养护方式对玄武岩活性粉末混凝土力学性能影响的试验研究

张学建，葛林才，张云龙，王 静

吉林建筑大学 材料科学与工程学院，长春 130018

0 引言

活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，英文缩写为RPC)是法国Bouygues公司在1993年首先研制出来的一种以硅酸盐水泥和多种矿物掺合料为胶凝体系的新型水泥基复合材料[1-2].RPC配制的基本原理是提高各部分材料的活性及细度,使硅灰等超细粉体的含量和用量达到较低水胶比(W/B),降低孔隙率,获得更好的强度[3],活性粉末混凝土正是由于具备了轻质高强、高韧性和高耐久性的综合优势,才使其在石油、核电、市政、海洋及军工设施上得到了广泛应用,获得了较高的社会收益[4].

玄武岩纤维(Basalt fiber, 英文缩写为BF)被誉为21世纪新型环保型水泥基增强材料[5],BF属于硅酸盐纤维,是天然纤维中的一种,其生产是通过玄武石在1 450 ℃高温熔融后,再由铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的纤维[6].

目前,国内外学者已对钢纤维活性粉末混凝土的基本力学性能进行了充分的研究,并在试验中也充分证实了钢纤维可大幅提升RPC的力学性能[7-8].但对其他种类的纤维如BF掺量、养护方式对RPC力学性能的试验研究却相对较少.本文试验矿物掺合料为硅灰-矿粉-粉煤灰胶凝材料体系,对自然、标准和组合等3种养护方式下掺入不同掺量BF的RPC不同龄期抗压强度、劈拉强度展开试验研究,基于试验结果得到了BF体积掺量、养护龄期对玄武岩RPC力学性能的影响规律.

1 试验概况

1.1 试验材料

(1) 水泥:选用亚泰牌P.Ⅱ52.5级水泥,比表面积为367 m2/kg.水泥化学组成及物理性质成分如表1所示.

(2) 硅灰:选用山东省博肯硅材料有限公司生产的微硅灰,活性指数为116 %.硅灰成分如表2所示.

(3) 粉煤灰:选用吉林某电厂二级粉煤灰.

(4) 矿粉:选用河南巩义某公司的普通S 95矿粉,其性能指标如表3所示.

(5) 减水剂:选用青岛虹厦高分子材料有限公司生产的HSC聚羧酸高性能减水剂,减水率为28.5 %.

(6) 石英砂:选用的石英砂为天然河砂,在吉林省内就地取材,选取粒径在1.18 mm以下的砂作为试验用砂,比筛分精细砂减少人力节约成本,细度模数为2.158,属细砂范围.

(7) 玄武岩纤维(BF):采用山东某公司生产的玄武岩纤维(BF),其性能指标如表4所示.

表1 水泥的化学组成及物理性质Table 1 Chemical composition and physical properties of cement

表2 硅灰指标参数Table 2 Silica fume index parameters

表3 矿粉指标参数Table 3 Mineral powder index parameters

表4 玄武岩纤维指标参数Table 4 Index parameters of basalt fiber

1.2 试件制作及养护

RPC配合比如表5所示(本配合比为正交分析中的最优配合比).先将称好的砂、水泥、硅灰和粉煤灰、矿粉放入搅拌机,搅拌1 min,再放入纤维搅拌2 min,其次将90 %的减水剂放入称好的水中搅拌1 min,之后放入剩余的10 %的减水剂继续搅拌3 min.试验采用100 mm×100 mm×100 mm混凝土抗压强度标准试件.试件的制作及振捣按《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)中的要求进行.

人工振捣完成后,再放到振动台上振动成型,至无明显气泡溢出为止,时间在45 s～75 s之间.试件成型后放入温度为20 °C、湿度为95 %的标准养护箱内养护,24 h后拆模、编号,再将试件按以下3种方式养护：① 自然养护;② 标准养护;③ 组合养护即先在90 ℃热水养护下养护1 d后转入厂房自然养护至龄期.本文试验配合比如表5所示.

表5 玄武岩RPC配合比Table 5 Mix proportion of basalt RPC

2 试验结果与讨论

2.1 抗压、劈拉强度试验结果

对玄武岩RPC基本力学性能进行了大量试验包括7 d,28 d不同养护制度下立方体抗压强度、劈拉强度的试验,表6为玄武岩RPC试验结果.

表6 玄武岩RPC力学性能Table 6 Mechanical properties of basalt RPC

续表6

2.2 养护方式对抗压强度的影响分析

RPC中未掺入BF时,混凝土在荷载增加过程中,不断掉落碎渣,随后伴随着巨响直接发生如图1(a)所示的脆性破坏.掺入BF后,如图1(b)所示,混凝土伴随着荷载的不断增加,裂缝逐渐产生,并从两侧开始发展,在达到极限荷载破坏的一瞬间同样会发生巨响.但试件的整体性比未掺纤维时的整体性好.试验现象说明,掺入BF能明显缓解RPC的脆性特征,随着BF掺量的增加,脆性破坏不断减缓.但BF的加入并不能彻底消除脆性破坏状态,并且90 ℃热水养护24 h后再自然养护27 d,破坏现象同自然养护、标准养护一样,并无差异.

