梁巧真,张淑娴

(1.安徽粮食工程职业学院 粮食工程系,安徽 合肥 230011; 2.江苏东大工程检测技术有限公司,江苏 南京 210000)

0 引言

最冷月平均温度≤-10 ℃或日平均温度≤5 ℃的天数≥145 d的严寒地区在我国分布较广,这些寒冷地区的建筑施工问题一直是亟待解决的技术难题[1],这主要是因为目前国内建筑体系多采用混凝土结构,而寒冷环境下的混凝土施工需要克服混凝土缓凝以及冻胀破坏等问题[2-3],这些问题的存在给严寒地区的混凝土的材质和施工工艺提出了更高的要求[4]。目前,碳纤维增强水泥基复合材料在混凝土建筑结构中应用较为广泛,而这种复合材料在严寒地区的冻融循环作用下的性能变化规律仍不完全清楚[5]。本文采用干压成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料,研究了不同冻融循环次数下水泥基复合材料的显微形貌、孔隙率、抗压强度和热电性能,该试验成果已初步探明水泥基复合材料冻融循环作用对其性能影响的变化规律,并将利用这些变化规律解决严寒地区施工技术难题。

1 试验材料与方法

试验原料包括广州卡本复合材料有限公司提供的T800型碳纤维、郑州盾泥建材有限公司提供的硫铝酸盐水泥。

在JJ-5型行星式胶砂搅拌机中对碳纤维进行预分散处理,在WZH-XQM-4型行星式球磨机中对硫铝酸盐水泥进行球磨,然后在S1110型碾轮式混砂机中将一定比例的碳纤维和水泥按照比例充分混合,在加压成型机上进行成型,试件尺寸为15 mm×15 mm×40 mm;成型后的水泥基复合材料试件进行85%水蒸气环境下的预养护处理,时间为1 d;预氧化处理后进一步浸泡在室温水中,保持3 d后取出进行表面处理,待去除表面水化层后取部分试样进行上电极处理(距离试件10 mm位置处连接导线)。

为了模拟严寒地区纤维水泥基复合材料的实际工况,将水泥基复合材料试样用锡纸包裹后,置于低温环境中进行循环冻融处理,低温温度为-30℃、保温0.5 h后取出,置于室温下放置5 min,待试样到达室温后,转移至温度为95 ℃环境中保温0.5 h,结束后再转移至室温环境,待试样达到室温后完成一个冻融循环。依此分别对水泥基复合材料进行10次、20次、30次、40次和50次的冻融循环处理。

采用SU8010型扫描电镜对水泥基复合材料的微观形貌进行观察;孔隙率测试采用阿基米德法进行[6];水泥基复合材料的抗压强度测试采用MWD-10B型抗压试验机进行,加压速率为1 MPa/s。将水泥基复合材料固定在自制的热电测量装置中加热至设定温度,采用DDS-11A型数显电导率测试仪测试电导率,并结合电动势和温差结果,计算水泥基复合材料的seebeck系数[7]。

2 试验结果与分析

图1为不同冻融循环次数下水泥基复合材料的显微形貌。当冻融循环次数为0时,水泥基复合材料的内部较为密实,微裂纹数量较少且裂纹较短;当对水泥基复合材料进行10次冻融循环处理后,可见水泥基复合材料中碳纤维与水泥结合紧密,局部被拉出的碳纤维表面还粘附有水泥;继续增加冻融循环次数至20次时,水泥基复合材料中出现了明显的裂纹,且裂纹宽而长;在冻融循环次数增加至30次、40次和50次时,水泥基复合材料中都可见明显微裂纹存在,水泥基复合材料中微裂纹数量逐渐增多、裂纹长度和宽度增加,但是碳纤维与水泥基体间的结合仍然较为紧密。

冻融循环次数为(a)0次,(b)10次,(c)20次,(d)30次,(e)40次,(f)50次图1 不同冻融循环次数下水泥基复合材料的显微形貌Fig.1 Microstructure of cement-based composites under different numbers of freeze-thaw cycles

图2为冻融循环次数对水泥基复合材料孔隙率的影响。当未进行冻融处理时,水泥基复合材料的孔隙率约为27.2%;当对水泥基复合材料进行冻融循环处理后,水泥基复合材料的孔隙率都高于未进行冻融处理的试样,且随着冻融循环次数增加,水泥基复合材料的孔隙率逐渐增大。一般情况下,冻融循环次数为10～50次,其孔隙率介于30.5%～31.5%。究其原因,这主要是因为冻融循环作用下,水泥基复合材料内部会产生应力并演变成数量不等的微裂纹,且随着冻融循环次数的增加,会使得水泥基复合材料中微裂纹数量增加、长度和宽度增大[7],相应地,孔隙率会呈现逐渐增大的趋势。此外,对比分析可以发现,当冻融循环次数从0增加至10时,孔隙率增幅较大,而当冻融循环次数从10增加至50时,孔隙率增幅较小,这一现象表明冻融循环初始阶段水泥基复合材料内部已经产生了应力作用,内部结构发生了显著变化,而冻融循环次数的增加对后期内部结构的影响相对较小[8],微裂纹的扩展相对较慢。

