纤维增强水泥基材料强度和微结构的影响因素研究

2020-11-13生兆亮夏多田程建军

硅酸盐通报 2020年10期

生兆亮，辛欣，夏多田,2，程建军,2，仇静

(1.石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832003；2.新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室，石河子 832003)

0 引言

纤维增强水泥基材料由水泥、细砂、纤维和外加剂组成，相比普通混凝土具有较高延性、较高韧性等特点，受到科研人员的广泛关注[1-3]。不同的原材料和制备工艺等对PVA纤维增强水泥基材料性能影响的研究已经取得了一定的成果[4-6]。但是关于使用沙漠砂制备PVA纤维增强水泥基材料的报道尚不多见，并且在经过大规模工程建设后，砂资源处于短缺状态，寻找新的建筑用砂资源任务迫在眉睫。

新疆地区的沙漠砂为超细砂，其粒径适宜制备纤维增强水泥基材料。并且当前新疆仍以火力发电为主，每年都会产生大量粉煤灰等废料，本着最大化利用当地沙漠砂资源和工业固废资源的目标，本研究拟用沙漠砂替代目前纤维增强水泥基材料中的普通砂，用工业固废粉煤灰替代水泥，制备一种新型纤维增强水泥基材料。采用单因素试验方法，研究了纤维长度、纤维掺量、粉煤灰掺量和砂类别等因素对纤维增强水泥基材料力学性能的影响，并通过扫描电子显微镜(SEM)和压汞试验对微结构的影响机理进行了初步探索。

1 实验

1.1 原料

PVA纤维采用日本Kuraray公司生产的可乐纶，纤维的具体参数见表1。水泥采用新疆天能水泥有限公司生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。粉煤灰采用石河子市南热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰的主要化学成分见表2。沙漠砂选用古尔班通古特沙漠边缘的沙漠砂。河砂采用石河子本地河砂，石英砂为市售标准砂，使用孔径为1.18 mm的标准筛筛除河砂和石英砂中粒径大于1.18 mm的部分，采用的三种类别砂的筛分结果见表3。

表1 PVA纤维性能参数Table 1 PVA fiber performance parameters

表2 粉煤灰主要化学成分含量及烧失量(质量分数)Table 2 Main chemical composition and loss of fly ash(mass fraction) /%

表3 三种类别砂的筛分结果Table 3 Screening results for three types of sand /%

1.2 试验配合比设计

以课题组前期研究配方为基准配合比，以基准配合比为基础，考虑不同纤维长度、纤维掺量、粉煤灰掺量和砂类别设计单因素试验。基本配合比方案见表4，单因素试验方案见表5，其中纤维掺量为体积掺量，粉煤灰掺量为其与胶凝材料总质量的比值掺量。

表4 试验基准配合比Table 4 Benchmark mix proportion /g

1.3 试块尺寸及测试方法

立方体抗压试验和劈裂抗拉试验的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，轴心抗压试验的试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，抗折试验的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。每组三个试件，试件按表5配合比制作完成，放置在室内覆塑料膜养护至28 d后进行力学性能试验、扫描电镜试验和压汞试验。

表5 单因素试验方案Table 5 Single factor testing program

立方体抗压试验、轴心抗压试验和劈裂抗拉试验方法参考GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相关规定，抗折试验方法参考GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》中相关规定。

2 结果与讨论

2.1 各因素对抗压强度的影响

图1为不同因素对抗压强度的影响。由图1(a)可知，随着纤维长度的增加，轴心抗压强度和立方体抗压强度呈下降的趋势，且随着纤维长度的变化，强度值降低的幅度较小。

图1 不同因素对抗压强度的影响Fig.1 Effects of different factors on compressive strength

由图1(b)可知，当纤维体积掺量由1%增加到2%时，轴心抗压强度和立方体抗压强度均呈明显增长趋势。相对于纤维掺量为1%时材料的立方体抗压强度，当纤维掺量增加到1.5%和2%时，立方体抗压强度分别增大了11.94%和19.46%。纤维的加入，类似于在基体内布置了大量乱向分布的短钢筋，限制受压时裂缝的延伸和发展，提高了材料的抗压强度[7]。

