朱春琪, 田穩(wěn)苓, 姜 磊, 楊佩劍, 周 健, 張文韜

( 1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2. 山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

水泥基材料屬于脆性材料，其抗拉和抗彎強度均較低，極限應(yīng)變較小，易開裂，對建筑物的耐久性造成了很大影響，使其在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用中受到了很大限制。近年來，針對碳纖維和玻璃纖維對水泥基材料進行增強的工程實例和科學(xué)研究較多[1-2]，碳纖維具有較高的抗拉強度，但價格較高、制作工藝復(fù)雜；玻璃纖維價格低廉但抗拉強度較低，并且在水泥基材料中易受堿腐蝕[3]。玄武巖纖維是我國自主研發(fā)的一種新型無機環(huán)保材料，價格較低，不僅具有良好的力學(xué)性能，還具有耐高溫、隔音、電絕緣、防輻射等優(yōu)點[4-7]，而且玄武巖纖維的化學(xué)成分與水泥相似[8]，使得兩者具有良好的黏結(jié)性能。因此，作為應(yīng)用于水泥基中的增強材料，玄武巖纖維具有更廣泛的應(yīng)用價值。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1) 水泥。普通硅酸鹽水泥(ordinary portland cement, OPC)和快凝快硬高貝利特硫鋁酸鹽水泥(hardening high belite calcium sulfoaluminate cement, HB-CSA)，水泥等級均為42.5級，兩種水泥的主要化學(xué)組成如表1所示。

表1 水泥的化學(xué)組成Tab. 1 Chemical compositions of cement %

2) 玄武巖纖維。采用絞織玄武巖纖維編織網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸5 mm×5 mm，玄武巖纖維原絲直徑13.1 μm，線密度133 Tex。

3) 砂子。為了使拌合后的水泥砂漿可以順利通過纖維網(wǎng)網(wǎng)孔，控制砂子最大粒徑不超過1.2 mm，并將0～0.6 mm砂定義為細砂，0.6～1.2 mm砂定義為粗砂，兩種砂均為水洗后烘干砂。

4) 水。試驗室自來水。

5) 減水劑。使用聚羧酸系高效減水劑，減水率為26%。

6) 緩凝劑。在HB-CSA中摻加緩凝劑以利于試件制作，緩凝劑使用檸檬酸類(粉體)，摻量為0.2%。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 彎曲試驗試件制作

制作尺寸為250 mm×300 mm×10 mm的有機玻璃模板，將玄武巖纖維網(wǎng)固定于距板底8 mm位置處，如圖1所示，其中用于制作素水泥砂漿板的模板中不鋪設(shè)網(wǎng)格布。按照表2配合比拌制基體材料，將拌制好的基體材料均勻的澆筑于模板內(nèi)，之后置于振動臺振動密實，對表面進行抹面處理，在試件終凝前用厚度為0.3 mm的刀片將其切割成6塊尺寸為250 mm×50 mm×10 mm的小板。切割完成后帶模放入20±2 ℃且相對濕度高于95%的標養(yǎng)室中，1 d后進行脫模。每組工況制作3塊試件，并將脫模后的試件分為兩部分：一部分放置于標養(yǎng)室養(yǎng)護6 d后取出進行后續(xù)加速老化；另一部分繼續(xù)置于標養(yǎng)室養(yǎng)護27 d。

圖1 編織網(wǎng)固定示意圖Fig. 1 Fixation of textile

表2 水泥基材料配合比Tab. 2 Mix proportion of cementitious-based materials

按照基體類型將成型后的試件分為4類：以O(shè)PC水泥為基體膠凝材料制作的復(fù)合板記為BTR-O板；以HB-CSA水泥為基體膠凝材料制作的板記為BTR-H板；不配置玄武巖纖維網(wǎng)的素OPC水泥砂漿板記為素OPC板；不配置玄武巖纖維網(wǎng)的素HB-CSA水泥砂漿板記為素HB-CSA板。

1.2.2 微觀測試試件制作

使用三聯(lián)模制作40 mm×40 mm×160 mm水泥凈漿試件，水灰比為0.4，在HB-CSA水泥凈漿試件制作時加入0.2%緩凝劑。制作完成后帶模放入標養(yǎng)室，1 d后拆模，拆模后的養(yǎng)護方式與彎曲試驗試件相同。

