粉煤灰对3D玻璃纤维织物增强水泥基材料力学性能及耐久性影响的研究

朱雪峰，张朋，李清海，李东旭

（1.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009；2.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

粉煤灰对3D玻璃纤维织物增强水泥基材料力学性能及耐久性影响的研究

朱雪峰1，张朋1，李清海2，李东旭1

（1.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009；2.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

通过50℃热水加速老化养护，并采用碱度测试、扫描电子显微镜、抗弯强度测试等手段，研究了3D玻璃纤维织物增强水泥基材料的力学性能以及掺加粉煤灰后的耐久性。结果表明，标准养护室养护28 d时，使用3D玻璃纤维织物增强可提高基体的抗弯性能，强度较空白试件提高了37.69%，同时，在基体中掺加粉煤灰可以提高基体的长龄期强度，改善耐久性。

GRC；粉煤灰；3D玻璃纤维织物；耐久性

玻璃纤维增强水泥基材料（Glass Fiber Reinforced Cement，简称GRC）是一种新型的建筑材料，具有优良力学性能及轻质、抗裂、不燃等优点。目前对GRC材料的研究主要集中在一维、二维玻璃纤维以及三维混杂纤维掺入基体的性能[1-2]，而对于三维定向玻璃纤维织物（简称3D玻璃纤维织物）增强水泥基材料的研究较少。同时，在GRC应用过程中，由于基体内的玻璃纤维受到侵蚀，导致其长期力学性能降低，因而GRC材料的耐久性问题是阻碍GRC广泛应用核心的问题之一[3]。

本试验通过高温养护方式，并采用碱度测试、扫描电子显微镜以及抗弯性能等测试方法，研究了未使用3D玻璃纤维织物增强、3D玻璃纤维织物增强以及掺粉煤灰3D玻璃纤维织物增强水泥基材料的力学性能及耐久性。

1 试验

1.1 原材料

水泥：唐山冀东水泥有限公司生产的P·O42.5R水泥，主要性能指标见表1，主要化学成分见表2；粉煤灰：来自河北某热电厂，比表面积460 m2/kg，Ⅱ级，主要化学成分见表2

表1 水泥的主要性能指标

表2 水泥和粉煤灰的主要化学成分%

细集料：河砂，细度模数3.2，最大颗粒粒径不大于4.75 mm，含泥量0.6%。

外加剂：聚羧酸减水剂，固含量为20%。

3 D玻璃纤维织物：常州伯龙三维复合材料有限公司生产，厚度为30 mm，单位面积质量1.25 kg/m3，由ZrO2含量为16.7%耐碱玻纤丝编织而成，表面经环氧树脂涂覆。其主要性能指标如表3所示。

表33 D玻璃纤维织物的主要性能指标

水：自来水。

1.2 试验方法

试件尺寸为400 mm×100 mm×40 mm，3D玻璃纤维织物厚30 mm，在制备试块时，织物上下两侧各有5 mm砂浆保护层（如图1所示）。

图1 玻璃纤维位置示意

试件制备：将水泥、粉煤灰、砂加入砂浆搅拌机，先预搅30 s，再分2次加入水和减水剂，搅拌均匀制得砂浆，搅拌时间为180 s。在制备试件时，分2次浇注，先浇注砂浆，并控制砂浆层厚度为5 mm，再将3D玻璃纤维织物放入模具内，再次浇注完全，放置于振动台上振动后刮平，放入标准养护室养护。

测试龄期：制备好的试件放入标准养护室进行养护，24 h后拆模，继续放入标准养护室养护28d后测试抗弯强度。同时，将标准养护28 d后的试件再在50℃热水中加速老化养护，并设定测试龄期为1 d、7 d、28 d、90 d。根据前人研究，在50℃热水中养护1 d相当于在北京大气中自然养护85 d[4]。本试验采用的热水养护龄期及其所对应的自然养护时间见表4。

表450 ℃热水养护龄期对应的自然老化龄期

加载装置：试验在50 kN微机控制电子万能试验机上进行，采用位移控制。加载程序控制5 mm/min的加载速度（如图2所示）。

图2 试块抗弯试验支撑与加载方式示意

抗弯强度按式（1）计算[5]。

式中：σ——试件的抗弯强度，MPa；

译文 The phoenix and phoenix’s mate are daily more and more remote[14]161.