由图1(c)可知，随着粉煤灰掺量的增加，轴心抗压强度和立方体抗压强度均呈现下降的趋势。当粉煤灰掺量为66%时，立方体抗压强度为43.79 MPa，当粉煤灰掺量增加到71%和76%时，立方体抗压强度分别降低了3.83%和11.55%。过多的粉煤灰会引起抗压强度的降低，因为粉煤灰的增多相对降低了胶凝材料中水泥的掺量。

由图1(d)可知，对于轴心抗压强度和立方体抗压强度，在三种类别砂制备的材料中，河砂制备的材料的抗压强度均最大，其次是石英砂制备的材料，沙漠砂制备的材料的抗压强度最小。对于立方体抗压强度，河砂制备的材料的抗压强度为48.47 MPa，与之相比，石英砂和沙漠砂制备的材料的抗压强度分别降低了9.63%和15.10%。

2.2 各因素对劈裂抗拉强度、抗折强度的影响

图2为不同因素对劈裂抗拉强度、抗折强度的影响。由图2(a)可知，纤维长度越大，材料的强度值越低。对于抗折强度，PVA-6 mm制备的材料的抗折强度为12.91 MPa，与之相比，PVA-9 mm和PVA-12 mm制备的材料的抗折强度分别降低了5.81%和10.07%。

图2 不同因素对劈裂抗拉强度、抗折强度的影响Fig.2 Effect of different factors on splitting tensile strength and flexural strength

由图2(b)可知，纤维掺量从1%增加到2%时，劈裂抗拉强度和抗折强度均呈现明显的增长趋势，纤维掺量从1%增加到1.5%和2%时，劈裂抗拉强度分别提高了21.39%和34.15%，抗折强度分别提高了14.42%和29.86%。纤维乱向分布于基体中阻止了微裂缝的产生与发展，试件开裂过程中，纤维的断裂和拔出增强了材料的受拉力。

由图2(c)可知，劈裂抗拉强度和抗折强度随着粉煤灰掺量的增加都呈现出先增大再减小的趋势。粉煤灰中含有的大量球形微粒会依附于PVA 纤维表面，减小了纤维与水泥浆体的化学粘结，使裂缝开展过程中更多的纤维缓慢的拔出而不是拔断，纤维提供的拉力持续增加[8]。劈裂抗拉强度和抗折强度随着粉煤灰掺量的增大再降低的原因有两方面：一方面，粉煤灰掺量过大时，大掺量粉煤灰初期反应缓慢，导致材料基体强度过低；另一方面，过多的粉煤灰包裹着纤维，使得纤维和基体之间的粘结度大幅度降低，纤维没有充分发挥出增强作用。

由图2(d)可知，对于劈裂抗拉和抗折强度，河砂制备的材料的强度均最大，其次是沙漠砂制备的材料，石英砂制备的材料的强度均最小。石英砂制备的材料的劈裂抗拉强度为3.35 MPa，与之相比，沙漠砂制备的材料的劈裂抗拉强度提高了1.49%。石英砂制备的材料的抗折强度为10.41 MPa，与之相比，沙漠砂制备的材料的抗折强度提高了11.53%。

2.3 强度关系分析

针对混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度之间的换算关系式，国内外学者进行了大量研究并提出了相应的计算模型[9-10]，我国相关规范也给出了换算关系式[11-12]。同时由上述试验结果可知，对于纤维增强水泥基材料，纤维长度组(A)和纤维掺量组(B)制备的材料，随着纤维长度和纤维掺量的改变，抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均呈现出相同的变化趋势，根据抗压强度的变化趋势可以预测劈裂抗拉强度和抗折强度的变化。

对于粉煤灰掺量组(C)，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度呈现不断降低的趋势，劈裂抗拉强度和抗折强度却呈现先增加后降低的趋势。对于砂类别组(D)，强度的变化趋势也不一致，这说明抗压强度和劈裂抗拉强度、抗折强度之间的关系需要进一步的研究并对造成这种差异性的原因进行分析。