1.3 試驗方法

1.3.1 加速老化方法及彎曲試驗

1) 加速老化方法。將標養(yǎng)室養(yǎng)護6 d后的試件取出放入聚丙烯保鮮盒，盒內(nèi)浸水使其漫過最上層試件后封蓋，將盒放入60 ℃的恒溫養(yǎng)護箱內(nèi)，繼續(xù)加速老化5、10和21 d。

2) 彎曲試驗。參照《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》(GB/T 15231—2008)[13]對不同老化齡期試件進行彎曲試驗，如圖2所示。試驗采用量程為20 kN的電子萬能試驗機，加載過程采用位移控制，加載速率為1 mm/min，荷載及位移均由試驗機自帶系統(tǒng)采集，使用坐標紙記錄試件底部裂縫。

圖2 彎曲試驗測試Fig. 2 Four-point bending test

1.3.2 微觀測試方法

1) pH值測試[14]。將不同老化齡期的水泥凈漿試件去除兩側(cè)碳化層取核心部分，使用無水乙醇終止水化后烘干，用瑪瑙研缽研磨，過0.075 mm篩。稱取不同老化齡期樣品各3 g，分別加入30 mL去離子水，利用磁力攪拌機攪拌30 min，在室溫下靜置2 h后用pH計測其上清液pH值。

2) 水泥水化分析。取出部分pH值測試中的樣品，使用美國TA-SDTQ600熱分析儀對不同老化齡期水泥水化產(chǎn)物進行分析，升溫區(qū)間20～850 ℃，升溫速率20 ℃/min，保護氣體N2。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 彎曲試驗結(jié)果分析

2.1.1 強度分析

圖3為試驗測得的兩種不同水泥基復(fù)合板和兩種素水泥砂漿板的抗彎強度隨老化齡期的數(shù)值變化關(guān)系。從圖中可以看出，對于兩種素水泥砂漿板，其抗彎強度隨老化時間呈現(xiàn)明顯的差異。素OPC板抗彎強度隨齡期增長而持續(xù)增加，老化前期的增長速率明顯高于老化后期，表明OPC水泥的水化反應(yīng)隨時間增加而持續(xù)進行，后期水化速率逐漸減緩。素HB-CSA板的抗彎強度在老化前期出現(xiàn)輕微下滑，老化后期又逐漸上升，這可能是由于溫度的升高加快了鈣礬石(AFt)的生成[15]，使得水泥砂漿內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，從而抗彎強度下降。但總體而言，HB-CSA水泥相較于其他早強型水泥仍能保持一定的后期強度。對于兩種不同水泥基復(fù)合板，老化0、5、10和21 d后，BTR-O板的抗彎強度分別是同齡期下素OPC板的2.20、1.80、1.48和1.10倍，而BTR-H板的抗彎強度分別是同齡期下素HB-CSA板的2.21、2.29、2.10和1.90倍。這說明：未老化時，玄武巖纖維對OPC材料和HB-CSA材料均具有較好的增強效應(yīng)；而隨著老化齡期的增加，玄武巖纖維在兩種水泥中的強度增強效果均出現(xiàn)衰退，但其在OPC水泥環(huán)境中的衰退速率明顯高于在HB-CSA水泥環(huán)境中。值得注意的是，老化21 d后，BTR-O板的抗彎強度較未老化前下降了42.05%，而BTR-H板的抗彎強度僅下降10.26%，這說明長期老化后，玄武巖纖維對OPC水泥材料的增強效果顯著降低，而在HB-CSA環(huán)境中仍可以對板起到良好的增強效果。

