分散剂对蒸汽养护玻璃纤维混凝土抗渗性能的影响

2022-02-22杨文瑞黎惠莹冯中敏王世玉汤智毅

硅酸盐通报 2022年1期

杨文瑞，黎惠莹，冯中敏，王世玉，汤智毅

(东华理工大学土木与建筑工程学院，南昌 330013)

0 引言

蒸汽养护下的高温度、高湿度可以加快混凝土早期强度的发展，从而缩短生产周期[1-2]。但在快速水化的同时，蒸汽养护往往会对混凝土的后期强度和耐久性产生不利的影响[3-4]。研究[5]表明，在混凝土中掺入纤维能改善混凝土性能。吕雁[6]研究了玻璃纤维混凝土的抗压强度、抗折强度和抗拉强度，发现玻璃纤维体积分数为1%时，混凝土综合提升效果更好。代若愚等[7]也通过研究不同掺量的玻璃纤维对混凝土力学性能的影响，发现玻璃纤维体积分数为1%时更加合理。纤维掺入到水泥基复合材料中改变了材料的内部结构，可对材料的内部缺陷进行改善。除了增强增韧外，同时提高材料的密实性和变形能力，从而增强材料的耐磨性、抗渗性、耐腐蚀性、抗冲击能力及抗疲劳性能[8-11]。

纤维混凝土中“纤维成团”问题限制了其在工程应用中的发展。目前国内外研究主要通过物理方法和化学方法对纤维改性，从而改善纤维的分散性。化学方法主要通过添加无机电解质类分散剂和表面活性剂，不同聚合物与玻璃纤维复掺，改善纤维与基体的界面结构。同时，聚合物可以黏附在纤维表面，对纤维起到一定的保护作用，提高纤维的耐碱性能[12]。陈清等[13]研究了羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、六偏磷酸钠对玻璃纤维浆料分散性的影响，结果表明添加分散剂六偏磷酸钠的玻璃纤维浆的分散性最好，最佳掺量为0.04%(质量分数)。张素风等[14]用硅烷偶联剂醇溶液、苯酚-四氯乙烷等溶剂浸泡玻璃纤维，然后用纤维分离机疏解纤维，发现经苯酚-四氯乙烷溶剂浸泡后的玻璃纤维分散性更好。时艺娟等[15]将脆性纤维的助剂分散方法和物理分散方法进行归纳，这两种方法是解决纤维在不同体系中分散问题的有效途径。水溶性分散剂更加环保，无污染，超支化分散剂对玻璃纤维复合材料的力学性能、表观性能和分散性有明显提高。段景宽等[16]研究了五种新型结构的分散剂对玻璃纤维复合材料分散性的影响，其中具有酰胺基团的微交联结构分散剂(JWF-EBC)能明显改善填料的分散性。Ibrahim等[17]将分散剂(BYK W-980)作为alfa纤维和聚乳酸聚合物的相容剂，分散剂对纤维表面改性，使得纤维在聚乳酸基体中的分散性更好。

玻璃纤维具有耐热性强、耐腐蚀性强、性价比高等特点，分散剂改性玻璃纤维复合材料以其高性能和多功能性在各领域应用愈加广泛[18-20]；混凝土中加入玻璃纤维能改善混凝土的性能，但因玻璃纤维在水泥基体中分散性差，并没有在水泥基复合材料中得到广泛应用。

综上，本文将玻璃纤维与三种玻璃纤维分散剂分别复掺，加入混凝土中，通过对比分析分散剂与玻璃纤维复掺时混凝土微观结构、孔隙率、抗压强度、劈裂抗拉强度和渗水高度的变化，探究分散剂对玻璃纤维在混凝土中分散性的影响和分散剂对玻璃纤维混凝土抗渗性能的影响。

1 实验

1.1 原料

水泥采用某公司生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；粗集料为天然碎石，细集料为天然河砂；拌和及养护用水为城市自来水；玻璃纤维由奕琳玻纤工厂提供，其基本参数见表1。

表1 玻璃纤维物理性能指标Table 1 Physical performance indexes of glass fiber

分散剂为高分子型超分散剂(B193)、聚醚改性聚合物(S-3101B)和羧甲基纤维素钠(CMC)，前两种由广州守正公司生产，最后一种由力宏精细化工厂生产。三种分散剂相关参数见表2。

表2 分散剂参数Table 2 Parameters of dispersants

混凝土配合比根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)进行设计，质量比m(水泥) ∶m(水) ∶m(砂) ∶m(碎石)=1.00 ∶0.49 ∶1.74 ∶3.14，砂率为36%。

