楊文瑞，黎惠瑩，馮中敏，王世玉，湯智毅

(東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013)

0 引 言

蒸汽養(yǎng)護(hù)下的高溫度、高濕度可以加快混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展，從而縮短生產(chǎn)周期[1-2]。但在快速水化的同時(shí)，蒸汽養(yǎng)護(hù)往往會(huì)對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不利的影響[3-4]。研究[5]表明，在混凝土中摻入纖維能改善混凝土性能。呂雁[6]研究了玻璃纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，混凝土綜合提升效果更好。代若愚等[7]也通過(guò)研究不同摻量的玻璃纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)更加合理。纖維摻入到水泥基復(fù)合材料中改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可對(duì)材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行改善。除了增強(qiáng)增韌外，同時(shí)提高材料的密實(shí)性和變形能力，從而增強(qiáng)材料的耐磨性、抗?jié)B性、耐腐蝕性、抗沖擊能力及抗疲勞性能[8-11]。

纖維混凝土中“纖維成團(tuán)”問(wèn)題限制了其在工程應(yīng)用中的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外研究主要通過(guò)物理方法和化學(xué)方法對(duì)纖維改性，從而改善纖維的分散性?；瘜W(xué)方法主要通過(guò)添加無(wú)機(jī)電解質(zhì)類(lèi)分散劑和表面活性劑，不同聚合物與玻璃纖維復(fù)摻，改善纖維與基體的界面結(jié)構(gòu)。同時(shí)，聚合物可以黏附在纖維表面，對(duì)纖維起到一定的保護(hù)作用，提高纖維的耐堿性能[12]。陳清等[13]研究了羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、六偏磷酸鈉對(duì)玻璃纖維漿料分散性的影響，結(jié)果表明添加分散劑六偏磷酸鈉的玻璃纖維漿的分散性最好，最佳摻量為0.04%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。張素風(fēng)等[14]用硅烷偶聯(lián)劑醇溶液、苯酚-四氯乙烷等溶劑浸泡玻璃纖維，然后用纖維分離機(jī)疏解纖維，發(fā)現(xiàn)經(jīng)苯酚-四氯乙烷溶劑浸泡后的玻璃纖維分散性更好。時(shí)藝娟等[15]將脆性纖維的助劑分散方法和物理分散方法進(jìn)行歸納，這兩種方法是解決纖維在不同體系中分散問(wèn)題的有效途徑。水溶性分散劑更加環(huán)保，無(wú)污染，超支化分散劑對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能、表觀性能和分散性有明顯提高。段景寬等[16]研究了五種新型結(jié)構(gòu)的分散劑對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料分散性的影響，其中具有酰胺基團(tuán)的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)分散劑(JWF-EBC)能明顯改善填料的分散性。Ibrahim等[17]將分散劑(BYK W-980)作為alfa纖維和聚乳酸聚合物的相容劑，分散劑對(duì)纖維表面改性，使得纖維在聚乳酸基體中的分散性更好。

玻璃纖維具有耐熱性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，分散劑改性玻璃纖維復(fù)合材料以其高性能和多功能性在各領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛[18-20]；混凝土中加入玻璃纖維能改善混凝土的性能，但因玻璃纖維在水泥基體中分散性差，并沒(méi)有在水泥基復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用。

綜上，本文將玻璃纖維與三種玻璃纖維分散劑分別復(fù)摻，加入混凝土中，通過(guò)對(duì)比分析分散劑與玻璃纖維復(fù)摻時(shí)混凝土微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和滲水高度的變化，探究分散劑對(duì)玻璃纖維在混凝土中分散性的影響和分散劑對(duì)玻璃纖維混凝土抗?jié)B性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

水泥采用某公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗集料為天然碎石，細(xì)集料為天然河砂；拌和及養(yǎng)護(hù)用水為城市自來(lái)水；玻璃纖維由奕琳玻纖工廠提供，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 玻璃纖維物理性能指標(biāo)Table 1 Physical performance indexes of glass fiber

分散劑為高分子型超分散劑(B193)、聚醚改性聚合物(S-3101B)和羧甲基纖維素鈉(CMC)，前兩種由廣州守正公司生產(chǎn)，最后一種由力宏精細(xì)化工廠生產(chǎn)。三種分散劑相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 分散劑參數(shù)Table 2 Parameters of dispersants

