張學(xué)建，葛林才，張?jiān)讫?，?靜

吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130018

0 引言

活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，英文縮寫為RPC)是法國Bouygues公司在1993年首先研制出來的一種以硅酸鹽水泥和多種礦物摻合料為膠凝體系的新型水泥基復(fù)合材料[1-2].RPC配制的基本原理是提高各部分材料的活性及細(xì)度,使硅灰等超細(xì)粉體的含量和用量達(dá)到較低水膠比(W/B),降低孔隙率,獲得更好的強(qiáng)度[3],活性粉末混凝土正是由于具備了輕質(zhì)高強(qiáng)、高韌性和高耐久性的綜合優(yōu)勢(shì),才使其在石油、核電、市政、海洋及軍工設(shè)施上得到了廣泛應(yīng)用,獲得了較高的社會(huì)收益[4].

玄武巖纖維(Basalt fiber, 英文縮寫為BF)被譽(yù)為21世紀(jì)新型環(huán)保型水泥基增強(qiáng)材料[5],BF屬于硅酸鹽纖維,是天然纖維中的一種,其生產(chǎn)是通過玄武石在1 450 ℃高溫熔融后,再由鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的纖維[6].

目前,國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋼纖維活性粉末混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行了充分的研究,并在試驗(yàn)中也充分證實(shí)了鋼纖維可大幅提升RPC的力學(xué)性能[7-8].但對(duì)其他種類的纖維如BF摻量、養(yǎng)護(hù)方式對(duì)RPC力學(xué)性能的試驗(yàn)研究卻相對(duì)較少.本文試驗(yàn)礦物摻合料為硅灰-礦粉-粉煤灰膠凝材料體系,對(duì)自然、標(biāo)準(zhǔn)和組合等3種養(yǎng)護(hù)方式下?lián)饺氩煌瑩搅緽F的RPC不同齡期抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度展開試驗(yàn)研究,基于試驗(yàn)結(jié)果得到了BF體積摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)玄武巖RPC力學(xué)性能的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

(1) 水泥:選用亞泰牌P.Ⅱ52.5級(jí)水泥,比表面積為367 m2/kg.水泥化學(xué)組成及物理性質(zhì)成分如表1所示.

(2) 硅灰:選用山東省博肯硅材料有限公司生產(chǎn)的微硅灰,活性指數(shù)為116 %.硅灰成分如表2所示.

(3) 粉煤灰:選用吉林某電廠二級(jí)粉煤灰.

(4) 礦粉:選用河南鞏義某公司的普通S 95礦粉,其性能指標(biāo)如表3所示.

(5) 減水劑:選用青島虹廈高分子材料有限公司生產(chǎn)的HSC聚羧酸高性能減水劑,減水率為28.5 %.

(6) 石英砂:選用的石英砂為天然河砂,在吉林省內(nèi)就地取材,選取粒徑在1.18 mm以下的砂作為試驗(yàn)用砂,比篩分精細(xì)砂減少人力節(jié)約成本,細(xì)度模數(shù)為2.158,屬細(xì)砂范圍.

(7) 玄武巖纖維(BF):采用山東某公司生產(chǎn)的玄武巖纖維(BF),其性能指標(biāo)如表4所示.

表1 水泥的化學(xué)組成及物理性質(zhì)Table 1 Chemical composition and physical properties of cement

表2 硅灰指標(biāo)參數(shù)Table 2 Silica fume index parameters

表3 礦粉指標(biāo)參數(shù)Table 3 Mineral powder index parameters

表4 玄武巖纖維指標(biāo)參數(shù)Table 4 Index parameters of basalt fiber

1.2 試件制作及養(yǎng)護(hù)

RPC配合比如表5所示(本配合比為正交分析中的最優(yōu)配合比).先將稱好的砂、水泥、硅灰和粉煤灰、礦粉放入攪拌機(jī),攪拌1 min,再放入纖維攪拌2 min,其次將90 %的減水劑放入稱好的水中攪拌1 min,之后放入剩余的10 %的減水劑繼續(xù)攪拌3 min.試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件.試件的制作及振搗按《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)中的要求進(jìn)行.