F——试件的抗弯力，N；

l——支撑跨距，m；

b——试件的宽度，m；

d——试件的厚度，m。

碱度测试：试件养护至设定龄期，破碎后放入研钵后研磨，过方孔筛（0.08 mm），称取10 g，然后加入100 g蒸馏水，定期震荡，48 h后测量其pH值。

2 试验结果与分析

试验过程中，固定胶砂比、水胶比以及减水剂掺量，通过调整水泥、粉煤灰比例来制备试件。具体配合比如表5所示。

表5 试验具体质量配合比

考察了不同配合比试件经标准养护室养护28 d以及再在50℃热水加速老化不同龄期抗弯强度和碱度的变化，结果分别如表6、表7所示。

表650 ℃热水加速老化试件的抗弯强度

从表6可以看出：（1）标准养护室养护28 d，3D玻璃纤维织物增强试件C+3D和C+FA+3D的抗弯强度都高于试件C，相较于试件C，试件C+3D的抗弯强度提高了37.69%。说明使用3D玻璃纤维织物可以显著提高试件的抗弯强度。（2）经50℃热水加速老化养护后，试件的抗弯强度呈现不同的变化规律。试件C的抗弯强度随着养护龄期的延长而缓慢增大，最后趋于平缓；试件C+3D的抗弯强度先减小后又趋于平缓；试件C+FA+3D的抗弯强度先增大后略有下降。同时，试件C+ 3D的抗弯强度始终高于试件C。而试件C+FA+3D的抗弯强度在标准养护室养护28 d时低于试件C+3D，后经50℃热水加速老化养护后，其抗弯强度均高于试件C+3D。

表7 不同养护龄期试件的pH值

从表7可以看出，试件的碱度随着养护龄期的延长而下降，试件C+FA+3D的碱度始终低于试件C+3D，但相差不大。Sagüés等[6]认为，由于实验中使用了水进行了冲淡，使得使用取出溶出法测定的离子浓度比原孔溶液中的低约10倍甚至更多。因而，对于不同试件，其基体孔溶液的碱度比表7所示相差的大得多。

3 机理分析

3.1 增强机理

在基体中掺加3D玻璃纤维织物可以提升试件的抗弯性能，其原因在于：（1）基体和3D玻璃纤维织物的弹性模量差异：一般水泥基材料弹性模量为25～30GPa，而3D玻璃纤维织物的弹性模量高达72GPa。由复合材料混合定律[7]可知，使用3D玻璃纤维织物增强基体后，试件的弹性模量变大；（2）由于3D玻璃纤维织物定向增强作用，使用3D玻璃纤维增强基体有利于提升试件的抗弯性能。因此，掺加3D玻璃纤维织物增强试件的抗弯强度显著高于未使用3D玻璃纤维织物增强试件。

3.2 耐久性影响机理

标准养护室养护28 d时，试件C+FA+3D的抗弯强度低于试件C+3D，这是因为掺入粉煤灰到基体内，替代了部分水泥，由于粉煤灰在早期未能完全参与水化，导致掺加粉煤灰试件的抗弯强度低于未掺加粉煤灰试件的抗弯强度。图3是试件C+FA+3D在标准养护室养护28 d扫描电镜照片。照片显示，粉煤灰表面较为光滑，可推断其与基体未完全反应。

图3 掺粉煤灰试件标准养护室养护28 d扫描电镜照片

经50℃热水加速老化养护后，试件C+3D的强度先呈现下降的趋势，这是由于随着水泥的加速水化，产生了更多的碱性物质，对基体内的玻璃纤维产生侵蚀，使得试件的抗弯强度降低。对于试件C+FA+3D，由于其基体内掺加了粉煤灰，粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3与水泥水化产生的碱发生反应，使得基体的碱度低于未掺加粉煤灰的试件C+3D（见表7），减少了基体中的碱对玻璃纤维的侵蚀。同时热水养护条件下，促进了粉煤灰及水泥的水化，因此试件C+FA+3D的强度逐渐提高。但50℃热水加速老化养护90 d后其抗弯强度降低，这是因为基体内的粉煤灰已参与反应，虽然掺入粉煤灰降低了基体的碱度，减少了碱性物质对玻璃纤维的侵蚀，但并不能完全阻止玻璃纤维受到侵蚀，因而其抗弯强度出现小幅降低。图4为试件C+FA+3D经50℃热水养护90 d的扫描电镜照片。

