侵蚀性离子对PE纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响_李格格.pdf

第 卷第期 青 岛 理 工 大 学 学 报 侵蚀性离子对 纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响李格格，田砾，崔东波，孙晓光，王鹏刚，（青岛理工大学 土木工程学院，青岛 ；山东京博环保材料有限公司，滨州 ）摘要：严酷环境中纤维增强水泥基复合材料的性能通常会随着服役时间的延长呈下降趋势。通过单纤维拉拔试验系统研究了侵蚀性离子和养护方式对 纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响。结果表明：和 均会对 纤维与水泥基材料界面黏结性能产生影响。当侵蚀龄期较短时，在未水化水泥颗粒继续水化和 盐、钙矾石的填充作用下，纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载和 纤维拔出能随着侵蚀龄期的增加而增大。随着溶液浓度和侵蚀龄期的增加，纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载和 纤维拔出能越来越小。与标准养护试件相比，高温蒸汽养护试件的 纤维与水泥基材料黏结性能受侵蚀溶液浓度和侵蚀龄期的影响更小。研究结果可为耐腐蚀纤维增强水泥基复合材料设计与制备提供理论依据。关键词：纤维增强水泥基复合材料；界面黏结性能；单纤维拉拔试验；离子侵蚀；高温蒸汽养护中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：山东联合基金资助项目（）；山东省自然科学基金面上项目（）作者简介：李格格（），女，河北保定人。硕士，研究方向为混凝土结构耐久性。：。通信作者：王鹏刚（），男，山东青岛人。博士，副教授，主要从事混凝土结构耐久性等方面的研究。：。，（，；，）：，青 岛理工大学学报第 卷 ：；纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗裂性能和耐久性能，可以弥补普通混凝土易开裂、耐久性差的缺陷。近年来，纤维增强水泥基复合材料在滨海环境和西部盐渍土环境中的应用越来越广泛。然而，环境中的侵蚀性离子会影响纤维增强水泥基复合材料的力学性能。张晶发现侵蚀后的水泥基材料表面出现了多条竖向斜裂缝。马颖彪发现纤维混凝土经过硫酸盐侵蚀后其抗压强度和劈裂强度出现了下降的现象。王振波等研究发现 的力学性能随着侵蚀龄期的增长出现应变软化现象。谈亚文等研究发现硫酸盐侵蚀会降低纤维混凝土的弯曲韧性。应变硬化和弯曲韧性降低的根本原因是纤维与水泥基复合材料界面性能的降低。所以，有必要开展侵蚀性离子对纤维与水泥基复合材料界面性能的影响机制研究，揭示侵蚀环境下纤维增强水泥基复合材料力学性能演变规律。随着装配式建筑的发展，混凝土制品的应用越来越广泛。混凝土制品大多采用蒸汽养护的方式在工厂预制，生产周期短，质量易于控制，然而养护温度的提高会影响制品的抗侵蚀性能 。众多学者发现养护方式会影响钢纤维与水泥基材料界面黏结性能 。蒸汽养护对，等合成纤维与水泥基复合材料界面性能的影响，以及侵蚀溶液对界面性能的影响尚不完善。本文通过单纤维拉拔试验系统研究侵蚀性离子和养护方式对 纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响，研究结果可为耐腐蚀纤维增强水泥基复合材料设计与制备提供理论依据。试验概况试验原材料与水泥基复合材料配合比试验原材料包括：硅酸盐水泥；级粉煤灰；石英砂，平均粒径为，最大粒径为 ；聚羧酸高效减水剂，减水率为；纤维，直径为，弹性模量为 ；，化学分析纯试剂。水泥基复合材料配合比如表所示。表水泥基复合材料配合比 原材料水泥粉煤灰石英砂水高效减水剂用量 试件制备采用硬卡纸制作尺寸为 的试验模具，并且在相应位置预留出 深的卡槽以便固定 纤维，如图（）所示。纤维插入卡槽，在模具外部预留出至少 的长度。将拌和好的水泥基复合材料浇入模具中。部分试件放入混凝土标准养护室标准养护至，其他试件终凝后放入 蒸汽养护箱中高温养护。标准养护用表示，高温养护用表示。试验试件达到上述养护龄期后，使用锯条在 纤维埋入深度 位置处锯断纤维，且锯入深度为 左右时停止动作以免锯断试件。