浸水環(huán)境下改性氯氧鎂砂漿黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律

喬宏霞 ，舒修遠(yuǎn) ，曹鋒 ，崔麗君

（1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省先進(jìn)土木工程材料工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；3.青海民族大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810000）

青稞主要生長(zhǎng)在我國(guó)西部高原地區(qū)，是藏區(qū)居民的重要農(nóng)作物之一，既可作為食物、藥物，其秸稈也可用作飼料、燃料等.目前中國(guó)青稞的種植面積已超過(guò)400 萬(wàn)畝，其中青海省青稞種植面積約占其中的40%［1-2］.收割后的青稞秸稈中粗蛋白含量?jī)H為3.51%，灰分含量高達(dá)10.34%，且灰分中SiO2含量較高［3］，牲畜過(guò)多食用會(huì)出現(xiàn)消化不良及產(chǎn)奶量減少等問(wèn)題，因此，未經(jīng)加工處理的青稞秸稈不太適合用作飼料［4］.此外，當(dāng)?shù)亟乖谵r(nóng)田焚燒秸稈，高原寒冷、降水少等氣候特點(diǎn)也使得秸稈還田效果不佳.大量的秸稈被堆積閑置或被用作家用燃料，焚燒過(guò)后的灰粉被當(dāng)作垃圾處理，不僅影響了生態(tài)環(huán)境，而且造成了自然資源的浪費(fèi).

氯氧鎂水泥（Magnesium Oxychloride Cement，MOC）是一種具有較高抗鹽鹵侵蝕性能的鎂質(zhì)膠凝材料，且具有較好的界面黏結(jié)性能，在鹽湖地區(qū)的建筑工程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景.但由于MOC 中的5相晶體容易發(fā)生水解，因此浸水環(huán)境下其力學(xué)及耐久性能較差，耐水性不足等缺陷限制了MOC 的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用［5］.國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗渣灰［6］、稻殼灰［7］、棉稈灰［8］等廢棄農(nóng)作物經(jīng)過(guò)一系列處理后具有火山灰效應(yīng)，按一定比例摻入水泥中會(huì)與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，對(duì)水泥基材料的性能有顯著的改善作用.曹鋒等［9］發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)煅燒及研磨處理的青稞秸稈灰（Highland Barley Straw Ash，HBSA）類似于上述材料，含有較多的活性SiO2，在MOC中外摻入的10%的HBSA 會(huì)提高其耐水及力學(xué)性能，這使得青稞秸稈灰作為水泥基輔助膠凝材料成為可能.翁睿等［10］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使用磷酸三甲酯（TMP）作為輔助溶劑可以顯著提高玻璃纖維增強(qiáng)氯氧鎂水泥復(fù)合材料的界面黏結(jié)性能，Zhou、徐金霞等［11-12］發(fā)現(xiàn)一定量的聚丙烯酰胺（PAM）、聚丙烯酸鈉（PAAS）等有機(jī)活性劑等材料會(huì)大幅改善水泥砂漿界面性能.

將經(jīng)HBSA 改性后的氯氧鎂水泥砂漿（Magnesium Oxychloride Cement Mortar，MOCM）作為普通混凝土（Norml Concrete，NC）的外防護(hù)層，不僅可以提升整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還可以使得具有良好抗鹽鹵侵蝕性能的MOCM 替代NC先一步受到侵蝕，延緩主體結(jié)構(gòu)受侵蝕的速度，為鹽湖區(qū)混凝土抗鹽鹵侵蝕提供新思路，而且在一定程度上緩解鹽湖老鹵堆積、廢棄秸稈的資源處置問(wèn)題，有利于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展.HBSA 改性氯氧鎂水泥砂漿作為混凝土防護(hù)層的前提是兩者之間具有較好的黏結(jié)性，能夠協(xié)同工作.

本文以可能會(huì)影響氯氧鎂水泥砂漿與普通混凝土界面黏結(jié)性能的因素為變量，設(shè)置對(duì)照組.通過(guò)黏結(jié)拉伸試驗(yàn)及微觀測(cè)試分析等方法，研究浸水環(huán)境下經(jīng)HBSA改性的MOCM-NC黏結(jié)強(qiáng)度演化規(guī)律，從不同角度分析各影響因素對(duì)MOCM-NC 黏結(jié)性能的影響，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)組以及MOCM 界面黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)變函數(shù)模型.