混凝土配合比根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)進(jìn)行設(shè)計(jì)，質(zhì)量比m(水泥) ∶m(水) ∶m(砂) ∶m(碎石)=1.00 ∶0.49 ∶1.74 ∶3.14，砂率為36%。

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

為研究三種分散劑對(duì)玻璃纖維在混凝土中分散性的影響，共設(shè)置11組試驗(yàn)，混凝土立方體抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，抗?jié)B試驗(yàn)采用尺寸為175 mm×185 mm×150 mm的試件。試件制作時(shí)先將碎石、砂和水泥進(jìn)行干拌，然后加入纖維攪拌1 min，再將分散劑溶于水后加入拌合料攪拌2 min。制備完成的試件進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)(見(jiàn)圖1)，試件蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程為：常溫下靜停4 h，升溫4 h，恒溫8 h，降溫4 h，共20 h，恒溫溫度為(45±2) ℃，蒸汽養(yǎng)護(hù)完成后試件脫模，然后移到養(yǎng)護(hù)室存放，養(yǎng)護(hù)溫度為19～21 ℃，相對(duì)濕度為95%。試件設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表3。

圖1 試件澆筑和蒸汽養(yǎng)護(hù)Fig.1 Casting and steam curing of specimens

表3 試件設(shè)計(jì)Table 3 Specimen design

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 微觀試驗(yàn)

圖2 微觀樣品Fig.2 Microscopic sample

采用FEI捷克有限公司生產(chǎn)的Nova NanoSEM450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)。試樣取自抗?jié)B試件中心部位，試樣大小為1 cm×1 cm×1 cm，將試樣固定在試樣臺(tái)上，先進(jìn)行鍍金，然后進(jìn)行電鏡掃描(見(jiàn)圖2)。主要觀測(cè)纖維混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物種類(lèi)、孔隙變化、裂縫擴(kuò)展情況等。

1.3.2 孔隙率試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C642進(jìn)行試驗(yàn)，首先將混凝土試件進(jìn)行烘干，再測(cè)定試件質(zhì)量。如果試件相對(duì)初次質(zhì)量測(cè)定時(shí)而言是干燥的，而且第二次測(cè)定的質(zhì)量與首次吻合，可認(rèn)為試件是干燥的。然后對(duì)試件進(jìn)行泡水飽和并煮沸，利用試件泡水煮沸前后質(zhì)量差與泡水煮沸后的質(zhì)量與表觀質(zhì)量差，計(jì)算得到試件孔隙率。

1.3.3 抗?jié)B試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，抗?jié)B試件6個(gè)為一組，試驗(yàn)前需要對(duì)試件進(jìn)行封蠟，之后將試件安裝至抗?jié)B儀，完成壓模過(guò)程；然后進(jìn)行密封性檢查，密封性達(dá)到要求后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，水壓力設(shè)置為1.2 MPa，24 h后劈開(kāi)，以10個(gè)測(cè)點(diǎn)處滲水高度的算術(shù)平均值作為該試件的滲水高度；最后計(jì)算6個(gè)試件滲水高度的算術(shù)平均值，作為該組試件的平均滲水高度。根據(jù)所得滲水高度的大小，比較混凝土的密實(shí)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3為摻加三種分散劑后，玻璃纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨分散劑摻量的變化。摻加分散劑B193和CMC后，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度有小幅提升，而摻加分散劑S-3101B會(huì)大幅降低混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)分散劑B193摻量為0.5%時(shí)，混凝土試件抗壓強(qiáng)度提高4.9%；當(dāng)分散劑S-3101B摻量為0.8%時(shí)，混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低17.5%；當(dāng)分散劑CMC摻量為0.5%時(shí)，混凝土試件抗壓強(qiáng)度提高2.2%。

