建筑纖維增強復合水泥耐老化性能試驗研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.024

摘 要：為了確定影響建筑纖維增強復合水泥耐老化性能的因素，進行了建筑纖維增強復合水泥耐老化性能試驗研究。選擇水泥和PVA纖維為實驗材料，按照1∶1.5∶0.6的配合比，將水泥、水和纖維混合，制備了厚度分別為10、20、30 cm的建筑纖維增強復合水泥試件，通過模擬紫外光照和高溫環境，測試了建筑纖維增強復合水泥試件經過紫外光老化和熱老化之后的吸水率、氯離子擴散系數和耐磨度。結果顯示，不同厚度水泥試件的吸水率和氯離子擴散系數隨著老化時間的延長而增大，耐磨度隨老化時間的延長而下降，而且紫外光老化對建筑纖維增強復合水泥耐老化性能的影響較大，水泥試件的耐老化性能在厚度上存在明顯差異。

關鍵詞：復合水泥；粉煤灰；耐老化性能；纖維增強；耐磨度；光熱老化

中圖分類號：TU528；TQ172.79" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0088-04

Experimental study on aging resistance of building fiber reinforced composite cement

ZHAO Kaixuan1，LI Hui2

（1.Henan Water Construction Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450008，China;

2.Zhengzhou Technology and Business University，Zhengzhou 451400，China）

Abstract：In order to determine the factors affecting the aging resistance of building fiber reinforced composite cement，the aging resistance of building fiber reinforced composite cement was studied.Cement and PVA fiber were selected as experimental materials，and cement，water and fiber were mixed according to the ratio of 1∶1.5∶0.6，and building fiber reinforced composite cement specimens with thickness of 10 cm，20 cm and 30 cm were prepared.The water absorption，chloride diffusion coefficient and wear resistance of building fiber reinforced composite cement specimens after ultraviolet light aging and thermal aging were tested by simulating ultraviolet light and high temperature environment.The results showed that the water absorption rate and chloride ion diffusion coefficient of cement samples with different thicknesses increased with the aging time，but the wear resistance decreased with the aging time.Moreover，ultraviolet aging had a great influence on the aging resistance of building fiber reinforced composite cement，and there were obvious differences in the thickness of the aging resistance of cement specimens.

Key words：composite cement;fly ash;aging resistance;fiber reinforcement;wear resistance;photothermal aging

建筑纖維增強復合水泥的問世，為解決混凝土易碎問題提供了一種行之有效的途徑。然而，混凝土既要解決脆性問題，又要解決其耐老化的問題^[1]。而且，混凝土的強度雖然很高，但并不意味著它的耐老化性能就會變得更好。采用3個 GHPFRCC梁柱連接構件進行實驗，從軸壓比值和受火模式2個角度對 GHPFRCC梁柱連接的耐火性進行了研究^[2]，采用有限元分析的方式驗證了ABAQUS模型的性能。采用不同摻量的 PP纖維，對 PP纖維/水泥復合材料的耐磨性能進行了研究^[3-4]。

基于以上研究背景，試驗測試了建筑纖維增強復合水泥耐老化性能，以期延長建筑纖維增強復合水泥的使用壽命。

1"實驗部分

1.1"實驗材料

在建筑纖維增強復合水泥耐老化性能試驗中，選擇水泥和PVA纖維為實驗材料，其中表1和表2分別給出了水泥的化學組成及性能。

PVA纖維是由某國貿公司生產的，纖維長度和直徑分別為14 mm和42 μm，具有較高的彈性模量和強度^[5]，纖維的密度為1.5g/cm³，其表面采用油膜工藝處理^[6]。將其纖維的吸水率，PVA纖維的外貌形態如圖1所示。

1.2"制備試件

1.2.1"試件成型

在制備建筑纖維增強復合水泥試件時，按照m（水泥）∶m（水）∶m（纖維）=1∶1.5∶0.6的配合比進行混合配制，混合物攪拌10 min后，分別放入長×寬×厚度分別為50 cm×50 cm×10 cm、50 cm×50 cm×20 cm和50 cm×50 cm×30 cm的模具中，待完全成型之后，放在振動臺上震動0.5 min，并靜置12 h之后脫模^[7]。