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

制備MOCM-NC 試件所用主要原材料有：輕燒氧化鎂粉（MgO）和工業(yè)氯化鎂（MgCl2·6H2O）；P·O 42.5 級(jí)水泥；某企業(yè)施工用5～10 mm 連續(xù)級(jí)配碎石；級(jí)配良好粒徑小于4.75 mm 的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；拌合水用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，符合混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)；減水劑采用聚羧酸系高效減水劑，減水效率為21%；耐水劑采用磷酸，H3PO4的含量不小于85%；界面劑采用YJ-302 混凝土界面處理劑，是一種有機(jī)聚合物乳液；青稞秸稈取自青海省互助土族自治縣，去除雜草、土石渣等雜質(zhì)后，經(jīng)許可在室外環(huán)境下焚燒3 h左右，將燒得的青稞秸稈灰分再次過(guò)篩除雜，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用馬弗爐進(jìn)行二次煅燒，煅燒溫度為600 ℃、煅燒時(shí)間為2 h.然后在輥式球磨機(jī)中研磨2 h，即得到試驗(yàn)用HBSA［13］，其化學(xué)組成見(jiàn)表1.

表1 HBSA的化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of HBSA %

1.2 試件制備

MOCM-NC 拉伸黏結(jié)試驗(yàn)裝置如圖1所示，先制作NC 試塊，尺寸為70 mm×70 mm×20 mm，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2.

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test device diagram

表2 普通混凝土配合比Tab.2 Mix ratio of normal concrete kg/m3

制備完成后，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，隨后取出試塊，擦干表面水分，在試塊上表面均勻涂刷YJ-302 混凝土界面處理劑.在界面劑未干前，在此面上放置面積為40 mm×40 mm 成型框，成型框厚度有6 mm、12 mm、18 mm、24 mm 四種，在成型區(qū)內(nèi)澆注MOCM 拌合料，制成黏結(jié)試件.MOCM 配合比見(jiàn)表3，以MOCM 中是否摻入HBSA、混凝土黏結(jié)面是否涂刷界面劑YJ-302、砂漿厚度3 種可能影響因素為變量制作7 組試件.制作完成的試塊在室內(nèi)自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，分別在第7 d、14 d、28 d進(jìn)行早期黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，試件分組及室內(nèi)干燥環(huán)境下MOCM試件的早期黏結(jié)強(qiáng)度如表4所示，其余試件在28 d后泡入水中.

表3 氯氧鎂水泥砂漿配合比Tab.3 Mix ratio of magnesium oxychloride cement mortar kg/m3

表4 試件分組及室內(nèi)干燥環(huán)境下MOCM 試件的早期黏結(jié)強(qiáng)度Tab.4 Specimen grouping and early bonding strength of MOCM specimens in indoor dry environment

1.3 試驗(yàn)方法

共7個(gè)試驗(yàn)組，每組90個(gè)試件，每組在室內(nèi)自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至第7 d、14 d、28 d 時(shí)各取出10 個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試，以10 個(gè)試件測(cè)出的算術(shù)平均數(shù)作為該組拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4.其余試件在28 d后移入水中浸泡，水沒(méi)過(guò)試件上表面5 cm，定期在水箱里加水以保證高度恒定.每浸泡10 d后，每組各取出10 個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試至浸泡60 d結(jié)束.

測(cè)試前將試件取出，待其表面水分晾干后，在MOCM上表面均勻涂刷環(huán)氧樹(shù)脂膠，然后黏上金屬黏結(jié)頭，靜置24 h 后，開(kāi)始黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試.采用華龍WDW-100C 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ∕T 70—2009）要求，設(shè)置加載速度為5 mm∕min.黏結(jié)強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：fat表示砂漿拉伸黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；F表示試件破壞時(shí)的荷載，N；AZ表示黏結(jié)截面面積，1 600 mm2.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 破壞特征