圖4為分散劑摻量對(duì)玻璃纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。由圖4可知，分散劑B193和CMC摻入到玻璃纖維混凝土中，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，而分散劑S-3101B降低了混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)分散劑B193摻量為0.5%時(shí)，相較于未摻分散劑的混凝土試件，劈裂抗拉強(qiáng)度提高5.0%；當(dāng)分散劑S-3101B摻量為0.8%時(shí)，玻璃纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.52 MPa，下降9.4%；當(dāng)分散劑CMC摻量為0.5%時(shí)，玻璃纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.85 MPa，提高2.5%。

圖3 分散劑摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of dispersant dosage on compressive strength

圖4 分散劑摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of dispersant dosage on splitting tensile strength

摻加分散劑B193和CMC使試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有小幅提高，這是因?yàn)閾郊臃稚┖?，纖維在混凝土中分散更均勻，使得纖維與水泥基體形成的空間結(jié)構(gòu)更緊密。而摻加分散劑S-3101B使試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低，主要是因?yàn)榉稚㏒-3101B加入水泥基體中會(huì)生成大量氣體，導(dǎo)致混凝土硬化后，試件內(nèi)部孔洞致密，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

未摻分散劑玻璃纖維混凝土的SEM照片如圖5所示，未摻加分散劑的玻璃纖維混凝土中的玻璃纖維“成團(tuán)”現(xiàn)象嚴(yán)重，纖維未均勻分散在混凝土中，不能對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐久性等起到改善作用，反而會(huì)破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

摻加三種分散劑后玻璃纖維混凝土的SEM照片如圖6～圖8所示，摻加分散劑后玻璃纖維在纖維混凝土內(nèi)部的分散性更好，且混凝土與玻璃纖維接觸面的裂縫及孔隙很小，接觸面結(jié)合度較高，玻璃纖維與混凝土之間有一定黏結(jié)性，增強(qiáng)玻璃纖維混凝土的延性。摻加分散劑S-3101B的玻璃纖維混凝土因分散劑與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成氣體，導(dǎo)致混凝土硬化后，內(nèi)部形成了大量的孔洞(見(jiàn)圖7)，降低了試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。摻入分散劑B193和CMC的試件內(nèi)部玻璃纖維分散情況更好，玻璃纖維起到了“承托”骨料的作用，承擔(dān)了部分應(yīng)力，在混凝土內(nèi)部形成更加均勻的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了混凝土整體的結(jié)構(gòu)性能，限制了混凝土中微小裂縫的發(fā)展。

圖5 未摻分散劑玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of glass fiber concrete without dispersant

圖6 摻分散劑B193玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of glass fiber concrete with dispersant B193

圖7 摻分散劑S-3101B玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of glass fiber concrete with dispersant S-3101B

圖8 摻分散劑CMC玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of glass fiber concrete with dispersant CMC

2.3 不同分散劑對(duì)纖維混凝土孔隙率的影響

2.4 不同分散劑對(duì)玻璃纖維混凝土抗?jié)B性能的影響

2.4.1 滲水高度

分散劑摻量對(duì)滲水高度的影響如圖10所示，摻加分散劑的玻璃纖維混凝土的抗?jié)B性能從高到低為B193>CMC>S-3101B，隨著分散劑B193摻量增大，試件的滲水高度呈先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)B193摻量為0.2%、0.5%、0.8%時(shí)，滲水高度分別為23.1 mm、21.1 mm、22.2 mm，相比于未摻入分散劑的混凝土試件，滲水高度分別降低8.7%、16.6%、12.3%。

隨著分散劑S-3101B摻量增大，玻璃纖維混凝土試件的滲水高度逐漸增大。分散劑S-3101B摻量為0.2%、0.5%、0.8%時(shí)，滲水高度分別為30.0 mm、34.1 mm、36.5 mm，相比于未摻入分散劑的混凝土試件，滲水高度分別提高了18.6%、34.8%、44.3%，單獨(dú)摻入分散劑S-3101B不能抑制玻璃纖維混凝土中的水分滲透。

隨著分散劑CMC摻量增加，玻璃纖維混凝土試件的滲水高度先減小后增大，分散劑CMC摻量為0.2%、0.5%、0.8%時(shí)，滲水高度分別為24.6 mm、23.5 mm、24.1 mm，相比于未摻入分散劑的混凝土試件，滲水高度分別降低了2.8%、7.1%、4.7%。