1.2.2"試件處理

建筑纖維增強復合水泥試件制備完成且成功脫模之后，打磨試件表面的浮漿^[8]，鋼絲刷打磨完成后，放入標準養護室，養護處理半個月之后取出試件，在室溫條件下靜置一周，先用砂紙打磨^[9]，接著用丙酮溶液沖洗，再后用清水沖洗干凈，最后在80 ℃下烘干48 h。

1.3"環境模擬

1.3.1"紫外光照模擬

采用自主研發的紫外老化設備，將試件放在紫外老化箱中，老化箱采用500 W直管形紫外線高壓汞燈作為紫外線光源^[10]，并設置光源與試件的距離為50 cm，實現紫外光照模擬，為紫外光老化實驗提供熱環境。

1.3.2"高溫環境模擬

將制備好的試件放入烘箱中，烘箱的溫度設置為72～78 ℃，在通風條件下加熱處理1 d，關掉烘箱的開關并打開箱門，將烘箱的溫度冷卻到室溫，實現高溫環境的模擬^[11]，為熱老化實驗提供熱環境。

1.4"實驗方法

1.4.1"老化實驗

復合水泥耐老化性能試驗分為紫外光老化和熱老化。紫外光老化是將不同厚度的復合水泥試件置于紫外環境中，實驗溫度分別為20、25、30 ℃，紫外輻照時間分別為2、4、6、8 d。測試老化前、后不同厚度復合水泥試件的吸水率、氯離子擴散系數和耐磨度。

熱老化實驗是將不同厚度的復合水泥試件放入烘箱中，熱老化實驗的溫度設置為30、35、40 ℃，老化處理時間分別設置為2、4、6、8 d。測試老化前后，不同厚度復合水泥試件的吸水率、氯離子擴散系數和耐磨度。

1.4.2"吸水率測試

假設m₀為不同厚度水泥試件的初始質量，將水泥試件放入水中浸泡1 h^[12]，取出試件擦干水分，稱取質量為m*，試件的吸水率可以通過下式計算：

1.4.4"耐磨性測試

建筑纖維增強復合水泥試件的耐磨性測試依據GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性試驗方法》進行測試^[14]。

2"結果分析

2.1"光熱老化對復合水泥試件吸水率的影響

2.1.1"光老化

當紫外光老化溫度為30 ℃時，不同厚度水泥試件吸水率與老化時間的關系，結果如圖1所示。

由圖1可知，3種不同厚度的水泥試樣，其吸水率隨老化時間的增加而增加。在2 d的老化條件下，水泥試樣的吸水率和未老化相比有顯著的增加，隨后增加的速率開始變慢，但當試件厚度為10 cm時，水泥試樣的吸水率在6 d之后迅速增加。說明紫外老化初期對建筑纖維增強復合水泥耐老化性能的影響顯著，10 cm水泥試件在老化6 d時就出現了明顯老化現象，導致吸水率明顯增大。

將老化時間設置為8 d，得到了復合水泥試件吸水率與老化溫度的關系，如圖2所示。

由圖2可知，當老化溫度不斷升高之后，復合水泥試件的吸水率逐漸增大，對于10 cm厚的水泥試件而言，老化溫度為30 ℃時的吸水率是20 ℃1.44倍；而20 cm厚的水泥試件和30 cm厚的水泥試件分別是1.19倍和1.26倍。由此可見，3種試件中，老化溫度對10 cm厚水泥試件吸水率影響最大。

2.1.2"熱老化

圖3給出了老化溫度為40 ℃時，老化時間與復合水泥試件吸水率變化情況。

由圖3可知，隨著老化時間的延長，不同厚度水泥試樣的吸水率逐漸增大，對于10 cm厚的水泥試件而言，當老化時間少于4 d時，水泥試件吸水率與老化時間之間呈線性變化，隨后迅速增大。20 cm厚的水泥試件和30 cm厚的水泥試件在整個實驗過程中，吸水率與老化時間都是線性變化。