取浸水侵蝕結(jié)束后完成測(cè)試的試件，觀察并記錄破壞面兩側(cè)的破壞形貌，混凝土面層和MOCM 黏結(jié)面的主要破壞形式如圖2和圖3所示.正常破壞狀態(tài)如圖2（b）、（c）所示，試驗(yàn)結(jié)束后試件成功破壞，試驗(yàn)機(jī)橫梁自動(dòng)回歸原位，部分MOCM 塊體會(huì)從試件剝離，混凝土表層也會(huì)留下部分MOCM 塊體，破壞面位于MOCM 內(nèi)部且破壞面不平整.圖2（a）所示狀態(tài)是由于此類試件MOCM-NC 的黏結(jié)強(qiáng)度超過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠與MOCM 的黏結(jié)極限強(qiáng)度，環(huán)氧樹(shù)脂膠殘留在黏結(jié)頭上，MOCM 未被剝離且保存完整，MOCM-NC試件未破壞.試件受侵蝕嚴(yán)重或內(nèi)部反應(yīng)不充分，會(huì)導(dǎo)致其黏結(jié)強(qiáng)度過(guò)低，此類試件在測(cè)試時(shí)的主要破壞形貌如圖2（d）、（e）所示，此時(shí)混凝土表面殘留有極少量的一層薄的砂漿漿體，且表面平整光滑，此類試件破壞面位于MOCM底層，即MOCM-NC黏結(jié)面.

圖3 MOCM黏結(jié)面的破壞形式Fig.3 The failure mode of MOCM bonding surface

正常破壞狀態(tài)下砂漿底面的破壞形式如圖3（a）所示，此類試件破壞后，由于破壞面位于MOCM 內(nèi)部且不平整，殘余的MOCM 塊體表面較為粗糙，可明顯觀察到裸露的集料.若MOCM 受侵蝕或內(nèi)部反應(yīng)不充分，則會(huì)出現(xiàn)類似圖3（b）、（c）所示的破壞形貌，其破壞面較為平整細(xì)膩，無(wú)明顯的大粒徑集料出現(xiàn)，說(shuō)明此時(shí)試件內(nèi)部反應(yīng)不均勻.當(dāng)MOCM 受侵蝕嚴(yán)重或內(nèi)部反應(yīng)不充分時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)類似圖3（d）、（e）所示的破壞形貌，破壞面泛白且基本位于黏結(jié)面處，破壞面上有少數(shù)孔洞.若試件繼續(xù)處于侵蝕環(huán)境，表面孔隙數(shù)量會(huì)增加且尺寸會(huì)進(jìn)一步變大，砂漿強(qiáng)度較低，可輕易搓下表面粉渣，表面未完全硬化，且有球狀顆粒，碾碎后是未反應(yīng)的砂石或未進(jìn)一步水化的材料聚合體.在測(cè)試過(guò)程中，空白對(duì)照組WW-6比其他變量組出現(xiàn)黏結(jié)強(qiáng)度低的樣本數(shù)量更多，各對(duì)照組出現(xiàn)此類試件的數(shù)量也隨著侵蝕時(shí)間的增加而變多.說(shuō)明在界面涂刷YJ-302 界面劑、在MOCM 中摻入HBSA都可以使反應(yīng)更加充分，黏結(jié)強(qiáng)度提高.

2.2 影響因素分析

2.2.1 界面劑和HBSA

MOCM-NC 試件尺寸較小且黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行較快，難以捕捉測(cè)試過(guò)程中試件裂縫的發(fā)展情況，因此借助拉伸黏結(jié)試驗(yàn)生成的荷載-位移曲線分析不同組試件侵蝕前后裂縫發(fā)展規(guī)律.測(cè)試樣本數(shù)量眾多，難以一一列舉，選擇部分典型曲線進(jìn)行描述.此處典型曲線指的是本次測(cè)試中最接近最終平均強(qiáng)度，同時(shí)能反映出該測(cè)試組內(nèi)多數(shù)試件走勢(shì)的、某一個(gè)試件的荷載-位移曲線，試驗(yàn)開(kāi)始前將試件貼緊夾具，初始位移為0，用位移大小間接反映內(nèi)部主裂縫發(fā)展情況.