将露出的 纤维缠绕在带有贯通孔的小球上，同时确保小球与试件端部之间预留 的 纤维，并在小球贯通孔中滴入 胶水，使 纤维与小球牢固地黏结在一起，如图（）（）所示。采用热熔胶将试件表面进行密封，仅留个平行侧面作为暴露面，以确保侵蚀性离子的一维渗透。为防止 纤维受到侵蚀，影响 纤维的拉拔性能，用热熔胶将连接小球的 纤维挡住，如图（）所示。将处理好的试件分别放入，的 和 溶液中，试件放置方向如图（）所示。侵蚀，后，取出试件并小心去除试件上的热熔胶。试件自然晾干后，在万能试验机上进行单纤维拔出试验，加载速率为 ，如图（）所示。纤维拔出试验后试件如图（）所示。第期李格格，等：侵蚀性离子对 纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响图试件成型与单纤维拔出试验结果分析与讨论侵蚀溶液浓度对 纤维与水泥基复合材料界面黏结性能的影响 和 侵蚀，后对试件进行单纤维拉拔试验，拔出荷载位移曲线如图图所示。由图可见，拔出荷载与位移呈线性关系，拔出荷载位移曲线的最大纤维拔出量均等于 纤维的埋深。所以，在上述工况下，埋深为的 纤维可以完全被拔出。曲线相对于横坐标的倾斜角度越大，曲线在原点处的纵坐标值也就越大，表明 纤维与水泥基复合材料界面黏结性能越好。因此，可以用曲线在原点处纵坐标值的大小来定量评价 纤维与水泥基复合材料界面黏结性能的好坏。由图可知，氯盐或硫酸盐侵蚀 时，拔出荷载位移曲线原点处的纵坐标值随着侵蚀溶液浓度的增大而增大，并且相同浓度情况下硫酸盐侵蚀试件的最大拔出荷载大于氯盐侵蚀试件。这是因为 侵入试件后会被水化硅酸钙（）物理吸附，被水化铝酸钙化学结合生成 （）盐，因 盐溶解度较低，在水泥基材料孔溶液中析出后，堵塞水泥基材料孔隙，增大 纤维与水泥基材料界面摩擦力。侵入试件后会与氢氧化钙（）反应生成石膏，而后与部分铝相反应生成钙矾石（）。溶解度低且具有膨胀性，在水泥基材料孔溶液中析出后，相比氯盐侵蚀情况其堵孔效应更明显，使得 纤维与水泥基材料界面摩擦力增大幅度更大。由图可知，氯盐或硫酸盐侵蚀 后，拔出荷载位移曲线原点处的纵坐标值随着侵蚀溶液浓度的增大先增大后减小，并且相同浓度情况下硫酸盐侵蚀试件的最大拔出荷载小于氯盐侵蚀试件。这可能是因为此时的氯盐或硫酸盐对水泥基材料的堵孔效应大于破坏作用，而 的氯盐或硫酸盐对水泥基材料的破坏作用大于堵孔效应。研究表明，氯离子扩散系数是硫酸根离子扩散系数的 倍。所以在相同浓度情况下，比 侵入前锋会更深，在水泥基材料表层富集，生成更多的膨胀性产物 ，对表层水泥基材料的破坏作用更大。由图可知，氯盐或硫酸盐侵蚀 后，拔出荷载位移曲线原点处的纵坐标值随着侵蚀溶液浓度的增大而减小。这是因为此时和 氯盐或硫酸盐对水泥基材料的破坏作用大于堵孔效应。青 岛理工大学学报第 卷图氯盐和硫酸盐侵蚀 后 纤维拔出荷载位移曲线图氯盐和硫酸盐侵蚀 后 纤维拔出荷载位移曲线第期李格格，等：侵蚀性离子对 纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响图氯盐和硫酸盐侵蚀 后 纤维拔出荷载位移曲线高温蒸汽养护对 纤维与水泥基复合材料界面黏结性能的影响水中浸泡试件的 纤维拔出荷载位移曲线如图所示。由图可知，试件在水中浸泡 和 后，高温蒸汽养护试件的 纤维拔出荷载位移曲线略低于标准养护试件。这是因为，提高养护温度会加速水泥颗粒的水化速率，短时间内大量水化产物无序沉淀搭接。因此，高温蒸汽养护会粗化水泥基复合材料内部孔隙，造成水泥基复合材料强度损失。此外，随着试件浸泡时间的增加，纤维的最大拔出荷载逐渐增大。这主要来源于试件内部未水化水泥颗粒的继续水化。然而，高温蒸汽养护的试件内部未水化水泥颗粒多于标准养护 的试件，蒸汽养护试件继续水化程度略大于标准养护，从而使得试件在水中浸泡 后，高温蒸汽养护试件的 纤维拔出荷载位移曲线与标准养护试件曲线基本吻合。青 岛理工大学学报第 卷在氯盐、硫酸盐溶液中浸泡，的 纤维拔出荷载位移曲线如图图所示。在同一种侵蚀溶液中浸泡 后，标准养护试件拔出荷载位移曲线原点处的纵坐标值大于 高温蒸汽养护试件。这是因为高温蒸汽作用下水泥基材料内部的铝相物质水化产物主要是，而更容易结合 的 生成量较少。此外，高温养护促进了粉煤灰的火山灰反应，消耗了水泥基材料内部的，从而减少了钙矾石的形成。