俞韶秋,李國鋒,羅紹文,馬國民

(云南富龍高速公路建設指揮部,昆明650032)

一直以來,耐久性都是限制水泥基材料在高腐蝕環(huán)境下服役壽命的一個重要因素。混凝土的耐久性失效會對經濟建設和生態(tài)環(huán)境的保護產生負面影響,情況嚴重時還可能會威脅到國家和人民的安全[1]。超高性能混凝土(UHPC)自出現以來,憑借超高的強度、韌性以及十分出色的耐久性能,成為了建筑材料領域的關注熱點。根據現有的研究進展以及國內原材料的實際情況,宜選用52.5級水泥、活性較高的硅灰、超細礦粉等摻合料、高效減水劑,并采用0.25以下的極低水膠比進行配置,得到的UHPC 具有優(yōu)異的耐久性能和力學性能。

自GO 誕生以來,其在水泥基材料中的應用一直是研究熱點之一。根據現有研究基礎,G0的摻入可以增加水泥凈漿的流動性；還可以促進水泥水化,細化氫氧化鈣晶粒,改善界面過渡區(qū)；同時調控水化產物形貌,使得水化過程中產生花朵狀晶體,這些晶體在水泥孔隙處形成相互交聯的空間結構,從而顯著提升水泥基材料的力學性能[2]。

然而關于GO 在水泥基材料中的應用研究主要集中在普通水泥基材料,目前關于GO 對UHPC力學性能、自密實性能以及耐久性的影響研究還較少。該文在超高性能水泥基材料體系中引入GO,研究GO 復摻鋼纖維對UHPC強度和自密實性能的影響,旨在滿足UHPC自密實性能的前提下,找到GO 和鋼纖維最適宜的摻量,并測試復摻GO 與鋼纖維對UHPC性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料及試樣制備

實驗采用的原材料包括:OPC CEM I 52.5.N 級普通硅酸鹽水泥、超細礦粉、JD-FA2000減水型摻合料、硅灰、鋼纖維、氧化石墨烯、石英砂。所制備的超高性能混凝土漿體的水膠比(w/b)均為0.2,膠砂比為1.18∶1。水泥、超細礦粉、硅灰、JD-FA2000減水型摻合料的化學組成如表1所示。其中水泥、超細礦粉、硅灰、JD-FA2000減水型摻合料的平均粒徑(D50)分別為8μm,2μm,0.15μm,3μm；鋼纖維長度為13 mm,密度為7.8 kg/m3；氧化石墨烯(GO)由蘇州碳豐科技生產；石英砂的粒徑為0.15～2.36 mm。

表1 膠凝材料化學組成 w/%

1.2 試驗配比及測試方法

1)試驗配比

為了研究氧化石墨烯及鋼纖維對超高性能混凝土力學性能、流動性能、耐久性的影響,試驗設計了4組試驗,具體的配合比如表2所示。其中,GO、鋼纖維的摻入比例均為水泥用量的質量比。

表2 超高性能混凝土的配合比 /g

2)測試方法

力學性能測試參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》,進行砂漿抗壓強度的測試。制備的水泥砂漿裝入40 mm×40 mm×160 mm 的模具中成型,表面覆蓋保鮮膜以防止水分蒸發(fā),放置在環(huán)境溫度為(20±1)℃室內養(yǎng)護24 h后拆模,然后用保鮮膜密封,置于溫度為(20±1)℃,濕度≥98%的環(huán)境中養(yǎng)護至規(guī)定齡期以備抗壓強度測試?？箟簭姸炔捎萌詣訅毫C測試,加載速率為50 N/s,每一組配比制備三個試樣,測試結果取平均值。

流動性測試試驗參照國家標準GB/T 2419—2005的方法進行,將新拌漿體分兩次裝入截錐圓模(上口直徑70 mm,下口直徑100 mm,高度60 mm)中,并用搗棒搗壓,最后置于跳桌上跳動25次,利用卡尺測量底面相互垂直的兩個方向直徑,結果取平均值。

耐久性測試包括:抗氯離子滲透性能參照國家標準GB/T50082—2009的RCM 法；UHPC 的干燥收縮性能參照國家標準JC/T 603—2004?？沽蛩猁}侵蝕性能參照國家標準JGJ/T193—2009,選用質量濃度為10%的硫酸鈉溶液作為侵蝕溶液,將成型的試樣分別置于清水、硫酸鈉侵蝕溶液,測試其在60 d、105 d、150 d的抗壓強度變化,并計算試樣的抗蝕系數?？骨治g系數K 計算公式如下所示

其中,M 1,M 2分別為試塊在清水與侵蝕溶液中的抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

如圖1所示,與空白組相比(3 d強度為77.6 MPa,28 d強度為121.9 MPa),單摻0.03%的GO 可以明顯提高UHPC 的抗壓強度,其中3 d、28 d強度分別增加了9%、5%。原因是因為GO 的摻入將會細化孔徑,降低混凝土的孔隙率,增加結構的致密性；同時GO在水泥水化過程中起晶核效應,促進水化產物(Ca(OH)2,C-S-H gel)的生成,并作為模板調控水化產物晶體形貌,形成花朵狀晶體,這些花朵狀晶體可以在水泥孔隙處形成相互交聯的空間結構[3]。復摻0.02%與4.3%的鋼纖維可以進一步提高UHPC 的抗壓強度,與空白組相比,3 d、28 d 的抗壓強度分別增加了17%、14.5%。原因是因為鋼纖維的加入能夠在水泥基體中形成網狀結構,增加硬化水泥漿體的粘結力,減少裂縫,從而提高UHPC 的強度。保持GO 的摻量不變,增加鋼纖維的摻量,UHPC 的強度繼續(xù)增加,28 d的強度達到154 MPa。以上結果說明,GO 復摻鋼纖維對超高性能混凝土強度具有更好的增強作用。