1.2 试件制作与养护

为研究三种分散剂对玻璃纤维在混凝土中分散性的影响，共设置11组试验，混凝土立方体抗压试验和劈裂抗拉试验采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件，抗渗试验采用尺寸为175 mm×185 mm×150 mm的试件。试件制作时先将碎石、砂和水泥进行干拌，然后加入纤维搅拌1 min，再将分散剂溶于水后加入拌合料搅拌2 min。制备完成的试件进行蒸汽养护(见图1)，试件蒸汽养护过程为：常温下静停4 h，升温4 h，恒温8 h，降温4 h，共20 h，恒温温度为(45±2) ℃，蒸汽养护完成后试件脱模，然后移到养护室存放，养护温度为19～21 ℃，相对湿度为95%。试件设计详见表3。

图1 试件浇筑和蒸汽养护Fig.1 Casting and steam curing of specimens

表3 试件设计Table 3 Specimen design

1.3 试验方法

1.3.1 微观试验

图2 微观样品Fig.2 Microscopic sample

采用FEI捷克有限公司生产的Nova NanoSEM450场发射扫描电子显微镜(SEM)。试样取自抗渗试件中心部位，试样大小为1 cm×1 cm×1 cm，将试样固定在试样台上，先进行镀金，然后进行电镜扫描(见图2)。主要观测纤维混凝土内部水泥水化产物种类、孔隙变化、裂缝扩展情况等。

1.3.2 孔隙率试验

根据标准ASTM C642进行试验，首先将混凝土试件进行烘干，再测定试件质量。如果试件相对初次质量测定时而言是干燥的，而且第二次测定的质量与首次吻合，可认为试件是干燥的。然后对试件进行泡水饱和并煮沸，利用试件泡水煮沸前后质量差与泡水煮沸后的质量与表观质量差，计算得到试件孔隙率。

1.3.3 抗渗试验

根据标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，抗渗试件6个为一组，试验前需要对试件进行封蜡，之后将试件安装至抗渗仪，完成压模过程；然后进行密封性检查，密封性达到要求后进行抗渗试验，水压力设置为1.2 MPa，24 h后劈开，以10个测点处渗水高度的算术平均值作为该试件的渗水高度；最后计算6个试件渗水高度的算术平均值，作为该组试件的平均渗水高度。根据所得渗水高度的大小，比较混凝土的密实性。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度和劈裂抗拉强度

图3为掺加三种分散剂后，玻璃纤维混凝土试件的抗压强度随分散剂掺量的变化。掺加分散剂B193和CMC后，混凝土试件的抗压强度有小幅提升，而掺加分散剂S-3101B会大幅降低混凝土试件的抗压强度。当分散剂B193掺量为0.5%时，混凝土试件抗压强度提高4.9%；当分散剂S-3101B掺量为0.8%时，混凝土试件抗压强度降低17.5%；当分散剂CMC掺量为0.5%时，混凝土试件抗压强度提高2.2%。

图4为分散剂掺量对玻璃纤维混凝土劈裂抗拉强度的影响。由图4可知，分散剂B193和CMC掺入到玻璃纤维混凝土中，混凝土试件的劈裂抗拉强度呈现先升后降的趋势，而分散剂S-3101B降低了混凝土试件的劈裂抗拉强度。当分散剂B193掺量为0.5%时，相较于未掺分散剂的混凝土试件，劈裂抗拉强度提高5.0%；当分散剂S-3101B掺量为0.8%时，玻璃纤维混凝土的劈裂抗拉强度为2.52 MPa，下降9.4%；当分散剂CMC掺量为0.5%时，玻璃纤维混凝土的劈裂抗拉强度为2.85 MPa，提高2.5%。

图3 分散剂掺量对抗压强度的影响Fig.3 Effect of dispersant dosage on compressive strength

图4 分散剂掺量对劈裂抗拉强度的影响Fig.4 Effect of dispersant dosage on splitting tensile strength

掺加分散剂B193和CMC使试件抗压强度和劈裂抗拉强度有小幅提高，这是因为掺加分散剂后，纤维在混凝土中分散更均匀，使得纤维与水泥基体形成的空间结构更紧密。而掺加分散剂S-3101B使试件抗压强度和劈裂抗拉强度降低，主要是因为分散剂S-3101B加入水泥基体中会生成大量气体，导致混凝土硬化后，试件内部孔洞致密，结构强度降低。