圖4給出了老化時間為8 d時，老化溫度與復合水泥試件吸水率變化情況。

由圖4可知，相同厚度的水泥試件，其吸水率隨老化溫度的增加而增加，不同厚度之水泥試件，其吸水率隨老化溫度的增加有較大差別。對于10 cm厚的水泥試件而言，在40 ℃的老化溫度下，其吸水率是30 ℃的1.73倍。對于30 cm厚的水泥試件而言，40 ℃時的吸水率是30 ℃的1.42倍。

綜合以上結果可以發現，不同厚度的水泥試件，耐熱老化的性能從強到弱依次為30 cm厚的水泥試件、20 cm厚的水泥試件和10 cm厚的水泥試件。

2.2"光熱老化對試件氯離子擴散系數的影響

2.2.1"光老化

當紫外老化溫度為40 ℃時，圖5給出了不同厚度水泥試件的氯離子滲透性能。

由圖5可知，在10 cm厚的水泥試件中，4 d的氯離子擴散系數比老化前高1.9倍；8 d后的氯離子擴散系數增加6.2倍，表明老化時間對氯離子擴散系數的影響較大。在30 cm厚度的水泥試件中，盡管氯離子的擴散系數隨老化時間的增加而增加，但增大的速度明顯變慢，說明30 cm厚的水泥試件具有更好的抗紫外老化性能，能夠提高混凝土的抗氯離子滲透能力。

2.2.2"熱老化

當老化溫度為40 ℃時，圖6給出了老化時間與不同厚度水泥試件的氯離子滲透性能之間的關系。

由圖6可知，3種厚度的水泥試件在未老化狀態下的氯離子擴散系數相同，經過熱老化處理之后，水泥試件的氯離子擴散系數顯著增大。對于10 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的氯離子擴散系數是老化前的2.2倍；老化8 d后的氯離子擴散系數是老化前的3.8倍。對于20 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的氯離子擴散系數沒有明顯增大的趨勢；老化8 d后的氯離子擴散系數是老化前的2.6倍。對于30 cm厚的水泥試件而言，經過老化之后的氯離子擴散系數只出現了微小的變化。由此證明，不同厚度的水泥試件，耐熱老化的性能從強到弱依次為30、20、10 cm厚的水泥試件。

2.3"光熱老化對復合水泥試件耐磨度的影響

2.3.1"光老化

在40 ℃的老化溫度下，紫外光老化時間對復合水泥試件耐磨度的影響如圖7所示。

由圖7可知，隨著老化時間的延長，不同厚度水泥試件的耐磨度逐漸下降，對于10 cm厚的水泥試件而言，老化4 d的耐磨度是老化前的0.5倍；老化8 d的耐磨度是老化前的0.25倍。對于30 cm厚的水泥試件而言，老化4 d的耐磨度是老化前的0.63倍；老化8 d的耐磨度是老化前的0.29倍。

2.3.2"熱老化

老化溫度為40 ℃時，不同厚度水泥試件的耐磨度變化情況如圖8所示。

由圖8可知，熱老化處理對不同厚度復合水泥試件耐磨度的影響較大，對于10 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的耐磨度是老化前的0.65倍，老化8 d后的耐磨度是老化前的0.125倍；對于30 cm厚的水泥試件而言，老化4 d后的耐磨度是老化前的0.85倍；老化8 d后的耐磨度是老化前的0.21倍。

綜合以上結果可知，不同厚度的水泥試件，耐熱老化的性能從強到弱依次為30、20、10 cm厚的水泥試件。

3"結語

研究通過制備不同厚度的建筑纖維增強復合水泥試件，進行了耐老化性能試驗，結果表明，光熱老化對不同厚度建筑纖維增強復合水泥的耐老化性能影響較大，在不同的老化條件下，水泥的吸水率、擴散系數均有顯著提高，耐磨性顯著下降。但是，研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以在水泥試件的表面增加一層耐老化涂層，測試涂層的耐老化性能，延長水泥構件的使用壽命。

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收稿日期：2023-09-12；修回日期：2023-12-08

作者簡介：趙凱選（1982-），男，高級工程師，主要從事現場施工管理、土木水利類技術創新研究等；E-mail：94657253@qq.com。

引文格式：趙凱選，李"慧.建筑纖維增強復合水泥耐老化性能試驗研究[J].粘接，2024，51（2）：88-91.