從荷載-位移曲線角度分析涂刷YJ-302 界面劑對(duì)MOCM-NC 黏結(jié)強(qiáng)度的影響.浸水0 d 和60 d 后WW-6組和WY-6組的荷載-位移典型曲線如圖4所示.根據(jù)典型曲線將試驗(yàn)過(guò)程大致分為三個(gè)階段，即彈性階段（om）、裂縫發(fā)展階段（mn、np）和強(qiáng)化階段（pq）.在加載初期，荷載和裂縫均有小幅度增長(zhǎng)，此階段內(nèi)荷載與位移之間呈一定的線性增加關(guān)系，黏結(jié)面處于短暫的彈性階段；隨后荷載增幅小而裂縫生長(zhǎng)速率較快，此時(shí)試件處于裂縫發(fā)展階段，當(dāng)裂縫擴(kuò)張到一定程度后，隨著荷載的進(jìn)一步增加，試件進(jìn)入強(qiáng)化階段，此時(shí)荷載增速較快，隨著位移的增加表現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律，達(dá)到臨界荷載后，試件破壞，試驗(yàn)機(jī)橫梁自動(dòng)回到初始位置.

圖4 WW-6組和WY-6組在浸水前后的荷載-位移典型曲線Fig.4 Typical load-depth curves of WW-6 group and WY-6 group before and after immersion

經(jīng)過(guò)侵蝕后的試件在進(jìn)行測(cè)試時(shí)都直接進(jìn)入裂縫發(fā)展階段或強(qiáng)化階段，各類試件的破壞荷載都有較大幅度下降，且破壞時(shí)位移也逐漸減小.在經(jīng)過(guò)60 d浸水侵蝕后，WY-6的破壞荷載都略高于WW-6組，且破壞位移都要大于WW-6組，說(shuō)明試件在黏結(jié)界面涂刷YJ-302 界面劑后，界面劑與MOCM 漿體具有良好的兼容性，可以互相浸透，填充在針棒狀5 相晶體的表面孔隙中，提高了對(duì)晶體的握裹力，提升了界面區(qū)域的密實(shí)度，減少了結(jié)晶接觸點(diǎn)，能夠有效地保護(hù)纖維，減少5 相結(jié)晶壓力對(duì)表面裂紋的影響，從而有效地防止其擴(kuò)張［10］.界面劑自身有一定的柔韌性和彈性，可以吸收一定的能量，減緩因開(kāi)裂破壞導(dǎo)致的黏結(jié)性能下降［14］.

在加載初期om階段，WY-6 組試件荷載與位移之間呈短期內(nèi)較小幅度的線性增加關(guān)系，黏結(jié)界面處于彈性受力階段；隨著荷載的不斷增加，MOCM 出現(xiàn)較大裂縫，試驗(yàn)進(jìn)入裂縫發(fā)展階段，在mn、np階段，荷載增長(zhǎng)平緩且裂縫生長(zhǎng)較快；裂縫發(fā)展到一定程度后，試件進(jìn)入強(qiáng)化階段，即pq段，加載端的荷載持續(xù)增加達(dá)到臨界破壞點(diǎn)q；q點(diǎn)以后，試件破壞，試驗(yàn)機(jī)橫梁自動(dòng)回到初始位置.經(jīng)過(guò)60 d的浸水養(yǎng)護(hù)，WW-6 組試件黏結(jié)強(qiáng)度由1.09 MPa 降至0.14 MPa，下降87.2%，WY-6 組試件黏結(jié)強(qiáng)度由1.13 MPa 降至0.21 MPa，下降81.4%，養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)WY-6 組黏結(jié)強(qiáng)度比WW-6 組高50%，說(shuō)明在黏結(jié)界面涂刷YJ-302界面劑可以促進(jìn)界面反應(yīng)，既可以一定程度上強(qiáng)化界面黏結(jié)強(qiáng)度，降低浸水導(dǎo)致的界面劑強(qiáng)度退化速度，又可以承受更寬的破壞裂縫，提高破壞閾值.