圖3 抗彎強度與老化齡期關(guān)系Fig. 3 Relationship between flexural strength and aging time

2.1.2 變形分析

圖4和圖5分別為BTR-O板和BTR-H板在不同老化齡期下的荷載-位移曲線。從圖中可以看出，未老化時，兩種不同水泥基復(fù)合板的受力過程均可分為3個階段：第1階段為彈性受力階段，從初始加載到第一條裂縫產(chǎn)生，荷載-位移曲線呈線性關(guān)系增長，荷載主要由水泥基材料承擔；第2階段為多縫開裂階段，曲線中出現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)折點時說明薄板的第一條裂縫產(chǎn)生，裂縫處水泥基材料退出工作，應(yīng)力由玄武巖纖維網(wǎng)承擔，隨著荷載的繼續(xù)施加，薄板純彎段相繼出現(xiàn)多條橫向貫通裂縫；第3階段為主裂縫發(fā)展階段，荷載主要由玄武巖纖維網(wǎng)承擔，且有較大提高，隨著荷載進一步增大，部分玄武巖纖維絲開始被拉斷，荷載-位移曲線呈現(xiàn)“小波浪式”上升特點，隨著荷載的增大，薄板底部純彎段主裂縫寬度不斷擴大直至此處玄武巖纖維網(wǎng)全部拉斷，整個薄板失去承載能力而破壞。

圖4 BTR-O板各老化齡期荷載-位移曲線Fig. 4 Load-deflection curves of BTR-O with various aging times

圖5 BTR-H板各老化齡期荷載-位移曲線Fig. 5 Load-deflection curves of BTR-H with various aging times

為了直觀分析兩種不同水泥基復(fù)合板隨老化齡期的變化，分析圖4和圖5并進行對比。從圖4可以看出，隨著老化齡期的增長，BTR-O板的極限荷載顯著減小，主裂縫發(fā)展階段逐漸變短，板的整體變形能力下降明顯。并且，老化21 d后，BTR-O板底部純彎段裂縫數(shù)量明顯減少，裂縫間距變長(圖6)。綜上說明，隨著老化齡期的增長，玄武巖纖維在OPC環(huán)境下的增強效果出現(xiàn)明顯衰退。

圖6 老化前后BTR-O板的裂縫數(shù)量 Fig. 6 Fracture numbers of BTR-O before and after aging

從圖5可以看出，隨著老化齡期的增長，BTR-H板的極限荷載也呈現(xiàn)降低的趨勢，但下降幅度明顯低于圖4中BTR-O板極限荷載的下降幅度，變形能力在老化前期變化不明顯，直至老化21 d后板的變形能力才出現(xiàn)明顯下降。并且，老化21 d后，BTR-H板底部純彎段裂縫數(shù)量與未老化時相比變化不大(圖7)，這說明玄武巖纖維在HB-CSA中與在OPC中相比，仍具有良好的增韌效果，從而使BTR-H板表現(xiàn)出良好的變形能力。

圖7 老化前后BTR-H板的裂縫數(shù)量Fig. 7 Fracture numbers of BTR-H before and after aging

2.2 微觀測試結(jié)果分析

從2.1節(jié)抗彎試驗數(shù)據(jù)可以看出，玄武巖纖維在未老化前對水泥板增強效果顯著，隨著老化齡期的增加，BTR-O板和BTR-H板的力學(xué)性能下滑幅度呈現(xiàn)明顯差異，為了進一步解釋以上現(xiàn)象，需對玄武巖纖維的工作環(huán)境做出微觀測試，分析水泥環(huán)境的pH值及水化產(chǎn)物。

2.2.1 pH值測試分析

圖8 OPC和HB-CSA水泥不同老化齡期的pH值Fig. 8 The pH value of OPC and HB-CSA with various aging times

圖8為兩種水泥不同老化齡期的pH值變化。在純OPC水泥體系中pH值的變化可反映體系中Ca(OH)2(簡稱CH)含量，并且CH含量可以對其水化程度進行表征[16]。由圖8可知，OPC水泥pH值增長速度由快變緩，老化后期pH值基本保持不變，這說明OPC水泥水化程度隨時間增加而加深，后期水化速度減小且基本保持穩(wěn)定。并且，OPC水泥水化過程中pH值始終保持在12.2以上；對于HB-CSA水泥，隨著齡期的增長，pH值則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且在整個水化齡期，任一階段的pH值都要顯著低于OPC水泥。

2.2.2 水泥水化產(chǎn)物分析

pH測試結(jié)果表明，OPC中含有大量CH使得水泥pH值始終高于12.2，且文獻[17]指出完全水化的OPC水泥中可含原水泥質(zhì)量15%～30%的CH，因此在整個服役期內(nèi)，OPC水泥環(huán)境始終保持高堿性?？紤]到關(guān)于HB-CSA水泥的水化研究較少，故針對HB-CSA水泥進行水化分析。