因此，高温蒸汽养护削弱了水泥基材料对 和 的结合能力，和 的填充效应小于标准养护试件。由图可知，在浓度为的 和 中浸泡 后，高温蒸汽养护试件的 纤维拔出荷载位移曲线与标准养护试件曲线基本吻合。这可能是因为在未水化水泥颗粒继续水化和，的填充作用下，高温养护试件和标准养护试件的密实度进一步增加。而在浓度为 的 和 中浸泡 后，高温蒸汽养护试件的 纤维拔出荷载位移曲线高于标准养护试件。在浓度为，的 和 中浸泡 后，高温蒸汽养护试件 纤维拔出荷载位移曲线原点处的纵坐标值均大于标准养护，如图所示，表明相对于标准养护，高温蒸汽养护水泥基材料抵抗高浓度氯盐、硫酸盐侵蚀的能力更强。，浓度和侵蚀时间对 纤维拔出能的影响对单纤维拉拔试验荷载位移曲线进行积分，可以得出 纤维拔出时所需能量，即纤维拔出能。纤维拔出能可以间接评价纤维增强水泥基复合材料的韧性，拔出能越大纤维增强水泥基复合材料的韧性越好。图为，侵蚀前后 高温蒸汽养护试件、标准养护试件的 纤维拔出能。由图可知，侵蚀溶液浓度和侵蚀龄期、养护方式对纤维拔出能的影响规律与其对纤维水泥基材料界面最大拔出荷载影响规律一致。第期李格格，等：侵蚀性离子对 纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响结论）氯盐或硫酸盐侵蚀 后，纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载随着侵蚀离子浓度的增加而增大。侵蚀 后，纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载随着侵蚀溶液浓度的增大先增大后减小。侵蚀 后，纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载随着侵蚀溶液浓度的增大而减小。）高温蒸汽养护削弱了水泥基材料对 和 的结合能力，和 的填充效应小于标准养护试件。所以，相对于标准养护，在同一工况下，高温蒸汽养护水泥基材料抵抗高浓度氯盐、硫酸盐侵蚀的能力更强。）养护方式、侵蚀龄期和溶液浓度对 纤维拔出能的影响规律与对 纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载影响规律基本一致。参考文献（）：陆振乾，杨雅茹，荀勇 纤维对水泥基复合材料性能影响研究进展 纺织学报，（）：，（）：付燕弟，范宏，王鹏刚氯离子环境下钢筋混凝土结构的使用寿命预测青岛理工大学学报，（）：，（）：李树良，解宗龙，商怀帅，等重复荷载与氯离子侵蚀耦合作用对钢筋混凝土黏结性能影响青岛理工大学学报，（）：，（）：青 岛理工大学学报第 卷王志伟干湿循环作用下 纤维水泥基复合材料抗氯离子侵蚀性能试验研究呼和浩特：内蒙古工业大学，：，张晶 卤水侵蚀下高延性纤维混凝土力学性能试验研究 西安：西安理工大学，：，马颖彪硫酸盐侵蚀条件下纤维素纤维混凝土力学性能试验研究西安：西安理工大学，：，王振波，孙鹏，刘伟康，等硫酸盐侵蚀下 轴拉力学性能与微观结构华中科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：谈亚文，杨哲，李丹，等硫酸盐腐蚀对混杂纤维混凝土弯曲韧性的影响研究硅酸盐通报，（）：，（）：李兰 有机无机纳米杂化材料对水泥水化的影响及机理研究 重庆：重庆大学，：，刘振华预制混凝土早期强度试验研究济南：山东建筑大学，：，刘伟，贺志敏，谢友均，等 蒸养混凝土抗氯离子渗透性能研究 混凝土，（）：，（）：，（）：方祥位，申春妮，杨德斌，等混凝土硫酸盐侵蚀速度影响因素研究建筑材料学报，（）：，（）：，：梁恩钢纤维与超高性能混凝土基体界面粘结性能单丝拉拔试验研究长沙：长沙理工大学，：，阚黎黎，王飞，邬海江，等不同养护条件下混杂钢纤维超高性能混凝土的早龄期力学性能及开裂特性硅酸盐学报，（）：，（）：王小刚，史才军，何富强，等氯离子结合及其对水泥基材料微观结构的影响硅酸盐学报，（）：，（）：，（）：张文华，张云升高温养护条件下现代混凝土水化硬化及微结构形成机理研究进展硅酸盐通报，（）：，（）：李东，张济涛，耿健，等 粉煤灰在蒸养条件下的氯离子固化性能 材料科学与工程学报，（）：，（）：邓皋硫酸盐侵蚀下混凝土矿物掺合料中铝相的赋存状态及演变武汉：武汉理工大学，：，（责任编辑赵金环；英文校审程文华）