礦物摻和料對玄武巖纖維水泥砂漿強度發展的影響

葉邦土，蔣金洋，王文灝，夏 璐

（1.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210028；2.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189）

水泥基材料的強度與水泥水化速度和界面強度密切相關，纖維在水泥基材料中起增強、增韌作用，但是纖維長期處于堿性環境中會受到化學腐蝕損傷以及晶體產生的物理刻蝕損傷［1－2］.改善纖維在水泥基材料中耐久性的措施很多，主要包括改變纖維自身的化學組成、改善基體以及纖維表面改性［3］等.利用粉煤灰及硅灰等活性礦物摻和料對水泥基體進行改性是目前研究的一個熱點［4－5］.

鑒于此，本文主要研究了標準養護和熱水加速養護條件下玄武巖纖維增強水泥基材料的抗壓、抗折強度發展規律，并著重分析了粉煤灰和硅灰復摻對水泥砂漿中玄武巖纖維耐腐蝕性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，黃石華新水泥廠生產；粉煤灰：Ⅰ級F 類粉煤灰，鎮江諫壁電廠蘇源公司生產；硅灰：比表面積22 000m2／kg，SiO2含量1）文中涉及的含量、水膠比均為質量分數或質量比.95.5%，貴州海天鐵合金磨料有限責任公司生產；減水劑：聚羧酸減水劑JM－PCA（Ⅳ），減水率為35%，江蘇博特新材料有限公司研制；細集料：天然河砂，細度模數2.8，表觀密度2 620kg／m3；玄武巖纖維：浙江石金玄武巖纖維有限公司生產.水泥與粉煤灰的化學組成見表1.

表1 水泥和粉煤灰的化學組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cement and fly ash

1.2 制備與測試

按照表2 的配合比來制備玄武巖纖維水泥砂漿.首先將水泥、細集料以及其他礦物摻和料在攪拌機內攪拌2～3min，再加入已混合均勻的水和外加劑，繼續攪拌直到獲得較好的工作性，最后加入玄武巖纖維攪拌2～3min，使纖維在基體中均勻分散.將攪拌好的砂漿裝入尺寸為40mm×40mm×160mm的模具成型后，放入（20±2）℃，相對濕度＞90%的標準養護箱中養護24h后脫模.

表2 水泥砂漿配合比Table 2 Mix proportion of cement mortar

砂漿強度測試參照GB／T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》進行.采用美國FEI公司產Quanta 3DFEG 型系列環境掃描ESEM／聚焦離子束FIB“雙束”顯微鏡（quanta 3DFEG SEM／FIB dual beam）觀察纖維與水泥砂漿界面；采用德國Bruker－AXS公司產D8Discover型X射線衍射儀（Xray diffraction，XRD）定性分析水泥砂漿中水泥水化產物的晶體組成，掃描方式為locked coupled模式，工作電壓和工作電流分別為40kV 和30mA，掃描范圍為10°～80°，步寬0.02°，掃描速度8（°）／min.

2 結果與討論

2.1 標準養護下礦物摻和料對玄武巖纖維砂漿強度的影響

圖1給出了標準養護180d內各砂漿試件的強度發展情況.

由圖1可見：就抗壓強度而言，玄武巖纖維的摻入對配合比不同的各砂漿試件抗壓強度影響較小，其抗壓強度均略有降低.就抗折強度而言，玄武巖纖維砂漿試件M1－BF 的早期抗折強度有所提高，其7，28d的抗折強度分別較基準砂漿試件M1－J提高了12%和2%；28d后，隨著水泥水化反應的繼續，基準砂漿試件M1－J的抗折強度隨養護齡期的增長而不斷增長，纖維砂漿試件M1－BF抗折強度卻基本保持不變甚至略有降低；180d時，玄武巖纖維砂漿試件M1－BF抗折強度較基準砂漿試件M1－J下降了約11%.值得注意的是，摻60%粉煤灰的玄武巖纖維砂漿試件M2－BF 抗折強度28～180d仍保持增長趨勢，后期增長速率逐漸趨緩，180d時，其抗折強度高出基準砂漿試件M2－J 6%左右；摻50%粉煤灰和10%硅灰的玄武巖纖維砂漿試件M3－BF 28～180d一直保持較高的增長速率，180d時仍高出基準砂漿試件M3－J約17%.由各砂漿試件的強度發展情況可知，礦物摻和料可顯著延長玄武巖纖維對水泥砂漿抗折強度增強效果的時效，其中復摻粉煤灰和硅灰比單摻粉煤灰效果更為顯著.

2.2 80℃熱水養護下礦物摻和料對玄武巖纖維砂漿強度的影響

為研究玄武巖纖維增強水泥基材料長期服役條件下的耐久性問題，采用熱水養護方法來表征玄武巖纖維砂漿長期強度的發展規律.根據Arrhenius方程［6－7］（式（1）），可通過熱水養護下水泥基材料強度發展規律表征出長期標準養護條件下的強度發展規律.

式中：KT為養護溫度為T 時的強度發展速率常數；A為常數；Ea為活化能，J／mol；R 為氣體常數，8.314J·mol；T 為絕對溫度，K.

圖1 玄武巖纖維砂漿強度與標準養護時間的關系Fig.1 Relationship between standard curing time and strength of basalt fiber reinforced mortar

將試件在標準養護室中養護7d后放入加熱養護箱，分別養護3，5，7，12，20，28d，然后測其強度值.