2.4 差异性机理分析

关于粉煤灰掺量组(C)和砂类别组(D)的抗压强度和劈裂抗拉强度、抗折强度相关性较差的原因，需要从微观角度进一步探索。试验从纤维-水泥基体界面这一方面来探究。使用扫描电子显微镜(SEM)观测劈裂抗拉试验和抗折试验后试件的断面结果，如图3所示。对于粉煤灰掺量组(C)，由图3(a)可知，被拔出的纤维表面粘结着水泥基体块，由图3(b)可知，被拉断的纤维端部变长变细出现分叉，且表面仍粘结着水泥基体块。说明该配合比下纤维与水泥基体的化学粘结过大，同时纤维容易发生拉断破坏。由图3(c)可知，纤维基本上被整根拔出，很少出现纤维断裂。图3(d)为纤维拔出后留下的孔槽，孔洞周围基体未大量脱落，说明基体与纤维的粘结度相对降低。水泥基体水化过程中金属阳离子的存在会导致PVA纤维和水泥基体之间形成金属氢氧化物层，粉煤灰的加入可以稀释基体中Ca2+的浓度，从而降低纤维与水泥基体界面的水化程度，减少化学粘结[13]。由图3(e)可知，未水化的粉煤灰微粒紧密吸附在纤维表面，过多的粉煤灰使得纤维和基体之间的粘结度过低，纤维在拔出过程中提供的拉力有限。

图3 试件的微观结构Fig.3 Microstructure of specimens

对于砂类别组(D)，由图3(f)可知，纤维表面被刮削成丝状撕裂的状态，相比较河砂和沙漠砂，石英砂颗粒表面粗糙、棱角尖锐，纤维拔出过程中刮削程度可能更严重，使得纤维更容易被拉断[14]。沙漠砂制备的材料的抗折强度、劈裂抗拉强度较石英砂高，也可能因为沙漠砂粒径较小，搅拌过程中引入更多的空气使试件内部结构出现许多微小孔，相对疏松的内部结构使得PVA纤维更容易从基体中拔出[15]。为验证该解释，对砂类别组(D)试件采用AUTOPORE 9500型全自动压汞仪进行了压汞试验。三种类别砂的孔隙含量分布曲线见图4。

图4 三种类别砂孔隙含量分布曲线Fig.4 Distribution curves of pore content in three types of sand

文献[16]中将混凝土砂浆中的孔分为4类：凝胶孔(<10 nm)、过渡孔(10～100 nm)、毛细孔(100～1 000 nm)、大孔(>1 000 nm)。参照该文献孔分类标准整理后的压汞试验结果见表6。

表6 三种类别砂压汞试验结果总结Table 6 Summary of mercury compression test results for three types of sand

对于混凝土材料，一般认为大孔隙对抗压强度的影响最大，PVA纤维的直径为31 μm，本文认为中孔隙和大孔隙对纤维-水泥基体界面的影响最大。由表6可知，沙漠砂制备的材料，中孔隙和大孔隙累积体积占比均相对更大，说明纤维和水泥基体的界面上有更多的孔隙，降低了基体对纤维的包裹，使得纤维更容易拔出。对于三种类别砂制备的材料，按照孔隙率从小到大的顺序为：沙漠砂制备的材料、河砂制备的材料、石英砂制备的材料。按照大孔隙累积体积占比从小到大的顺序为：河砂制备的材料、石英砂制备的材料、沙漠砂制备的材料。

对于三种类别砂制备的材料，按照抗压强度从大到小的顺序为：河砂制备的材料、石英砂制备的材料、沙漠砂制备的材料。说明对于纤维增强水泥基材料，抗压强度与孔隙率之间无线性关系，抗压强度与大孔隙累积体积占比具有一定的线性关系。按劈裂抗拉和抗折强度从大到小的顺序为：河砂制备的材料、沙漠砂制备的材料、石英砂制备的材料。对比可知，劈裂抗拉和抗折强度与孔隙率和大孔隙累积体积占比之间无线性关系。