2.2 流動度

圖2為摻入GO 及鋼纖維的UHPC 流動度。從圖2可以看出,與空白組相比(285 mm),單摻GO 的UHPC流動性明顯降低(降低8%)。原因是由于GO 顆粒粒徑較小,比表面積較大,它的加入會吸附大量的水分子,減少水泥漿體中自由水的含量,使得漿體的粘度和屈服應力增加,導致漿體流動度降低。另一方面,GO 中含有羥基、環(huán)氧基和羧基等活性和親水性官能團,將會加速水泥凝固,起到增稠促凝的作用,降低漿體的流動性。復摻鋼纖維將會繼續(xù)降低UHPC的流動度,原因是因為纖維的加入會在水泥漿體內部搭接成緊密的網狀結構[4],阻礙了漿體的自由流動,造成漿體流動度急劇下降。

2.3 UHPC抗氯離子滲透性能

表3為A1、A2和A3試樣的氯離子擴散系數。從表3可以看出,空白組的氯離子擴散系數為2.48×10-13m2/s,具有良好的抗氯離子滲透性能。一方面是因為UHPC采用的水膠比(0.2)較低,而且摻入大量由硅灰、超細礦粉、粉煤灰等組成的混合礦物摻合料,可以填充孔隙,同時火山灰效應可以消耗大量的Ca(OH)2,增加水化產物中C-S-H 凝膠的含量,改善界面過渡區(qū),從而降低內部孔隙率,提高UHPC 抗?jié)B透性。與空白組相比,單摻GO 可以降低UHPC的氯離子擴散系數,提高抗?jié)B性。原因主要是GO 將會細化孔徑,降低混凝土的孔隙率,增加結構的致密性；同時GO 在水泥水化過程中起晶核效應,促進Ca(OH)2與C-S-H 的生成。復摻鋼纖維進一步降低UHPC氯離子滲透系數,因為鋼纖維的加入可以抑制UHPC早期收縮開裂,進一步提高混凝土的密實度,從而降低氯離子滲透系數。

表3 氯離子擴散系數

2.4 收縮性能

圖3為A1、A2和A3試樣的干縮率。從圖3中可以看出,28 d之前,三組試樣的干縮率均隨著齡期的增加呈現近似線性增長,而到28 d之后,試樣干縮率增加幅度減小并逐漸趨于平衡,這是因為UHPC 早期水化慢,內部結構不夠致密,導致毛細孔中的水分擴散到混凝土表面,然后被蒸發(fā)到空氣中。隨著水化時間的延長,水泥水化程度增加,孔隙率降低,結構致密,毛細孔中水分的擴散被抑制,收縮率降低。相對于空白組,單摻GO 可以降低UHPC的干燥收縮,原因在于GO 的加入細化硬化水泥漿體內部的孔結構,降低孔隙率,增加密實度,從而減少材料內部水分的蒸發(fā)。復摻鋼纖維進一步降低UHPC 的干燥收縮,這是由于鋼纖維可以在UHPC內部形成亂向分布的三維結構,阻礙了材料內部的水分流動,且鋼纖維的橋接阻裂作用可以抑制UHPC 收縮[5]。從結果可以得出,GO 復摻鋼纖維對抑制UHPC干縮率是有利的。

2.5 抗硫酸鹽侵蝕性能

A1、A2和A3試樣在不同侵蝕介質中的抗壓強度、侵蝕系數如表4所示。從表中可以看出,在Na2SO4侵蝕溶液中養(yǎng)護的純UHPC試樣抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加呈現先增長后降低的趨勢,但都高于在水中養(yǎng)護的強度,原因是因為Na2SO4的引入可以激發(fā)礦粉、硅灰、粉煤灰的火山灰反應,從而產生大量網狀C-S-H凝膠,促進強度進一步增加。然而,侵蝕5個月后空白試樣強度降低,這是由于溶液中的SO2-4水化產生的Ca(OH)2反應,生成無膠結能力的石膏,導致強度降低。復摻GO 與鋼纖維明顯提高UHPC在硫酸鈉溶液中的抗壓強度,并且隨著齡期的增加,抗壓強度也逐漸增加,在5個月后未出現降低的趨勢。結合抗氯離子滲透性試驗可知,GO 及鋼纖維可以降低混凝土的孔隙率,提高抗?jié)B性,從而抑制了SO2-4的侵入,提高UHPC抗硫酸鹽侵蝕。同時,從表4中可以看出,單摻GO、復摻GO 與鋼纖維試樣的抗蝕系數均高于空白組,表明GO 及鋼纖維的摻入對改善UHPC的抗硫酸鹽侵蝕性能是有利的。

表4 A1、A2和A3在不同侵蝕介質中的抗壓強度和侵蝕系數

3 結 論

a.GO 與鋼纖維復摻能夠提高UHPC的力學性能,但是會降低漿體的流動度,且隨著鋼纖維摻量的增加,流動度明顯降低。

b.復摻GO 及鋼纖維可以提高UHPC抗?jié)B性,降低干燥收縮,提高抗硫酸鹽侵蝕能力。