熱水養護過程中，玄武巖纖維水泥砂漿強度發生波動起伏主要由兩方面因素導致：一方面，熱水養護條件下，試件基體水化速度加快，從而引起強度值上升，尤其是在熱水養護初期；另一方面，玄武巖纖維在水泥基材料中會受到堿性孔溶液的腐蝕，而熱水養護條件也加速了該腐蝕過程，使得纖維砂漿強度和韌性降低.

圖2為玄武巖纖維砂漿強度與80℃熱水養護時間的關系.

圖2 玄武巖纖維砂漿強度與80℃熱水養護時間的關系Fig.2 Relationship between curing time in hot water of 80℃and strength of basalt fiber reinforced mortar

圖2所得結果與圖1給出的標準養護條件下的強度發展規律類似.由圖2（a）可以看出，未摻礦物摻和料的纖維砂漿試件M1－BF 熱水養護后抗壓強度變化很小，而摻60%粉煤灰及混摻50%粉煤灰和10%硅灰的纖維砂漿試件抗壓強度仍不斷上升。由圖2（b）可以看出，未摻礦物摻和料的纖維砂漿試件M1－BF在熱水養護前的抗折強度高出基準砂漿試件M1－J約12%，而熱水養護28d后，M1－BF 試件抗折強度較M1－J試件降低了18%；摻60%粉煤灰的纖維砂漿試件M2－BF 的抗折強度在熱水養護前高出基準砂漿試件M2－J 19%，熱水養護28d后，其抗折強度較試件M2－J降低了15%；混摻50%粉煤灰和10%硅灰的纖維砂漿試件M3－BF 的抗折強度在熱水養護前高出基準砂漿試件M3－J 37%，熱水養護28d后，其抗折強度較試件M3－J降低了7%.這說明摻礦物摻和料后的纖維砂漿試件在熱水養護28d時，其抗折強度較試件的下降幅度明顯減小，且復摻粉煤灰和硅灰較單摻粉煤灰效果更為顯著.

由圖2還可以看出，未摻礦物摻和料的試驗組在熱水養護5d后出現纖維砂漿試件抗折強度低于基準砂漿試件的現象；而摻60%粉煤灰以及復摻50%粉煤灰和10%硅灰的試驗組在7，12d后才出現該現象.

2.3 微觀試驗和機理分析

粉煤灰的活性效應體現在粉煤灰的玻璃成分與水泥水化產物中的堿相互作用.摻入的粉煤灰消耗了水泥砂漿中的Ca（OH）2，降低了漿體孔溶液中的堿含量；而粉煤灰和硅灰復摻的試件中Ca（OH）2晶體的含量更少，因為硅灰具有較大的細度和大量的非結晶SiO2，具有很好的活性，摻入到水泥基材料中能夠迅速與水泥水化形成的Ca（OH）2發生化學反應，生成C－S－H 凝膠，使原本粗大的Ca（OH）2板狀結晶物數量大幅度減少，尺寸也大幅度減小，從而降低了玄武巖纖維在基體中的腐蝕程度.反映在圖2中就表現為摻礦物摻和料后纖維砂漿后期抗折強度較基準試件的下降幅度明顯減小.圖3為80℃加速老化28d后3種基準砂漿水泥水化產物的XRD圖譜.

圖3 80℃熱水養護28d后3種基準砂漿中水泥水化產物的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of mortars after cured for 28din hot water of 80℃

由圖3可以看出，單摻粉煤灰或復摻粉煤灰和硅灰后，砂漿試件中Ca（OH）2晶體的衍射峰消失，而水化產物中C－S－H 凝膠明顯增多.原因主要有以下兩方面：一是粉煤灰和硅灰等量替代部分水泥，減少了水泥用量，因此減少了Ca（OH）2的絕對生成量；二是粉煤灰和硅灰受Ca（OH）2激發，二次水化生成大量的C－S－H 凝膠，并且消耗了一部分Ca（OH）2，這就從根本上減少了結晶粗大的Ca（OH）2的數量及其在水泥石－集料界面過渡區和水泥石－纖維界面上的富集與定向排列，從而優化了界面結構［8－9］，同時還細化了水泥石的空隙，降低了孔隙率，使砂漿結構更加密實［10］.因此摻礦物摻和料后的玄武巖纖維砂漿宏觀上表現出更高的后期抗折強度.圖4為80℃加速老化28d后3種纖維砂漿中玄武巖纖維的掃描電鏡照片.

圖4 80℃加速老化28d后各試件中玄武巖纖維的SEM 照片Fig.4 SEM photos of basalt fiber in different specimens

由圖4可以看出，未摻礦物摻和料的玄武巖纖維砂漿試件M1－BF中，玄武巖纖維受到了非常嚴重的腐蝕，纖維與基體的黏結性能也較差；摻60%粉煤灰的試件M2－BF以及復摻50%粉煤灰和10%硅灰的試件M3－BF中，纖維腐蝕程度較小，且與基體的黏結性能也較好.

3 結論

（1）玄武巖纖維對早期水泥基材料抗折強度具有增強作用，隨著齡期延長，增強作用減弱，后期由于玄武巖纖維受到基體腐蝕反而對基體強度提高不利.

（2）使用粉煤灰和硅灰等活性摻和料對玄武巖纖維水泥砂漿長期強度發展的改善是有效的.粉煤灰和硅灰摻入后顯著降低了基體中Ca（OH）2晶體的含量，能夠有效降低玄武巖纖維在水泥基材料中的腐蝕程度，延長玄武巖纖維砂漿的使用壽命.

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