纖維對水泥砂漿強度的影響

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400041)

引言

氧化石墨烯纖維是由石墨氧化制備石墨烯的中間產(chǎn)物，氧化石墨烯的結構上存在著大量的活性基團如羥基、羧基和環(huán)氧基，這些活性基團的引入使得石墨片層間的距離擴大且具有親水性，容易被分散制備成納米分散液及與其他物質(zhì)形成插層復合物[2]。據(jù)相關文獻研究[3]表明，摻入氧化石墨納微顆粒能使砂漿界面過渡區(qū)、孔結構得以改善，對水泥砂漿的韌性和強度都有所提高。本文對不同氧化石墨納微顆粒摻量對水泥砂漿抗折、抗壓強度的影響。

一、材料與方法

本試驗選用重慶拉法基P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥、標準砂、超聲波分散法制備的氧化石墨納微顆粒分散液。為了研究氧化石墨烯顆粒對水泥強度的變化選取0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%的分散液。本文采用三種不同的養(yǎng)護方法的養(yǎng)護溫度都為(20±2)℃，將試件拆模后，放入水中養(yǎng)護至相應齡期，表示為A養(yǎng)護。將試件拆模后，放入濕度在90%以上的養(yǎng)護室中養(yǎng)護至相應齡期，表示為B養(yǎng)護。將試件拆模后，在水中養(yǎng)護5d，再放入濕度在90%以上的養(yǎng)護室中養(yǎng)護至相應齡期，表示為C養(yǎng)護。

二、試驗結果與分析

(一)氧化石墨納微顆粒改性水泥砂漿的力學性能

1.試驗機理分析。水泥硬化漿體(水泥石)是一個多相多孔體系，是由數(shù)量眾多的納米級粒子(水化硅酸鈣凝膠)和吸附在凝膠孔內(nèi)的凝膠水、CH等結晶相、未水化水泥顆粒、毛細孔及毛細孔水所組成。水泥石的強度是指它抵抗破壞與斷裂的能力，毛細孔和凝膠體數(shù)量是決定砂漿強度的重要因素。毛細孔越少，砂漿越密實，凝膠體數(shù)量越多，砂漿強度越高，反之越低。據(jù)相關資料研究表明，氧化石墨納微顆粒對AFt和AFm起到晶核作用，使其形成了微細小的晶體，促進CH晶體的生長，同時抑制晶體的長大，從而對水泥基材料起到增強增韌作用。

2.試驗現(xiàn)象。如圖1在摻入氧化石墨烯后，水泥砂漿的早期(7d前)抗折抗壓強度略有降低。對比各組試件3d齡期抗折強度，當摻量為0.05%時，試件抗折強度相對基準砂漿試件，抗折強度下降程度最大，達到12.1%；當摻量為0.02%時，試件抗折強度相對基準砂漿試件抗折強度下降幅度最小，只有3.4%。受檢試件抗壓強度在基準試件抗壓強的92%～98.7%之間波動。對比各組砂漿的7d齡期強度，受檢試件的抗折強度在基準試件抗折強度的87.3%～97.2%之間波動，當摻量為0.02%時達到最小，當摻量為0.03%時達到最大；受檢試件的抗壓強度在基準試件抗壓強度的93.3%～96.7%之間波動，當摻量為0.05%時達到最小，當摻量為0.03%時達到最大。

圖1 摻入氧化石墨烯強度變化

3.試驗結果分析。受檢試件的早期強度比基準試件的早期強度低的主要原因在于，氧化石墨納微顆粒減緩了水泥的水化反應。鈣離子為二價正離子，配位數(shù)為4，是弱的結合體，能在堿性環(huán)境中形成不穩(wěn)定的絡合物。氧化石墨納微顆粒含有羥基、羧基、環(huán)氧基等極性基團，其中羥基(-OH)在水泥水化產(chǎn)物的堿性介質(zhì)中與游離的鈣離子生成不穩(wěn)定的絡合物，在水化初期控制了液相中的鈣離子濃度，從而減緩水泥的水化反應。隨著水化過程的進行，這種不穩(wěn)定的絡合物將自行分解，水化將繼續(xù)正常進行，并不影響水泥后期水化。氧化石墨納微顆粒使砂漿后期強度增加的原因主要有兩方面：一方面氧化石墨納微顆粒含有大量的羥基、羧基、環(huán)氧基等活性基團，水化產(chǎn)物優(yōu)先在氧化石墨表面的活性基團上有規(guī)律的形成形狀整齊的微晶產(chǎn)物，且使水泥石的孔徑分布更加均勻、細小，所以砂漿強度增加；另一方面氧化石墨納微顆粒減緩了水泥水化的速度，水化產(chǎn)物C-S-H、Ca(OH)2生成速度減慢，晶體生長發(fā)育條件好，生長發(fā)育更完整，形成更多的纖維狀結晶，相互間的接觸點增加。

(二)養(yǎng)護方法對砂漿力性能的影響

1.養(yǎng)護方法對水泥的水化機理。砂漿的硬化原因在于水泥的水化作用。周圍環(huán)境的溫度對水化反應速率有顯著的影響。養(yǎng)護溫度高可以增大初期水化速度，砂漿初期強度也高。但急速的初期水化會導致水化物分布不均勻，水化物稠密程度低的區(qū)域?qū)⒊蔀樗嗍械谋∪觞c，從而降低整體的強度；水化稠密程度高的區(qū)域，水化物包裹在水泥粒子的周圍，會妨礙水泥反應的繼續(xù)進行，對后期強度的發(fā)展不利。在養(yǎng)護溫度較低的情況下，由于水化緩慢，具有充分的擴散時間，從而使水化產(chǎn)物在水泥石中均勻分布，有利于后期強度的發(fā)展。但如果溫度太低，低于0℃，水結冰后，水化反應將停止，使得砂漿強度降低。

2.試驗現(xiàn)象與分析。在圖2中，可以看出在7d齡期時，三種養(yǎng)護方法下的氧化石墨納微顆粒改性水泥砂漿的抗折強度均低于相應基準水泥砂漿抗折強度，抗壓強度隨著氧化石墨納微顆粒摻量的增加變化很小，這是由于氧化石墨納微顆粒減緩了水泥的水化作用。抗壓強度隨著氧化石墨納微顆粒摻量的增加變化很小在C養(yǎng)護方法下養(yǎng)護的水泥砂漿的抗折強度普遍高于在另外兩種方法下養(yǎng)護的砂漿的抗折強度，說明干濕交替養(yǎng)護有助于砂漿強度的增長。不同的養(yǎng)護方法對不同摻量的氧化石墨納微顆粒改性水泥砂漿的抗壓強度有一定的影響。在7d齡期時，三種養(yǎng)護方法下的氧化石墨納微顆粒改性水泥砂漿的抗壓強度隨著氧化石墨納微顆粒摻量的增加變化很小。

(a)7d Flexural strength

(b)7d Compressive strength

三、結論

在3、7d齡期時，摻有氧化石墨納微顆粒的砂漿抗折、抗壓強度均比基準砂漿的抗折抗壓強度低；但在28天齡期時，隨著氧化石墨納微顆粒摻量的增加，砂漿的抗折、抗壓強度增加。初步分析，氧化石墨納微顆粒具有減緩水泥水化反應和增強作用。不同的養(yǎng)護方法對砂漿的抗折、抗壓強度有一定的影響。C養(yǎng)護方法有助于氧化石墨納微顆粒改性砂漿強度的提高。