎo)致其長(zhǎng)期力學(xué)性能降低，因而GRC材料的耐久性問(wèn)題是阻礙GRC廣泛應(yīng)用核心的問(wèn)題之一[3]。

本試驗(yàn)通過(guò)高溫養(yǎng)護(hù)方式，并采用堿度測(cè)試、掃描電子顯微鏡以及抗彎性能等測(cè)試方法，研究了未使用3D玻璃纖維織物增強(qiáng)、3D玻璃纖維織物增強(qiáng)以及摻粉煤灰3D玻璃纖維織物增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能及耐久性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：唐山冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5R水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1，主要化學(xué)成分見(jiàn)表2；粉煤灰：來(lái)自河北某熱電廠，比表面積460 m2/kg，Ⅱ級(jí)，主要化學(xué)成分見(jiàn)表2

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分%

細(xì)集料：河砂，細(xì)度模數(shù)3.2，最大顆粒粒徑不大于4.75 mm，含泥量0.6%。

外加劑：聚羧酸減水劑，固含量為20%。

3 D玻璃纖維織物：常州伯龍三維復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，厚度為30 mm，單位面積質(zhì)量1.25 kg/m3，由ZrO2含量為16.7%耐堿玻纖絲編織而成，表面經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂涂覆。其主要性能指標(biāo)如表3所示。

表33 D玻璃纖維織物的主要性能指標(biāo)

水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

試件尺寸為400 mm×100 mm×40 mm，3D玻璃纖維織物厚30 mm，在制備試塊時(shí)，織物上下兩側(cè)各有5 mm砂漿保護(hù)層（如圖1所示）。

圖1 玻璃纖維位置示意

試件制備：將水泥、粉煤灰、砂加入砂漿攪拌機(jī)，先預(yù)攪30 s，再分2次加入水和減水劑，攪拌均勻制得砂漿，攪拌時(shí)間為180 s。在制備試件時(shí)，分2次澆注，先澆注砂漿，并控制砂漿層厚度為5 mm，再將3D玻璃纖維織物放入模具內(nèi)，再次澆注完全，放置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)后刮平，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

測(cè)試齡期：制備好的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24 h后拆模，繼續(xù)放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后測(cè)試抗彎強(qiáng)度。同時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的試件再在50℃熱水中加速老化養(yǎng)護(hù)，并設(shè)定測(cè)試齡期為1 d、7 d、28 d、90 d。根據(jù)前人研究，在50℃熱水中養(yǎng)護(hù)1 d相當(dāng)于在北京大氣中自然養(yǎng)護(hù)85 d[4]。本試驗(yàn)采用的熱水養(yǎng)護(hù)齡期及其所對(duì)應(yīng)的自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間見(jiàn)表4。

表450 ℃熱水養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)應(yīng)的自然老化齡期

加載裝置：試驗(yàn)在50 kN微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用位移控制。加載程序控制5 mm/min的加載速度（如圖2所示）。

圖2 試塊抗彎試驗(yàn)支撐與加載方式示意

抗彎強(qiáng)度按式（1）計(jì)算[5]。

式中：σ——試件的抗彎強(qiáng)度，MPa；

譯文 The phoenix and phoenix’s mate are daily more and more remote[14]161.

F——試件的抗彎力，N；

l——支撐跨距，m；

b——試件的寬度，m；

d——試件的厚度，m。

堿度測(cè)試：試件養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期，破碎后放入研缽后研磨，過(guò)方孔篩（0.08 mm），稱取10 g，然后加入100 g蒸餾水，定期震蕩，48 h后測(cè)量其pH值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中，固定膠砂比、水膠比以及減水劑摻量，通過(guò)調(diào)整水泥、粉煤灰比例來(lái)制備試件。具體配合比如表5所示。

表5 試驗(yàn)具體質(zhì)量配合比

考察了不同配合比試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d以及再在50℃熱水加速老化不同齡期抗彎強(qiáng)度和堿度的變化，結(jié)果分別如表6、表7所示。