圖9為HB-CSA水泥不同老化齡期的微商熱重(derivative thermogravimetry,DTG)曲線圖。由圖可知，HB-CSA水泥在任一齡期的水化產(chǎn)物中都含有大量的AFt，與未老化時相比，老化5 d時AFt量明顯增多，說明高溫高濕的環(huán)境促進了HB-CSA水化，并且在此溫度下AFt可以穩(wěn)定存在，采用60 ℃對高含量AFt水泥體系進行加速老化是合理的，同時也解釋了HB-CSA水泥老化5 d時抗彎強度的輕微下降是由于AFt的突然增多而引起的。另外，HB-CSA水泥中摻有大量礦渣，老化后期礦渣活性可能被激發(fā)，與CH發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠，后期凝膠材料的形成填充了孔隙，基體變得密實，在一定程度上填充了微裂縫和孔隙，使得HB-CSA水泥具有良好的后期強度，同時說明CH只作為中間產(chǎn)物出現(xiàn)，隨著水化的進行而被消耗，所以在任一齡期都沒有發(fā)現(xiàn)CH的存在，水化產(chǎn)物中不含CH是與OPC相比保持低堿性的根本原因。

圖9 HB-CSA水泥不同老化齡期的DTG圖 Fig. 9 DTG patterns of HB-CSA cement with various aging times

2.3 機理分析

玄武巖纖維增強水泥板抗彎強度的下降與玄武巖纖維拉伸性能、基體強度的變化和基體與玄武巖纖維的黏結(jié)性能的變化等均相關(guān)。2.1節(jié)抗彎試驗結(jié)果顯示OPC水泥水化隨時間增加而持續(xù)進行，從而使得基體強度有一定的增加，但抗彎強度卻顯著下降，結(jié)合2.2節(jié)微觀分析可知，OPC水泥水化后產(chǎn)生了大量的CH，使得OPC環(huán)境呈高堿性，認為玄武巖纖維在OPC高堿性的環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)[18]：≡Si-O-Si≡+OH-→≡Si-OH+≡Si-O-，從而使得玄武巖纖維骨架發(fā)生破壞，纖維拉伸性能下降，進而導(dǎo)致BTR-O板長期老化過程中強度和變形能力顯著下降。而在長期老化過程中，HB-CSA水泥水化產(chǎn)物中均未發(fā)現(xiàn)CH相，降低了水泥基體的堿度，從而減輕了對纖維的侵蝕。因此，當玄武巖纖維長期處于HB-CSA環(huán)境中時仍能保持良好的力學(xué)性能，可以對水泥基材料起到優(yōu)異的長期增強效果。

3 結(jié)論

1) 未老化時，BTR-O板和BTR-H板的抗彎強度分別為素OPC板和素HB-CSA板的2.20和2.21倍，兩種BTRC板在彎曲荷載作用下均呈現(xiàn)多縫開裂，并表現(xiàn)出良好的變形能力，玄武巖纖維對OPC水泥材料和HB-CSA水泥材料均具有較好的增強效應(yīng)。

2) 長期老化處理后，BTR-H板的老化速度遠遠低于BTR-O板的老化速度。老化21 d后BTR-O板抗彎強度下降42.05%，底部純彎段裂縫數(shù)量明顯減少，老化5 d時變形能力已經(jīng)開始下降。而BTR-H板老化21 d后抗彎強度僅下降10.26%，底部純彎段裂縫數(shù)量變化不明顯，且在老化21 d后其變形能力才出現(xiàn)明顯下降。

3) HB-CSA水泥水化產(chǎn)物中未發(fā)現(xiàn)CH相，因此減輕了對玄武巖纖維的化學(xué)腐蝕和物理侵蝕。長期老化后，玄武巖纖維仍能對HB-CSA水泥材料起到良好的增韌效果，使得BTR-H板與BTR-O板相比具有更加優(yōu)異的長期力學(xué)性能，HB-CSA水泥可以作為玄武巖纖維增強水泥的基體膠凝材料進行推廣應(yīng)用。