浸水環(huán)境下WW-6 組和YW-6 組黏結(jié)強(qiáng)度變化如圖5所示，可以看出前10 d界面劑強(qiáng)度下降幅度較大，之后趨于緩和，浸水60 d后，YW-6組黏結(jié)強(qiáng)度由1.2 MPa 降 至0.3 MPa，比WW-6 組 的0.143 MPa 高114.3%，比WY-6 組的0.21 MPa 高42.9%，這說(shuō)明在MOCM 中摻入適量的HBSA、在黏結(jié)界面涂刷YJ-302界面劑都可以提高M(jìn)OCM-NC 黏結(jié)強(qiáng)度，且前者帶來(lái)的增益效果更為顯著.

圖5 WW-6組和YW-6組黏結(jié)強(qiáng)度變化折線圖Fig.5 Line chart of bond strength change of WW-6 group and YW-6 group

取WW-6、YW-6 兩組在浸水0 d、60 d 后完成測(cè)試的試件，將破壞面5 mm 內(nèi)的MOCM 取樣進(jìn)行X 射線衍射測(cè)試，得到XRD 圖譜如圖6 所示.可以看出：浸泡前后WW-6 組5 相晶體衍射峰都比YW-6 組更小，經(jīng)Origin 軟件分峰擬合計(jì)算得浸泡60 d 后兩組的5 相晶體結(jié)晶度分別為3.15%和9.63%，WW-6 組SiO2衍射峰較YW-6 組更大，且浸泡后降低不明顯，經(jīng)計(jì)算，浸泡60 d 后兩組的SiO2結(jié)晶度分別為28.41%和20.82%，說(shuō)明摻入HBSA 后，YW-6 組水化過(guò)程中出現(xiàn)了更為充分的火山灰反應(yīng)，更多的SiO2由晶體態(tài)轉(zhuǎn)為活性態(tài)，為水化第二階段生成M-S-H凝膠做準(zhǔn)備.M-S-H 凝膠是一種致密的層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，主要包括滑石、海泡石和蛇紋石結(jié)構(gòu)［15］，凝膠能夠填充MOCM 部分內(nèi)部孔隙，更為致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了MOCM與NC的界面黏結(jié)力.

圖6 WW-6組和YW-6組隨養(yǎng)護(hù)齡期變化XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of WW-6 group and YW-6 group changing with the curing age

對(duì)浸水前后的WW-6、YW-6 組試件樣品進(jìn)行紅外吸收光譜測(cè)試，得到FTIR 圖譜如圖7 所示，1 008 cm-1處的吸收峰是由 Si—O 鍵的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起，而781 cm-1處的吸收峰是由 Si—O 鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起，這兩個(gè)吸收峰是 M—S—H 形成的標(biāo)志［16］.一定量的M—S—H 凝膠可以有效填充晶體及固體顆粒間隙，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)性，從而提高黏結(jié)性能，而這兩個(gè)峰都隨浸泡時(shí)間增加而減弱或消失，3 693 cm-1處由Mg—OH 鍵的伸縮振動(dòng)引起的吸收峰隨浸泡時(shí)間增加而變強(qiáng)，說(shuō)明部分強(qiáng)度相水解，生成更多的Mg（OH）2，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得多孔疏松，黏結(jié)強(qiáng)度降低.WW-6 組此吸收峰更強(qiáng)，這與WW-6組粘結(jié)強(qiáng)度下降更為明顯的現(xiàn)象吻合.

圖7 浸水環(huán)境下WW-6組和YW-6組隨養(yǎng)護(hù)齡期變化FTIR圖譜Fig.7 FTIR patterns of WW-6 group and YW-6 group changing with the curing age under water immersion environment

浸水前后WW-6、YW-6組試樣黏結(jié)界面處的微觀形貌，如圖8 和圖9 所示.浸水前未摻HBSA 的MOCM微觀結(jié)構(gòu)疏松多孔，主要以針棒狀5相晶體為主，晶體之間相互交錯(cuò)形成了大量的孔隙.摻入HBSA的MOCM微觀結(jié)構(gòu)較為致密，其產(chǎn)物中有大量的M—S—H 凝膠生成，有效地填充了5 相晶體之間的孔隙，使得結(jié)構(gòu)較為致密.浸水后未摻HSBA 的MOCM 微觀形貌中孔洞更為明顯.這是由于浸泡過(guò)程中，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成越來(lái)越多Mg（OH）2的同時(shí)，5 相晶體不斷水解，層狀Mg（OH）2分布在晶體周圍，形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，使得孔隙不斷增大［17］.摻入HBSA 的MOCM 在浸水侵蝕后，微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)較為致密.這是由于摻入HBSA 的MOCM 中生成了大量的M—S—H 凝膠，均勻地包裹了5相晶體，填充了晶體之間的孔隙.可見(jiàn)，摻入HSBA 的MOCM在浸水后，水化產(chǎn)物較為穩(wěn)定，微觀結(jié)構(gòu)較為致密，有效地緩解了5相晶體的水解，提高了MOCM的耐水性.