表650 ℃熱水加速老化試件的抗彎強(qiáng)度

從表6可以看出：（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，3D玻璃纖維織物增強(qiáng)試件C+3D和C+FA+3D的抗彎強(qiáng)度都高于試件C，相較于試件C，試件C+3D的抗彎強(qiáng)度提高了37.69%。說(shuō)明使用3D玻璃纖維織物可以顯著提高試件的抗彎強(qiáng)度。（2）經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)后，試件的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。試件C的抗彎強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而緩慢增大，最后趨于平緩；試件C+3D的抗彎強(qiáng)度先減小后又趨于平緩；試件C+FA+3D的抗彎強(qiáng)度先增大后略有下降。同時(shí)，試件C+ 3D的抗彎強(qiáng)度始終高于試件C。而試件C+FA+3D的抗彎強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)低于試件C+3D，后經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)后，其抗彎強(qiáng)度均高于試件C+3D。

表7 不同養(yǎng)護(hù)齡期試件的pH值

從表7可以看出，試件的堿度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而下降，試件C+FA+3D的堿度始終低于試件C+3D，但相差不大。Sagüés等[6]認(rèn)為，由于實(shí)驗(yàn)中使用了水進(jìn)行了沖淡，使得使用取出溶出法測(cè)定的離子濃度比原孔溶液中的低約10倍甚至更多。因而，對(duì)于不同試件，其基體孔溶液的堿度比表7所示相差的大得多。

3 機(jī)理分析

3.1 增強(qiáng)機(jī)理

在基體中摻加3D玻璃纖維織物可以提升試件的抗彎性能，其原因在于：（1）基體和3D玻璃纖維織物的彈性模量差異：一般水泥基材料彈性模量為25～30GPa，而3D玻璃纖維織物的彈性模量高達(dá)72GPa。由復(fù)合材料混合定律[7]可知，使用3D玻璃纖維織物增強(qiáng)基體后，試件的彈性模量變大；（2）由于3D玻璃纖維織物定向增強(qiáng)作用，使用3D玻璃纖維增強(qiáng)基體有利于提升試件的抗彎性能。因此，摻加3D玻璃纖維織物增強(qiáng)試件的抗彎強(qiáng)度顯著高于未使用3D玻璃纖維織物增強(qiáng)試件。

3.2 耐久性影響機(jī)理

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，試件C+FA+3D的抗彎強(qiáng)度低于試件C+3D，這是因?yàn)閾饺敕勖夯业交w內(nèi)，替代了部分水泥，由于粉煤灰在早期未能完全參與水化，導(dǎo)致?lián)郊臃勖夯以嚰目箯潖?qiáng)度低于未摻加粉煤灰試件的抗彎強(qiáng)度。圖3是試件C+FA+3D在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d掃描電鏡照片。照片顯示，粉煤灰表面較為光滑，可推斷其與基體未完全反應(yīng)。

圖3 摻粉煤灰試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d掃描電鏡照片

經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)后，試件C+3D的強(qiáng)度先呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是由于隨著水泥的加速水化，產(chǎn)生了更多的堿性物質(zhì)，對(duì)基體內(nèi)的玻璃纖維產(chǎn)生侵蝕，使得試件的抗彎強(qiáng)度降低。對(duì)于試件C+FA+3D，由于其基體內(nèi)摻加了粉煤灰，粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3與水泥水化產(chǎn)生的堿發(fā)生反應(yīng)，使得基體的堿度低于未摻加粉煤灰的試件C+3D（見(jiàn)表7），減少了基體中的堿對(duì)玻璃纖維的侵蝕。同時(shí)熱水養(yǎng)護(hù)條件下，促進(jìn)了粉煤灰及水泥的水化，因此試件C+FA+3D的強(qiáng)度逐漸提高。但50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)90 d后其抗彎強(qiáng)度降低，這是因?yàn)榛w內(nèi)的粉煤灰已參與反應(yīng)，雖然摻入粉煤灰降低了基體的堿度，減少了堿性物質(zhì)對(duì)玻璃纖維的侵蝕，但并不能完全阻止玻璃纖維受到侵蝕，因而其抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)小幅降低。圖4為試件C+FA+3D經(jīng)50℃熱水養(yǎng)護(hù)90 d的掃描電鏡照片。

