矿物掺和料对玄武岩纤维水泥砂浆强度发展的影响

叶邦土，蒋金洋，王文灏，夏 璐

（1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 210028；2.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189）

水泥基材料的强度与水泥水化速度和界面强度密切相关，纤维在水泥基材料中起增强、增韧作用，但是纤维长期处于碱性环境中会受到化学腐蚀损伤以及晶体产生的物理刻蚀损伤［1－2］.改善纤维在水泥基材料中耐久性的措施很多，主要包括改变纤维自身的化学组成、改善基体以及纤维表面改性［3］等.利用粉煤灰及硅灰等活性矿物掺和料对水泥基体进行改性是目前研究的一个热点［4－5］.

鉴于此，本文主要研究了标准养护和热水加速养护条件下玄武岩纤维增强水泥基材料的抗压、抗折强度发展规律，并着重分析了粉煤灰和硅灰复掺对水泥砂浆中玄武岩纤维耐腐蚀性能的影响.

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O 52.5普通硅酸盐水泥，黄石华新水泥厂生产；粉煤灰：Ⅰ级F 类粉煤灰，镇江谏壁电厂苏源公司生产；硅灰：比表面积22 000m2／kg，SiO2含量1）文中涉及的含量、水胶比均为质量分数或质量比.95.5%，贵州海天铁合金磨料有限责任公司生产；减水剂：聚羧酸减水剂JM－PCA（Ⅳ），减水率为35%，江苏博特新材料有限公司研制；细集料：天然河砂，细度模数2.8，表观密度2 620kg／m3；玄武岩纤维：浙江石金玄武岩纤维有限公司生产.水泥与粉煤灰的化学组成见表1.

表1 水泥和粉煤灰的化学组成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cement and fly ash

1.2 制备与测试

按照表2 的配合比来制备玄武岩纤维水泥砂浆.首先将水泥、细集料以及其他矿物掺和料在搅拌机内搅拌2～3min，再加入已混合均匀的水和外加剂，继续搅拌直到获得较好的工作性，最后加入玄武岩纤维搅拌2～3min，使纤维在基体中均匀分散.将搅拌好的砂浆装入尺寸为40mm×40mm×160mm的模具成型后，放入（20±2）℃，相对湿度＞90%的标准养护箱中养护24h后脱模.

表2 水泥砂浆配合比Table 2 Mix proportion of cement mortar

砂浆强度测试参照GB／T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行.采用美国FEI公司产Quanta 3DFEG 型系列环境扫描ESEM／聚焦离子束FIB“双束”显微镜（quanta 3DFEG SEM／FIB dual beam）观察纤维与水泥砂浆界面；采用德国Bruker－AXS公司产D8Discover型X射线衍射仪（Xray diffraction，XRD）定性分析水泥砂浆中水泥水化产物的晶体组成，扫描方式为locked coupled模式，工作电压和工作电流分别为40kV 和30mA，扫描范围为10°～80°，步宽0.02°，扫描速度8（°）／min.

2 结果与讨论

2.1 标准养护下矿物掺和料对玄武岩纤维砂浆强度的影响

图1给出了标准养护180d内各砂浆试件的强度发展情况.

由图1可见：就抗压强度而言，玄武岩纤维的掺入对配合比不同的各砂浆试件抗压强度影响较小，其抗压强度均略有降低.就抗折强度而言，玄武岩纤维砂浆试件M1－BF 的早期抗折强度有所提高，其7，28d的抗折强度分别较基准砂浆试件M1－J提高了12%和2%；28d后，随着水泥水化反应的继续，基准砂浆试件M1－J的抗折强度随养护龄期的增长而不断增长，纤维砂浆试件M1－BF抗折强度却基本保持不变甚至略有降低；180d时，玄武岩纤维砂浆试件M1－BF抗折强度较基准砂浆试件M1－J下降了约11%.值得注意的是，掺60%粉煤灰的玄武岩纤维砂浆试件M2－BF 抗折强度28～180d仍保持增长趋势，后期增长速率逐渐趋缓，180d时，其抗折强度高出基准砂浆试件M2－J 6%左右；掺50%粉煤灰和10%硅灰的玄武岩纤维砂浆试件M3－BF 28～180d一直保持较高的增长速率，180d时仍高出基准砂浆试件M3－J约17%.由各砂浆试件的强度发展情况可知，矿物掺和料可显著延长玄武岩纤维对水泥砂浆抗折强度增强效果的时效，其中复掺粉煤灰和硅灰比单掺粉煤灰效果更为显著.

2.2 80℃热水养护下矿物掺和料对玄武岩纤维砂浆强度的影响

为研究玄武岩纤维增强水泥基材料长期服役条件下的耐久性问题，采用热水养护方法来表征玄武岩纤维砂浆长期强度的发展规律.根据Arrhenius方程［6－7］（式（1）），可通过热水养护下水泥基材料强度发展规律表征出长期标准养护条件下的强度发展规律.

式中：KT为养护温度为T 时的强度发展速率常数；A为常数；Ea为活化能，J／mol；R 为气体常数，8.314J·mol；T 为绝对温度，K.

图1 玄武岩纤维砂浆强度与标准养护时间的关系Fig.1 Relationship between standard curing time and strength of basalt fiber reinforced mortar

将试件在标准养护室中养护7d后放入加热养护箱，分别养护3，5，7，12，20，28d，然后测其强度值.