(a)

(b)

由图2可知,当BF掺量未达到结团界限时,在不同养护方式下试件的7 d,28 d抗压变化规律均为:组合养护>标准养护>自然养护.由于BF在水泥基中充分发挥阻裂效应、改善薄弱界面的共同作用,使得BF的加入有效地改善了RPC抗压强度.在自然养护和标准养护条件下，7 d,28 d的抗压强度变化曲线较为一致的,当纤维掺量为0.15 %时达到最优掺量.

由于2种养护方式在温度、湿度上有明显的差异,玄武岩RPC在标准养护条件下,外界自由水较充裕通过毛细孔进入水泥基,促进水化进程.自然养护、标准养护下7 d,28 d时的抗压强度比素RPC的抗压强度提升了7 %,19.8 %，10 %,18.4 %.

当玄武岩掺量大于0.15 %这一临界值时,RPC基内部纤维结团现象严重,导致内部缺陷增加,抗压强度降低.

在热水养护中,7 d时的抗压强度比素RPC的抗压强度有不同程度的降低,这是因为在组合养护中,热水养护条件下硅灰、矿粉具有火山灰效应物质的消耗量也急剧增加,Ca(OH)2,C-S-H和水化硅铝酸钙也大量产生,水泥基孔隙率降低,密实度增加,从而导致素RPC的抗压强度大幅度增加,BF则会再受到碱性孔溶液的腐蚀,而热水养护则会加速腐蚀过程,使得纤维RPC强度降低[9].

(a) 7天(a) 7 days

(b) 28天(b) 28 days

2.3 养护方式对劈拉强度的影响分析

图3为玄武岩RPC的破坏形态.素RPC 劈拉试验中当达到极限荷载时,试件发生脆性破坏甚至会直接飞出.

(a)

(b)

在BF掺入RPC基体后,在加载过程中会产生微裂缝,从上下面开始延伸,随后侧面会产生裂缝,当达到极限荷载时,上下裂缝直接贯穿,试块并未直接分离,与素RPC劈拉强度相比,玄武岩RPC劈拉强度还是得到了显著的提高.

不同养护方式下的增长规律如图4所示.当纤维掺量未达到结团掺量时,试件7 d时劈拉强度的变化规律:组合养护>标准养护>自然养护,而28 d时劈拉强度的变化规律:标准养护>自然养护>组合养护.加入BF后,BF在水泥基中呈三维乱向分布,对裂缝的初期发展有一定的抑制作用.BF与水泥界面相容性较好,具有桥接作用,这对RPC劈拉强度的提升产生积极促进作用[10].

在自然养护和标准养护下,玄武岩RPC的最佳纤维掺量为0.15 %,与素RPC相比,7 d,28 d时劈拉强度分别提升了75.9 %,64.1 %,74.9 %,56.6 %.标准养护的劈拉强度略优于自然养护.自然养护28 d时的劈拉强度与标准养护差距不大，这与RPC本身低水胶比、高密实度有着不可分割的关系.

在组合养护下,7 d时BF劈拉强度比素RPC提升了3.4 %,5.9 %,-4.6 %,-18.3 %,28 d时BF劈拉强度比素RPC提高了22.2 %,81 %,6.9 %,-4.6 %.在组合养护下,与7 d时劈拉强度相比,28 d时劈拉强度出现了大幅度的倒缩现象,出现这种结果的原因可能是较高温度加速水化反应,短时间内生成大量水化产物,但却阻碍后期总水化程度的进一步提升[11].

(a) 7 天(a) 7 days

(b) 28 天(b) 28 days

3 RPC微观机理研究

3.1 SEM微观分析

为研究BF在水泥基中的分布情况及纤维与界面粘结性能,如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示,将BF拌和进水泥基后,在一定掺量范围内,BF未出现结团现象,与水泥相容性好、粘结比较紧密且与水泥基协同受力,交错乱向的BF使得裂缝路径变得复杂化,当裂缝发展至BF处时,裂纹驱动力受阻,裂纹停止发展,同时可以有效防止裂缝贯通.达到极限荷载时,BF拉断吸收更多的能量,从而改善RPC的宏观力学性能.如图5(d)所示,当BF掺量超过0.15 %时,BF结团、重叠几率增大,水泥基内部形成较多的缺陷区域,进而对RPC力学性能产生减益影响.

(a)

(b)

(c)

(d)

4 结论

(1) 组合养护下玄武岩RPC 7 d时的抗压、劈拉强度均高于标准养护、自然养护下7 d时的抗压、劈拉强度.组合养护下的28 d龄期与7 d龄期相比,增长不大且劈拉强度出现了倒缩现象.对3种养护来说，随着龄期的延长,28 d龄期抗压强度时的组合养护优于标准养护优于自然养护.对比28 d时的劈拉强度,标准养护优于自然养护优于组合养护.

(2) SEM分析表明，当玄武岩纤维掺量在一定范围内时，其掺入对3种养护下RPC的抗压、劈拉强度有着不同程度的改善.基于本文试验研究,当玄武岩纤维掺量为0.15 %时,自然养护、标准养护下抗压、劈拉强度的提升幅度最大;当玄武岩纤维掺量为0.10 %时,组合养护下抗压、劈拉强度的提升幅度最大.