图4 掺粉煤灰试件50℃热水养护90 d扫描电镜照片

图4（a）显示，试件中玻璃纤维表面局部受到侵蚀；图4（b）显示，粉煤灰表面粗糙，说明粉煤灰已与基体发生反应。

从表6可以看出，经50℃热水加速老化养护1 d后，试件C+FA+3D的抗弯强度始终高于试件C及C+3D。在50℃热水加速老化养护28 d时其强度仍保持增长，按表4对应规律可见，在自然养护6.5年仍然具有较好的抗弯性能。同时经50℃热水加速老化养护90 d后，其强度仍高于试件C及C+3D，可见，自然养护21年，其抗弯强度仍优于试件C及C+3D。在此过程中，粉煤灰对改善3D玻璃纤维织物水泥基材料耐久性起到关键作用。一方面，掺加粉煤灰等量替代水泥后，降低基体内水泥的用量，使得其水化生成的碱性物质变少，降低了碱对玻璃纤维的侵蚀作用；另一方面，在碱性环境下，粉煤灰中具有化学活性的SiO2、Al2O3与Ca（OH）2反应，生成类似于水泥水化所产生的C-S-H和水化铝酸钙等反应产物。这些反应产物使得基体变得更加密实，提高了基体的强度，同时由于反应消耗了部分碱[8]，也使得体系的碱度降低，从而降低了碱对基体内玻璃纤维的侵蚀作用。

4 结论

（1）在水泥基材料中掺入3D玻璃纤维织物可以明显提高基体的抗弯强度，这是由于3D玻璃纤维织物高弹模及可三维定向分布所致；但经长龄期加速老化高温养护后，由于基体内碱性物质对玻璃纤维的侵蚀作用，使得其增强效果有所下降。

（2）在3D玻璃纤维织物增强水泥基体中掺加粉煤灰时，较早期时由于粉煤灰未完全参与水化，其增强效果不如未掺加粉煤灰的对比试件，但随着水化的进行，粉煤灰参与反应，试件强度提高，同时基体碱度降低，对玻璃纤维侵蚀作用减小，后期强度明显优于对比试件。

（3）掺加粉煤灰后，可以提高GRC试件的耐久性，但由于粉煤灰不能完全阻止碱对玻璃纤维的侵蚀，长龄期高温加速老化后，其强度略有下降，但仍高于未掺加粉煤灰的试件。

[1]谭永山，余红发，董金美，等.玻璃纤维增强氯氧镁水泥的抗冻性及其机理[J].硅酸盐通报，2014（3）：459-464.

[2]尹世平，徐世烺.纤维编织网增强混凝土的拉伸力学模型[J].复合材料学报，2012（5）：222-229.

[3]沈荣熹，崔琪，李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京：中国建材工业出版社，2004.

[4]葛敦世.玻璃纤维碱侵蚀机理和耐碱性的探讨[J].玻璃纤维，2007（1）：1-9.

[5]BS EN-1170-5：1998，Precast concrete products-Test method for glass-fibre reinforced cement-Part 5 Measuring bending strength，'Complete bending test'method[S].

[6]Sagüés A A，Moreno E I，Andrade C.Evolution of pH during in-situleachinginsmallconcretecavities[J].Cementand Concrete Research，1997，27（11）：1747-1759.

[7]王震鸣.复合材料力学和复合材料结构力学[M].北京：机械工业出版社，1991.

[8]阎培渝.粉煤灰在复合胶凝材料水化过程中的作用机理[J].硅酸盐学报，2007（S1）：167-171.

Study of fly ash on mechanical properties and durability of 3D glass fiber fabric reinforced cement

ZHU Xuefeng1，ZHANG Peng1，LI Qinghai2，LI Dongxu1
（1.College of Materials Science And Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 210009，China；2.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

The mechanical properties of 3D glass fiber fabric reinforced cement and the durability with fly ash are studied by means of determination of alkalinity and flexural strength and SEM in 50℃hot water conservation.The results indicate that compared with blank specimen after curing 28 d in standard-curing room，the flexural strength of 3D glass fiber fabric reinforced cement improve 37.69%.And fly ash can improve the long-term strength and durability.

GRC，fly ash，3D glass fiber fabric，durability

TU528.581

A

1001-702X（2016）07-0046-03

国家科技支撑计划项目（2013BAJ10B03）

2016-01-13；

2016-03-03

朱雪峰，男，1991年生，江苏盐城人，硕士研究生，主要研究方向为玻璃纤维增强水泥基材料。