人工振搗完成后,再放到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型,至無明顯氣泡溢出為止,時(shí)間在45 s～75 s之間.試件成型后放入溫度為20 °C、濕度為95 %的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù),24 h后拆模、編號(hào),再將試件按以下3種方式養(yǎng)護(hù)：① 自然養(yǎng)護(hù);② 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);③ 組合養(yǎng)護(hù)即先在90 ℃熱水養(yǎng)護(hù)下養(yǎng)護(hù)1 d后轉(zhuǎn)入廠房自然養(yǎng)護(hù)至齡期.本文試驗(yàn)配合比如表5所示.

表5 玄武巖RPC配合比Table 5 Mix proportion of basalt RPC

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抗壓、劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)玄武巖RPC基本力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)包括7 d,28 d不同養(yǎng)護(hù)制度下立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的試驗(yàn),表6為玄武巖RPC試驗(yàn)結(jié)果.

表6 玄武巖RPC力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of basalt RPC

續(xù)表6

2.2 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響分析

RPC中未摻入BF時(shí),混凝土在荷載增加過程中,不斷掉落碎渣,隨后伴隨著巨響直接發(fā)生如圖1(a)所示的脆性破壞.摻入BF后,如圖1(b)所示,混凝土伴隨著荷載的不斷增加,裂縫逐漸產(chǎn)生,并從兩側(cè)開始發(fā)展,在達(dá)到極限荷載破壞的一瞬間同樣會(huì)發(fā)生巨響.但試件的整體性比未摻纖維時(shí)的整體性好.試驗(yàn)現(xiàn)象說明,摻入BF能明顯緩解RPC的脆性特征,隨著BF摻量的增加,脆性破壞不斷減緩.但BF的加入并不能徹底消除脆性破壞狀態(tài),并且90 ℃熱水養(yǎng)護(hù)24 h后再自然養(yǎng)護(hù)27 d,破壞現(xiàn)象同自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一樣,并無差異.

(a)

(b)

由圖2可知,當(dāng)BF摻量未達(dá)到結(jié)團(tuán)界限時(shí),在不同養(yǎng)護(hù)方式下試件的7 d,28 d抗壓變化規(guī)律均為:組合養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)>自然養(yǎng)護(hù).由于BF在水泥基中充分發(fā)揮阻裂效應(yīng)、改善薄弱界面的共同作用,使得BF的加入有效地改善了RPC抗壓強(qiáng)度.在自然養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，7 d,28 d的抗壓強(qiáng)度變化曲線較為一致的,當(dāng)纖維摻量為0.15 %時(shí)達(dá)到最優(yōu)摻量.

由于2種養(yǎng)護(hù)方式在溫度、濕度上有明顯的差異,玄武巖RPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,外界自由水較充裕通過毛細(xì)孔進(jìn)入水泥基,促進(jìn)水化進(jìn)程.自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下7 d,28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度比素RPC的抗壓強(qiáng)度提升了7 %,19.8 %，10 %,18.4 %.

當(dāng)玄武巖摻量大于0.15 %這一臨界值時(shí),RPC基內(nèi)部纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增加,抗壓強(qiáng)度降低.

在熱水養(yǎng)護(hù)中,7 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度比素RPC的抗壓強(qiáng)度有不同程度的降低,這是因?yàn)樵诮M合養(yǎng)護(hù)中,熱水養(yǎng)護(hù)條件下硅灰、礦粉具有火山灰效應(yīng)物質(zhì)的消耗量也急劇增加,Ca(OH)2,C-S-H和水化硅鋁酸鈣也大量產(chǎn)生,水泥基孔隙率降低,密實(shí)度增加,從而導(dǎo)致素RPC的抗壓強(qiáng)度大幅度增加,BF則會(huì)再受到堿性孔溶液的腐蝕,而熱水養(yǎng)護(hù)則會(huì)加速腐蝕過程,使得纖維RPC強(qiáng)度降低[9].

(a) 7天(a) 7 days

(b) 28天(b) 28 days

2.3 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響分析

圖3為玄武巖RPC的破壞形態(tài).素RPC 劈拉試驗(yàn)中當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),試件發(fā)生脆性破壞甚至?xí)苯语w出.

(a)

(b)

在BF摻入RPC基體后,在加載過程中會(huì)產(chǎn)生微裂縫,從上下面開始延伸,隨后側(cè)面會(huì)產(chǎn)生裂縫,當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),上下裂縫直接貫穿,試塊并未直接分離,與素RPC劈拉強(qiáng)度相比,玄武巖RPC劈拉強(qiáng)度還是得到了顯著的提高.