圖4 摻粉煤灰試件50℃熱水養(yǎng)護(hù)90 d掃描電鏡照片

圖4（a）顯示，試件中玻璃纖維表面局部受到侵蝕；圖4（b）顯示，粉煤灰表面粗糙，說(shuō)明粉煤灰已與基體發(fā)生反應(yīng)。

從表6可以看出，經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)1 d后，試件C+FA+3D的抗彎強(qiáng)度始終高于試件C及C+3D。在50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)其強(qiáng)度仍保持增長(zhǎng)，按表4對(duì)應(yīng)規(guī)律可見(jiàn)，在自然養(yǎng)護(hù)6.5年仍然具有較好的抗彎性能。同時(shí)經(jīng)50℃熱水加速老化養(yǎng)護(hù)90 d后，其強(qiáng)度仍高于試件C及C+3D，可見(jiàn)，自然養(yǎng)護(hù)21年，其抗彎強(qiáng)度仍優(yōu)于試件C及C+3D。在此過(guò)程中，粉煤灰對(duì)改善3D玻璃纖維織物水泥基材料耐久性起到關(guān)鍵作用。一方面，摻加粉煤灰等量替代水泥后，降低基體內(nèi)水泥的用量，使得其水化生成的堿性物質(zhì)變少，降低了堿對(duì)玻璃纖維的侵蝕作用；另一方面，在堿性環(huán)境下，粉煤灰中具有化學(xué)活性的SiO2、Al2O3與Ca（OH）2反應(yīng)，生成類似于水泥水化所產(chǎn)生的C-S-H和水化鋁酸鈣等反應(yīng)產(chǎn)物。這些反應(yīng)產(chǎn)物使得基體變得更加密實(shí)，提高了基體的強(qiáng)度，同時(shí)由于反應(yīng)消耗了部分堿[8]，也使得體系的堿度降低，從而降低了堿對(duì)基體內(nèi)玻璃纖維的侵蝕作用。

4 結(jié)論

（1）在水泥基材料中摻入3D玻璃纖維織物可以明顯提高基體的抗彎強(qiáng)度，這是由于3D玻璃纖維織物高彈模及可三維定向分布所致；但經(jīng)長(zhǎng)齡期加速老化高溫養(yǎng)護(hù)后，由于基體內(nèi)堿性物質(zhì)對(duì)玻璃纖維的侵蝕作用，使得其增強(qiáng)效果有所下降。

（2）在3D玻璃纖維織物增強(qiáng)水泥基體中摻加粉煤灰時(shí)，較早期時(shí)由于粉煤灰未完全參與水化，其增強(qiáng)效果不如未摻加粉煤灰的對(duì)比試件，但隨著水化的進(jìn)行，粉煤灰參與反應(yīng)，試件強(qiáng)度提高，同時(shí)基體堿度降低，對(duì)玻璃纖維侵蝕作用減小，后期強(qiáng)度明顯優(yōu)于對(duì)比試件。

（3）摻加粉煤灰后，可以提高GRC試件的耐久性，但由于粉煤灰不能完全阻止堿對(duì)玻璃纖維的侵蝕，長(zhǎng)齡期高溫加速老化后，其強(qiáng)度略有下降，但仍高于未摻加粉煤灰的試件。

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Study of fly ash on mechanical properties and durability of 3D glass fiber fabric reinforced cement

ZHU Xuefeng1，ZHANG Peng1，LI Qinghai2，LI Dongxu1
（1.College of Materials Science And Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 210009，China；2.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

The mechanical properties of 3D glass fiber fabric reinforced cement and the durability with fly ash are studied by means of determination of alkalinity and flexural strength and SEM in 50℃hot water conservation.The results indicate that compared with blank specimen after curing 28 d in standard-curing room，the flexural strength of 3D glass fiber fabric reinforced cement improve 37.69%.And fly ash can improve the long-term strength and durability.

GRC，fly ash，3D glass fiber fabric，durability

TU528.581

A

1001-702X（2016）07-0046-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAJ10B03）

2016-01-13；

2016-03-03

朱雪峰，男，1991年生，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴ＡЮw維增強(qiáng)水泥基材料。