圖9 分散劑摻量對(duì)玻璃纖維混凝土孔隙率的影響Fig.9 Effect of dispersant dosage on porosity of glass fiber concrete

圖10 分散劑摻量對(duì)滲水高度的影響Fig.10 Effect of dispersant dosage on seepage height

2.4.2 抗?jié)B機(jī)理分析

混凝土抗?jié)B性能主要與混凝土內(nèi)部的孔隙有關(guān)，不僅孔隙率對(duì)混凝土抗?jié)B能力有很大影響，同時(shí)其也受孔徑分布的影響。造成混凝土內(nèi)部孔隙率增大以及影響孔徑分布的原因有多種，水泥漿體在拌和過(guò)程中會(huì)有空氣進(jìn)入，本身具有一定的含氣量，導(dǎo)致水泥漿體內(nèi)含有一定的細(xì)小孔隙，水泥漿體與骨料之間黏合不佳，導(dǎo)致骨料與水泥漿體之間存在一些細(xì)小裂縫，這些裂縫和孔隙都會(huì)影響到混凝土的抗?jié)B性能。

2.4.3 分散劑對(duì)滲水高度的影響

孔隙率是材料中孔隙體積占總體積的比例，材料孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，從而反映混凝土的抗?jié)B性能。本文對(duì)摻加不同分散劑的玻璃纖維混凝土的孔隙率與滲水高度的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到孔隙率(P)與滲水高度(H)之間的關(guān)系，如圖11所示。

圖11 孔隙率與滲水高度關(guān)系擬合曲線Fig.11 Fitting curves of relationship between porosity and seepage height

根據(jù)2.3節(jié)得到的分散劑摻量(x)與玻璃纖維混凝土孔隙率(P)的關(guān)系，擬合得到三種分散劑摻量與孔隙率的關(guān)系曲線，如圖12所示。

圖12 孔隙率與分散劑摻量關(guān)系擬合曲線Fig.12 Fitting curves of relationship between porosity and dispersant dosage

根據(jù)孔隙率和分散劑摻量對(duì)玻璃纖維混凝土滲水高度的影響，建立三種分散劑摻量與玻璃纖維混凝土滲水高度之間的關(guān)系式，如式(1)～(3)所示。

摻加分散劑B193：

H=14.18x2-15.04x-25.41

(1)

摻加分散劑S-3101B：

H=-12.59x2+21.92x+26.43

(2)

摻加分散劑CMC：

H=4.18x2-4.79x+25.30

(3)

式中：H為滲水高度，mm；x為分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

將建立的模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖13所示?？傮w上模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度高，對(duì)于分散劑摻量對(duì)玻璃纖維混凝土滲水高度的影響能有效預(yù)測(cè)。從圖13中可以看出分散劑B193和S-3101B的摻量對(duì)滲水高度的影響較大。

圖13 分散劑摻量與滲水高度關(guān)系曲線Fig.13 Relationship curves between dispersant dosage and seepage height

3 結(jié) 論

(1)摻入三種分散劑均能改善玻璃纖維在混凝土中的分散性，能讓玻璃纖維在混凝土內(nèi)部形成更加均勻的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是加入分散劑S-3101B時(shí)，混凝土拌和時(shí)會(huì)生成大量氣體，混凝土硬化后內(nèi)部孔隙增多，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

(2)分散劑B193和CMC摻量為0.5%時(shí)，玻璃纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度分別提高4.9%和2.2%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高5.0%和2.5%。

(3)分散劑B193和CMC摻量為0.5%時(shí)，能改善玻璃纖維在混凝土中的分散性，減少混凝土中的孔隙，孔隙率分別降低13.3%和4.9%。

(4)分散劑B193和CMC摻量為0.5%時(shí)，玻璃纖維混凝土的抗?jié)B性能最好，滲水高度分別降低了16.6%和7.1%。

(5)建立三種分散劑摻量對(duì)玻璃纖維混凝土滲水高度的關(guān)系式，其中摻加分散劑B193：H=14.18x2-15.04x-25.41，摻加分散劑S-3101B：H=-12.59x2+21.92x+26.43,摻加分散劑CMC：H=4.18x2-4.79x+25.30。