图3为冻融循环次数对水泥基复合材料抗压强度的影响。当未进行冻融处理时,水泥基复合材料的抗压强度约为52.6 MPa;当对水泥基复合材料进行冻融循环处理后,水泥基复合材料的抗压强度都低于未进行冻融处理的试样,且随着冻融循环次数增加,水泥基复合材料的抗压强度呈现逐渐减小的趋势。这主要是因为随着冻融循环次数增加,水泥基复合材料内部微裂纹数量增多、微裂纹长度和宽度增大,相应的抗压强度会减小[9-10]。

图2 冻融循环次数对水泥基复合材料孔隙率的影响Fig.2 Effect of the number of freeze-thaw cycles on porosity of cement-based composites

图3 冻融循环次数对水泥基复合材料抗压强度影响Fig.3 Effect of the number of freeze-thaw cycles on compressive strength of cement-based composites

图4为冻融循环次数对不同温度下水泥基复合材料电导率的影响。对于未进行冻融循环处理的试样,随着温度的升高,水泥基复合材料的电导率呈现逐渐增加的趋势,在温度为30 ℃时的电导率约为1.66×10-3S/m;对于冻融循环处理10～50次的试样,水泥基复合材料的电导率也会随着温度的升高而逐渐增大,且在相同温度下,冻融循环次数越多,且相应的复合材料的的电导率越低;在温度为30 ℃时、冻融循环50次的水泥基复合材料的电导率约为1.62×10-3S/m。不同冻融循环次数下水泥基复合材料电导率的变化会影响到内部载流子的传输效率[11],使得电导率呈现随着冻融循环次数增加而减小的特征。

图5为冻融循环次数对不同温度下水泥基复合材料seebeck系数的变化曲线,其中,插图的横坐标和纵坐标保持不变。对比分析可知,未进行冻融处理以及冻融处理不同循环次数的水泥基复合材料的seebeck系数均为负值,这也就说明该材料为载流子为电子的n型半导体;对于未经过冻融处理的水泥基复合材料,在温度为30 ℃时,复合材料的seebeck系数约为-52 μV/℃,随着温度的升高,水泥基复合材料的seebeck系数呈现略有增加的趋势,但是在温度40 ℃以上时基本保持不变,整体seebeck系数都约在-40 μV/℃;经过冻融循环处理后,水泥基复合材料的seebeck系数与未进行冻融处理的试样存在较大差异,而冻融循环次数对seebeck系数的影响相对较小,这也就说明,对水泥基复合材料进行冻融循环处理会对材料的seebeck系数产生影响,相同温度下水泥基复合材料的seebeck系数随冻融循环次数增加呈现逐渐增大的趋势。这主要是因为冻融循环内力作用下,水泥基复合材料的内部结构会发生一系列变化,如水泥基复合材料中微裂纹数量逐渐增多、裂纹长度和宽度增加等,这些在很大程度上会影响水泥基复合材料的seebeck系数。

图4 冻融循环次数对不同温度下水泥基复合材料电导率的影响Fig.4 Effect of freeze-thaw cycles on conductivity of cement-based composites at different temperatures

图5 冻融循环次数对不同温度下水泥基复合材料seebeck系数的变化曲线Fig.5 Variation curve of seebeck coefficient of cement-based composites under different freeze-thaw cycles at different temperatures

图6为冻融循环次数对不同温度下水泥基复合材料热电优值的影响。其中,插图的横坐标和纵坐标保持不变。对于未经过冻融循环处理的水泥基复合材料,温度30 ℃时的热电优值约为1.46×10-7,且水泥基复合材料的热电优值会随着温度升高而逐渐降低,在温度达到80 ℃时的热电优值降低至0.84×10-7;在相同温度下,经过不同周次冻融循环处理的水泥基复合材料的热电优值都明显低于未经冻融循环处理的水泥基复合材料;当冻融循环次数分别为10次、20次、30次、40次和50次时,水泥基复合材料的热电优值都不会随温度改变发生明显变化。由此可见,对水泥基复合材料进行冻融循环处理,会对热电优值产生明显影响。

图6 冻融循环次数对不同温度下水泥基复合材料热电优值的影响Fig.6 Effect of freeze-thaw cycles on thermoelectric merit of cement-based composites at different temperatures

3 结论

1)随着冻融循环次数增加,水泥基复合材料中微裂纹数量逐渐增多、裂纹长度和宽度增加,但是碳纤维与水泥基体间的结合仍然较为紧密。当对水泥基复合材料进行冻融循环处理后,水泥基复合材料的孔隙率都高于未进行冻融处理的试样、抗压强度都低于未进行冻融处理的试样,且随着冻融循环次数增加,水泥基复合材料的孔隙率逐渐增大,抗压强度呈现减小趋势。

2)未冻融循环处理的试样,随着温度的升高,水泥基复合材料的电导率呈现逐渐增加的趋势,在温度为30 ℃时的电导率约为1.66×10-3S/m;对于冻融循环处理10～50次的试样,水泥基复合材料的电导率也会随着温度的升高而逐渐增大,且在相同温度下,冻融循环次数越多,且相应的复合材料的电导率越低,在温度为30 ℃时、冻融循环50次的水泥基复合材料的电导率约为1.62×10-3S/m。