不同養(yǎng)護(hù)方式下的增長(zhǎng)規(guī)律如圖4所示.當(dāng)纖維摻量未達(dá)到結(jié)團(tuán)摻量時(shí),試件7 d時(shí)劈拉強(qiáng)度的變化規(guī)律:組合養(yǎng)護(hù)>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)>自然養(yǎng)護(hù),而28 d時(shí)劈拉強(qiáng)度的變化規(guī)律:標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)>自然養(yǎng)護(hù)>組合養(yǎng)護(hù).加入BF后,BF在水泥基中呈三維亂向分布,對(duì)裂縫的初期發(fā)展有一定的抑制作用.BF與水泥界面相容性較好,具有橋接作用,這對(duì)RPC劈拉強(qiáng)度的提升產(chǎn)生積極促進(jìn)作用[10].

在自然養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下,玄武巖RPC的最佳纖維摻量為0.15 %,與素RPC相比,7 d,28 d時(shí)劈拉強(qiáng)度分別提升了75.9 %,64.1 %,74.9 %,56.6 %.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的劈拉強(qiáng)度略優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù).自然養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的劈拉強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)差距不大，這與RPC本身低水膠比、高密實(shí)度有著不可分割的關(guān)系.

在組合養(yǎng)護(hù)下,7 d時(shí)BF劈拉強(qiáng)度比素RPC提升了3.4 %,5.9 %,-4.6 %,-18.3 %,28 d時(shí)BF劈拉強(qiáng)度比素RPC提高了22.2 %,81 %,6.9 %,-4.6 %.在組合養(yǎng)護(hù)下,與7 d時(shí)劈拉強(qiáng)度相比,28 d時(shí)劈拉強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅度的倒縮現(xiàn)象,出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是較高溫度加速水化反應(yīng),短時(shí)間內(nèi)生成大量水化產(chǎn)物,但卻阻礙后期總水化程度的進(jìn)一步提升[11].

(a) 7 天(a) 7 days

(b) 28 天(b) 28 days

3 RPC微觀機(jī)理研究

3.1 SEM微觀分析

為研究BF在水泥基中的分布情況及纖維與界面粘結(jié)性能,如圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)所示,將BF拌和進(jìn)水泥基后,在一定摻量范圍內(nèi),BF未出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,與水泥相容性好、粘結(jié)比較緊密且與水泥基協(xié)同受力,交錯(cuò)亂向的BF使得裂縫路徑變得復(fù)雜化,當(dāng)裂縫發(fā)展至BF處時(shí),裂紋驅(qū)動(dòng)力受阻,裂紋停止發(fā)展,同時(shí)可以有效防止裂縫貫通.達(dá)到極限荷載時(shí),BF拉斷吸收更多的能量,從而改善RPC的宏觀力學(xué)性能.如圖5(d)所示,當(dāng)BF摻量超過0.15 %時(shí),BF結(jié)團(tuán)、重疊幾率增大,水泥基內(nèi)部形成較多的缺陷區(qū)域,進(jìn)而對(duì)RPC力學(xué)性能產(chǎn)生減益影響.

(a)

(b)

(c)

(d)

4 結(jié)論

(1) 組合養(yǎng)護(hù)下玄武巖RPC 7 d時(shí)的抗壓、劈拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)下7 d時(shí)的抗壓、劈拉強(qiáng)度.組合養(yǎng)護(hù)下的28 d齡期與7 d齡期相比,增長(zhǎng)不大且劈拉強(qiáng)度出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象.對(duì)3種養(yǎng)護(hù)來說，隨著齡期的延長(zhǎng),28 d齡期抗壓強(qiáng)度時(shí)的組合養(yǎng)護(hù)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù).對(duì)比28 d時(shí)的劈拉強(qiáng)度,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)優(yōu)于組合養(yǎng)護(hù).

(2) SEM分析表明，當(dāng)玄武巖纖維摻量在一定范圍內(nèi)時(shí)，其摻入對(duì)3種養(yǎng)護(hù)下RPC的抗壓、劈拉強(qiáng)度有著不同程度的改善.基于本文試驗(yàn)研究,當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.15 %時(shí),自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下抗壓、劈拉強(qiáng)度的提升幅度最大;當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.10 %時(shí),組合養(yǎng)護(hù)下抗壓、劈拉強(qiáng)度的提升幅度最大.