高強高韌性水泥基薄板的研制

朱慧峰

(南通市交通工程質量監督站海門分站，江蘇南通 226100)

先進水泥基復合材料行為及其性能的研究在土木工程材料領域發展迅速，其中纖維作為水泥基復合材料的主要增韌材料，可以依靠其與基體的界面粘結承擔荷載，延緩基體中裂縫的出現和擴展，并吸收水泥基體開裂時釋放的能量，使復合材料即使在開裂后仍能具有一定的承載能力并繼續產生較大的塑性變形，從而使復合材料的韌性性能得到提高，因此纖維與水泥基材的粘結性能、韌性、裂紋擴展情況、能量吸收以及整體生存能力(即發生大變形時仍具有足夠的殘余強度)等方面的性能是近幾年研究的主要方向［1-3］。目前關于纖維水泥基材的研究主要集中在以下幾個方面:1)新增強材料的引入［4］;2)纖維與水泥基材的粘結以及粘結性能的優化［5］;3)纖維水泥基材模型的發展，通過建立模型，計算纖維水泥基復合材料的強度和韌性［6］;4)制備工藝的創新，提高材料之間的粘結，并降低孔隙率［7］。文獻用到的纖維主要有碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維等。其中PVA纖維由于其親水性，分散性好，與水泥基材的粘結良好，作為研究的主要方向之一。

本文選取比表面積800 m2/kg的高活性、超細礦渣粉和比表面積分別為20 000 m2/kg，450 m2/kg的硅灰及普通礦粉。相同摻量取代水泥的10%，制備水泥基復合材料，比較不同摻合料對水泥基復合材料力學性能的影響，制備高強水泥基復合材料。但是高強水泥基材料常常伴隨著高脆性、摧毀性的破壞，對大型工程而言，水泥基材的韌性顯得尤為重要，韌性表征了水泥基材避免災害性脆性破壞的能力。因此本文在制備高強水泥基材的基礎上，摻入不同體積分數的聚乙烯醇纖維，制備出高強、高韌性水泥基薄板。

1 試驗材料

采用華新水泥股份有限公司生產的52.5強度等級的硅酸鹽水泥，比表面積為380 m2/kg;江蘇博特聚羧酸高效減水劑PCAⅠ;高活性、超細礦渣粉比表面積800 m2/kg;硅灰、普通礦粉的比表面積分別為20 000 m2/kg和450 m2/kg。各種摻合料詳細的化學組成如表1所示，所用纖維的性能如表2所示。

表1 摻合料的化學成分 %

表2 PVA纖維性能

對比圖1a)和圖1b)，普通礦粉和超細礦粉的表觀形貌，超細礦粉的顆粒明顯小于普通礦粉，兩者均是不規則幾何形狀;圖1c)中10萬倍的放大倍數下可以清楚的看到，硅灰呈現球形顆粒，是由許多小顆粒通過靜電聚集在一起，這些球形顆粒的表面很光滑而且球體間呈點接觸。

圖1 摻合料的表觀形貌圖

2 試驗方法

強度試驗設計了四組不同配備比的凈漿試樣，其中一組為純水泥漿體的空白對比試樣，其他三組分別用摻10%的硅灰、普通礦粉、超細礦粉。所有試樣流動度控制在100 mm～110 mm之間。試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，成型24 h之后拆模，在20℃的溫度條件下，相對濕度90%的環境室中養護到相應齡期進行測試。具體的試驗配方見表3;纖維的摻量以體積分數計，砂為通過1.18 mm篩孔的細砂，薄板的尺寸為280 mm×70 mm× 25 mm，具體配合比見表4。

3 試驗結果與分析

3.1 基本力學測試結果與分析

水泥凈漿各齡期的抗壓、抗折強度發展如圖2所示。從圖2中可以看出摻入US試樣各齡期的強度明顯高于OS試樣;OS試樣1 d的增強效果不如空白試樣，3 d以后OS試樣各齡期的強度均高于空白試樣;加入硅灰后的試樣28 d抗壓、抗折強度比未摻硅灰的空白試樣明顯有所提高，但1 d，3 d，7 d強度的測試結果卻相反，空白試樣的抗壓強度反而比摻硅灰試樣的高出許多。由圖2可知，超細礦粉可較明顯地提高水泥基材料各齡期力學性能。

表3 三種摻合料取代水泥的漿體配合比(以重量百分比計)

表4 薄板配合比(以重量百分比計)