圖8 浸水前MOCM的SEM圖Fig.8 SEM patterns of MOCM before water immersion

圖9 浸水后MOCM的SEM圖Fig.9 SEM patterns of MOCM after water immersion

浸 水60 d 后WW-6、YW-6 組MOCM 的SEMEDS（能量色散X 射線光譜）如圖10 和圖11 所示.由圖11 可以看出，其主要元素構(gòu)成基本相同，摻入HBSA 與未摻入HBSA 的MOCM 的元素分布呈現(xiàn)出不同的分布形態(tài).未摻入HBSA 時(shí)，Mg元素與O 元素的形態(tài)高度一致，說(shuō)明Mg 元素與O 元素有效地結(jié)合在一起，這是由于生成MgO 與Mg（OH）2而形成的.Cl元素的分布與Mg 元素與O 元素的分布相似，呈現(xiàn)出均勻分布的形態(tài)，可見(jiàn)Cl元素與Mg元素和O 元素結(jié)合生成了5 相晶體.摻入HBSA 的MOCM 中，Mg 元素與O 元素的分布形態(tài)高度一致，Cl 元素在Mg 元素與Si元素分布的區(qū)域內(nèi)均勻分布，說(shuō)明產(chǎn)物中有5相晶體的形成.此外，Si 元素的分布與未摻入HBSA 時(shí)呈現(xiàn)出不同的分布形態(tài).Si 元素分布在Mg 元素與O 元素缺失的區(qū)域，呈現(xiàn)出點(diǎn)狀集中分布形態(tài)，因此，Mg、Si、O 有效地結(jié)合在一起.這是由于摻入HBSA 的MOCM 中含有一定量的活性SiO2，能夠與水化產(chǎn)物中的Mg（OH）2發(fā)生水化反應(yīng)生成M—S—H，使得Mg、Si、O元素有機(jī)結(jié)合在一起.

圖10 浸水60 d后MOCM 的 SEM-EDS 圖譜Fig.10 SEM-EDS patterns of MOCM after 60 d immersion in water

圖11 MOCM 的元素映射圖譜Fig.11 Elemental mapping of MOCM

綜合強(qiáng)度變化和微觀測(cè)試結(jié)果，可得出以下結(jié)論：在MOCM 中摻入10%的HBSA 可以促進(jìn)MOCM內(nèi)部水化反應(yīng)，生成更多的M—S—H 凝膠，充分?jǐn)U散填充在晶體和纖維縱橫交錯(cuò)的骨架之中，構(gòu)成了膠體-晶體-纖維交錯(cuò)連生的整體，調(diào)整了界面的結(jié)構(gòu)，提高了纖維基體間的黏結(jié)，強(qiáng)化了界面黏結(jié)能力，且減緩浸水環(huán)境造成的黏結(jié)強(qiáng)度損失.

2.2.2 MOCM黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)變模型

變厚度組試件黏結(jié)強(qiáng)度變化如圖12 所示，各組試件浸水前10 d 黏結(jié)強(qiáng)度下降幅度較大，后趨于平穩(wěn)，而材料失效是一個(gè)復(fù)雜的漸進(jìn)變化過(guò)程，材料中的應(yīng)力和應(yīng)變不斷積累，在到達(dá)材料的破壞點(diǎn)之后，損傷開(kāi)始發(fā)生，材料內(nèi)部形成微觀裂紋，隨著載荷繼續(xù)增加，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料破壞［18-19］.這一過(guò)程涉及非線性應(yīng)力、應(yīng)變變化，裂紋起始和擴(kuò)展過(guò)程等問(wèn)題，一般難以進(jìn)行解析分析.因此，數(shù)值擬合已經(jīng)成為分析材料失效過(guò)程的重要手段之一［20］.