热水养护过程中，玄武岩纤维水泥砂浆强度发生波动起伏主要由两方面因素导致：一方面，热水养护条件下，试件基体水化速度加快，从而引起强度值上升，尤其是在热水养护初期；另一方面，玄武岩纤维在水泥基材料中会受到碱性孔溶液的腐蚀，而热水养护条件也加速了该腐蚀过程，使得纤维砂浆强度和韧性降低.

图2为玄武岩纤维砂浆强度与80℃热水养护时间的关系.

图2 玄武岩纤维砂浆强度与80℃热水养护时间的关系Fig.2 Relationship between curing time in hot water of 80℃and strength of basalt fiber reinforced mortar

图2所得结果与图1给出的标准养护条件下的强度发展规律类似.由图2（a）可以看出，未掺矿物掺和料的纤维砂浆试件M1－BF 热水养护后抗压强度变化很小，而掺60%粉煤灰及混掺50%粉煤灰和10%硅灰的纤维砂浆试件抗压强度仍不断上升。由图2（b）可以看出，未掺矿物掺和料的纤维砂浆试件M1－BF在热水养护前的抗折强度高出基准砂浆试件M1－J约12%，而热水养护28d后，M1－BF 试件抗折强度较M1－J试件降低了18%；掺60%粉煤灰的纤维砂浆试件M2－BF 的抗折强度在热水养护前高出基准砂浆试件M2－J 19%，热水养护28d后，其抗折强度较试件M2－J降低了15%；混掺50%粉煤灰和10%硅灰的纤维砂浆试件M3－BF 的抗折强度在热水养护前高出基准砂浆试件M3－J 37%，热水养护28d后，其抗折强度较试件M3－J降低了7%.这说明掺矿物掺和料后的纤维砂浆试件在热水养护28d时，其抗折强度较试件的下降幅度明显减小，且复掺粉煤灰和硅灰较单掺粉煤灰效果更为显著.

由图2还可以看出，未掺矿物掺和料的试验组在热水养护5d后出现纤维砂浆试件抗折强度低于基准砂浆试件的现象；而掺60%粉煤灰以及复掺50%粉煤灰和10%硅灰的试验组在7，12d后才出现该现象.

2.3 微观试验和机理分析

粉煤灰的活性效应体现在粉煤灰的玻璃成分与水泥水化产物中的碱相互作用.掺入的粉煤灰消耗了水泥砂浆中的Ca（OH）2，降低了浆体孔溶液中的碱含量；而粉煤灰和硅灰复掺的试件中Ca（OH）2晶体的含量更少，因为硅灰具有较大的细度和大量的非结晶SiO2，具有很好的活性，掺入到水泥基材料中能够迅速与水泥水化形成的Ca（OH）2发生化学反应，生成C－S－H 凝胶，使原本粗大的Ca（OH）2板状结晶物数量大幅度减少，尺寸也大幅度减小，从而降低了玄武岩纤维在基体中的腐蚀程度.反映在图2中就表现为掺矿物掺和料后纤维砂浆后期抗折强度较基准试件的下降幅度明显减小.图3为80℃加速老化28d后3种基准砂浆水泥水化产物的XRD图谱.

图3 80℃热水养护28d后3种基准砂浆中水泥水化产物的XRD 图谱Fig.3 XRD patterns of mortars after cured for 28din hot water of 80℃

由图3可以看出，单掺粉煤灰或复掺粉煤灰和硅灰后，砂浆试件中Ca（OH）2晶体的衍射峰消失，而水化产物中C－S－H 凝胶明显增多.原因主要有以下两方面：一是粉煤灰和硅灰等量替代部分水泥，减少了水泥用量，因此减少了Ca（OH）2的绝对生成量；二是粉煤灰和硅灰受Ca（OH）2激发，二次水化生成大量的C－S－H 凝胶，并且消耗了一部分Ca（OH）2，这就从根本上减少了结晶粗大的Ca（OH）2的数量及其在水泥石－集料界面过渡区和水泥石－纤维界面上的富集与定向排列，从而优化了界面结构［8－9］，同时还细化了水泥石的空隙，降低了孔隙率，使砂浆结构更加密实［10］.因此掺矿物掺和料后的玄武岩纤维砂浆宏观上表现出更高的后期抗折强度.图4为80℃加速老化28d后3种纤维砂浆中玄武岩纤维的扫描电镜照片.

图4 80℃加速老化28d后各试件中玄武岩纤维的SEM 照片Fig.4 SEM photos of basalt fiber in different specimens

由图4可以看出，未掺矿物掺和料的玄武岩纤维砂浆试件M1－BF中，玄武岩纤维受到了非常严重的腐蚀，纤维与基体的黏结性能也较差；掺60%粉煤灰的试件M2－BF以及复掺50%粉煤灰和10%硅灰的试件M3－BF中，纤维腐蚀程度较小，且与基体的黏结性能也较好.

3 结论

（1）玄武岩纤维对早期水泥基材料抗折强度具有增强作用，随着龄期延长，增强作用减弱，后期由于玄武岩纤维受到基体腐蚀反而对基体强度提高不利.

（2）使用粉煤灰和硅灰等活性掺和料对玄武岩纤维水泥砂浆长期强度发展的改善是有效的.粉煤灰和硅灰掺入后显著降低了基体中Ca（OH）2晶体的含量，能够有效降低玄武岩纤维在水泥基材料中的腐蚀程度，延长玄武岩纤维砂浆的使用寿命.

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