圖2 摻合料對水泥基材料力學性能的影響

超細礦粉與普通礦粉對水泥基材料影響取決于不同細度礦粉的火山灰活性以及微集料填充效應:徐彬和蒲心誠［8］將礦粉中的玻璃相的兩相形式分為連續相和分散相，認為分散相呈球狀或柱狀并均勻分散于連續相中;連續相即富鈣相，分散相即富硅相，在超細礦粉玻璃體中，富鈣相相當于膠結物，維持著整個礦粉玻璃體結構的穩定。當富鈣相在堿性介質中與OH-迅速反應而溶解后，超細礦粉玻璃體解體，富硅相逐步暴露于堿性介質中，與Ca(OH)2反應，加速水泥水化反應的進程;超細礦粉顆粒較細，粒徑大部分在5 μm以內，摻入水泥基材料中可大幅地改善膠凝材料顆粒的填充性，提高其致密度［9］。

硅灰的主要成分是SiO2，絕大部分是無定形氧化硅，鐵、鈣等的氧化物含量隨礦石的成分不同稍有變化。在水泥漿體水化硬化早期，硅灰的火山灰效應并不明顯，硅灰的摻入促進了Ca(OH)2均相成核結晶產生大晶體，促進了Ca(OH)2的富集［10］;在漿體硬化的后期，水化反應生成的Ca(OH)2先溶解在充滿水的孔隙中，相鄰離子的水化產物之間的空間被侵占，使得漿體內部的自由空間極小，使得硅灰與Ca(OH)2反應生成的C-S-H凝膠沿孔隙生長，堵塞了漿體內部的毛細結構，降低了孔隙率，對試樣硬化后期的強度提高有非常大的促進作用，因而SF10試樣后期的強度高于空白C試樣［11］。

3.2 水泥基薄板韌性測試結果與分析

從圖3可知，纖維水泥薄板的載荷—位移曲線可分為三個階段:首先是加載初期，載荷隨位移變化呈線性增長，為彈性階段;當載荷接近峰值載荷時，摻纖維的試件載荷變化較為平穩，基本在峰值載荷附近維持一段時間;然后斜率減小，載荷慢慢降低，表現為明顯的延性破壞階段。從圖3及表5可以看出隨著纖維摻量的增加，平板的抗彎強度和位移變形量明顯增大。表5比較了一定超細礦粉摻量下的不同纖維摻量之間的強度比較，可以看出摻有纖維的強度有比較明顯的提高，纖維體積分數為1%時，水泥基薄板的強度提高30%以上;摻1.7l%時，薄板強度提高40%甚至50%以上。不摻纖維的水泥基薄板彎曲破壞時峰值載荷和位移均較小，載荷—位移曲線沒有峰后階段，試件在載荷達到峰值時迅速降低，表現為脆性破壞。

圖3 纖維摻量對水泥基薄板載荷—位移曲線的影響

表5 纖維水泥基薄板載荷增長率

關于纖維對水泥基復合材料的影響的理論有四種，包括纖維間距理論和RSFRCC的復合力學理論，復合材料機理和增韌機理。參考這四種理論以及結合PVA纖維具體的情況對PVA纖維對水泥基材的增強、增韌效果，從水泥基材缺陷方面的改善情況以及PVA纖維的方向性、纖維長度及界面粘結等因素作出以下分析。

首先，當纖維的彈性模量遠遠大于水泥基材的彈性模量時，高彈模的PVA纖維分布到水泥基體中，減緩了基體損傷過程，阻止了裂縫的擴展，減少了裂縫間的相互連通，從而改變了復合前水泥基材料脆斷的特性，使基體具有了較大的延性［12］;隨著PVA纖維摻量提高，單位體積內的PVA纖維數量較多，從而更好地抑制了裂縫的擴展，減少了集中應力的出現［13］;再者，在水泥基體內部存在不同尺度層次的孔隙和缺陷，造成應力集中，為了增強水泥基材料的強度就必須減少與縮小裂縫源的尺寸和數量，緩和應力集中程度，提高抑制裂縫延伸與發展的能力［14］，在水泥基體中摻入PVA纖維將發揮約束裂縫引發與擴展的作用，纖維間距越小，則對緩和裂縫尖應力集中程度越大，從而對強度和韌性相應提高［15］;最后，纖維的引入還可以限制水泥基材的干燥收縮，這個效果也可以阻止微裂紋的擴展［16］。

4 結語

對比不同摻合料水泥基材料的力學性能，在此基礎上確定制備高強水泥基材的摻合料以及用量;摻入不同體積分數的PVA纖維，通過四點彎曲試驗及應力應變曲線比較纖維對水泥基復合材料力學及韌性的影響，得出的結論如下:

1)超細礦粉作為水泥基復合材料的活性摻合料，可以用來制備高性能的水泥基材料，尤其具有高的早期力學性能要求的水泥基材料。2)PVA纖維的摻入適當提高了試件抗彎或抗壓時的峰值載荷，從四點彎曲試驗和應力應變曲線可以看出:纖維對試件的韌性提高十分明顯，體積摻量1%時，應變提高近4倍;體積摻量1.7%時，應變提高5位左右。結合工作性及經濟性的要求，纖維摻量宜在1%左右。

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