圖12 變厚度組試件黏結(jié)強(qiáng)度變化Fig.12 Variation of bond strength in variable thickness group specimen

采用polynomial模擬MOCM 黏結(jié)強(qiáng)度退化過(guò)程，首先通過(guò)線性回歸進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖13 所示，各組擬合所得線性函數(shù)及相關(guān)性系數(shù)R2如表5 所示，線性回歸的誤差分析如式（2）所示：

圖13 線性擬合結(jié)果Fig.13 Linear fit results

表5 各組擬合系數(shù)Tab.5 Fitted coefficients for each group

提高多項(xiàng)式最高冪次進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖14所示，形如三次多項(xiàng)式f(t)=at3+bt2+ct+d的黏結(jié)強(qiáng)度退化函數(shù)模型能更好地吻合其黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律，且R2均達(dá)到0.95 以上，其中，t表示浸水天數(shù)，a、b、c、d為系數(shù)，各組系數(shù)及R2如表5 所示.

圖14 三次多項(xiàng)式擬合Fig.14 Cubic polynomial fit results

用MATLAB 模擬MOCM 厚度（x）以及浸水時(shí)間（y）雙變量影響下的黏結(jié)強(qiáng)度（z）退化過(guò)程，已測(cè)得z值（x×y）為4×7 的矩陣，對(duì)于x、y，根據(jù)測(cè)試取樣間隔進(jìn)行非均勻網(wǎng)格化劃分，使得各變量能夠一一對(duì)應(yīng)，對(duì)整體再次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)行plot 函數(shù)，得到擬合曲面如圖15 所示.設(shè)置MOCM 厚度間隔6 為越階，曲面基本可以反映黏結(jié)強(qiáng)度退化過(guò)程，縮小越階為0.6 以后，網(wǎng)格連接處過(guò)渡更加平滑自然，說(shuō)明較小的越階曲面能夠更好地模擬厚度和浸泡時(shí)間雙自變量影響下試件黏結(jié)強(qiáng)度的變化過(guò)程.

圖15 不同越階下的擬合曲面Fig.15 Fitting surfaces at different steps

3 結(jié)論

1）MOCM-NC 試件黏結(jié)強(qiáng)度在浸水后的前10 d有大幅度下降，10 d 后退化速度趨于緩和，界面黏結(jié)強(qiáng)度有較大幅度的下降，在MOCM 中摻入10%的HBSA 以及在黏結(jié)面涂刷YJ-302 界面劑可以在提高黏結(jié)強(qiáng)度的同時(shí)，延緩了黏結(jié)性能劣化的速率.前者的加強(qiáng)效果更好，同時(shí)摻入HBSA 和涂刷YJ-302 界面劑的MOCM對(duì)照組黏結(jié)性能最好.

2）界面劑與水泥有良好的相容性，使用少量的YJ-302 作為界面劑涂刷在黏結(jié)界面后，在界面層形成了膠體-晶體交錯(cuò)連生的共聚層，降低了空隙率，優(yōu)化了界面的結(jié)構(gòu)，從而提高界面的黏結(jié)力.HBSA中含有較多的活性SiO2，能夠與MOCM 的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成M—S—H凝膠，足量的M—S—H凝膠可以均勻地包裹在5相晶體表面并填充晶體之間的孔隙，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高了MOCM-NC的黏結(jié)性能.

3）在MOCM 中摻入HBSA，在黏結(jié)面涂刷YJ-302 界面劑，且砂漿厚度為18 mm 時(shí)的試件（即YY-18組）黏結(jié)性能最好，基于三次多項(xiàng)式形式的函數(shù)時(shí)變模型能較好地反映MOCM-NC 試件在浸水環(huán)境下的黏結(jié)強(qiáng)度退化規(guī)律，最優(yōu)組YY-18 的相關(guān)性系數(shù)R2達(dá)到0.98.經(jīng)MATLAB 中網(wǎng)格化處理后，較小的越階可以模擬反映厚度和浸泡時(shí)間雙自變量影響下MOCM-NC試件的黏結(jié)強(qiáng)度退化規(guī)律.