2.2 微观结构分析

未掺分散剂玻璃纤维混凝土的SEM照片如图5所示，未掺加分散剂的玻璃纤维混凝土中的玻璃纤维“成团”现象严重，纤维未均匀分散在混凝土中，不能对混凝土的强度、耐腐蚀性和耐久性等起到改善作用，反而会破坏混凝土内部结构。

掺加三种分散剂后玻璃纤维混凝土的SEM照片如图6～图8所示，掺加分散剂后玻璃纤维在纤维混凝土内部的分散性更好，且混凝土与玻璃纤维接触面的裂缝及孔隙很小，接触面结合度较高，玻璃纤维与混凝土之间有一定黏结性，增强玻璃纤维混凝土的延性。掺加分散剂S-3101B的玻璃纤维混凝土因分散剂与混凝土中的碱性物质发生反应生成气体，导致混凝土硬化后，内部形成了大量的孔洞(见图7)，降低了试件的抗压强度和劈裂抗拉强度。掺入分散剂B193和CMC的试件内部玻璃纤维分散情况更好，玻璃纤维起到了“承托”骨料的作用，承担了部分应力，在混凝土内部形成更加均匀的空间网络结构，提高了混凝土整体的结构性能，限制了混凝土中微小裂缝的发展。

图5 未掺分散剂玻璃纤维混凝土的SEM照片Fig.5 SEM images of glass fiber concrete without dispersant

图6 掺分散剂B193玻璃纤维混凝土的SEM照片Fig.6 SEM images of glass fiber concrete with dispersant B193

图7 掺分散剂S-3101B玻璃纤维混凝土的SEM照片Fig.7 SEM images of glass fiber concrete with dispersant S-3101B

图8 掺分散剂CMC玻璃纤维混凝土的SEM照片Fig.8 SEM images of glass fiber concrete with dispersant CMC

2.3 不同分散剂对纤维混凝土孔隙率的影响

2.4 不同分散剂对玻璃纤维混凝土抗渗性能的影响

2.4.1 渗水高度

分散剂掺量对渗水高度的影响如图10所示，掺加分散剂的玻璃纤维混凝土的抗渗性能从高到低为B193>CMC>S-3101B，随着分散剂B193掺量增大，试件的渗水高度呈先降后升的趋势。当B193掺量为0.2%、0.5%、0.8%时，渗水高度分别为23.1 mm、21.1 mm、22.2 mm，相比于未掺入分散剂的混凝土试件，渗水高度分别降低8.7%、16.6%、12.3%。

随着分散剂S-3101B掺量增大，玻璃纤维混凝土试件的渗水高度逐渐增大。分散剂S-3101B掺量为0.2%、0.5%、0.8%时，渗水高度分别为30.0 mm、34.1 mm、36.5 mm，相比于未掺入分散剂的混凝土试件，渗水高度分别提高了18.6%、34.8%、44.3%，单独掺入分散剂S-3101B不能抑制玻璃纤维混凝土中的水分渗透。

随着分散剂CMC掺量增加，玻璃纤维混凝土试件的渗水高度先减小后增大，分散剂CMC掺量为0.2%、0.5%、0.8%时，渗水高度分别为24.6 mm、23.5 mm、24.1 mm，相比于未掺入分散剂的混凝土试件，渗水高度分别降低了2.8%、7.1%、4.7%。

图9 分散剂掺量对玻璃纤维混凝土孔隙率的影响Fig.9 Effect of dispersant dosage on porosity of glass fiber concrete

图10 分散剂掺量对渗水高度的影响Fig.10 Effect of dispersant dosage on seepage height

2.4.2 抗渗机理分析

混凝土抗渗性能主要与混凝土内部的孔隙有关，不仅孔隙率对混凝土抗渗能力有很大影响，同时其也受孔径分布的影响。造成混凝土内部孔隙率增大以及影响孔径分布的原因有多种，水泥浆体在拌和过程中会有空气进入，本身具有一定的含气量，导致水泥浆体内含有一定的细小孔隙，水泥浆体与骨料之间黏合不佳，导致骨料与水泥浆体之间存在一些细小裂缝，这些裂缝和孔隙都会影响到混凝土的抗渗性能。

2.4.3 分散剂对渗水高度的影响

孔隙率是材料中孔隙体积占总体积的比例，材料孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，从而反映混凝土的抗渗性能。本文对掺加不同分散剂的玻璃纤维混凝土的孔隙率与渗水高度的关系进行拟合，得到孔隙率(P)与渗水高度(H)之间的关系，如图11所示。