鮑文博，李林鳳，原林杰

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

建筑工程

綠色韌性水泥基復(fù)合材料碳化性能試驗(yàn)*

鮑文博，李林鳳，原林杰

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

為了研究綠色韌性水泥基復(fù)合材料(GCC)的耐久性，進(jìn)行了快速碳化試驗(yàn)，研究了GCC的抗碳化性能以及水膠比和纖維摻量對(duì)抗碳化性能的影響規(guī)律.結(jié)果表明：隨著碳化時(shí)間的增加，GCC的碳化深度逐漸增加，但其碳化速率逐漸減??；摻加一定量的纖維可以改善GCC的抗碳化性能，但當(dāng)纖維摻量超過(guò)一定臨界值時(shí)，GCC的抗碳化性能反而有所降低；水膠比對(duì)于GCC的抗碳化性能有明顯影響，隨著水膠比的增加，GCC材料的抗碳化性能逐漸降低.

尾礦砂；綠色建材；水泥基復(fù)合材料；PVA纖維；纖維摻量；水膠比；碳化試驗(yàn)；碳化深度

綠色韌性水泥基復(fù)合材料(green cementitious composite，GCC)是項(xiàng)目組自2010年從節(jié)約資源和提高性能兩個(gè)方面探索研發(fā)的新型綠色建筑材料.該材料借鑒美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的超高韌性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)[1-2]制備技術(shù)，且應(yīng)用礦山開(kāi)采后廢棄的尾礦砂大比例替代ECC中的細(xì)骨料，用工業(yè)粉煤灰大比例替代水泥，制備的一種具有環(huán)保特性的韌性建筑材料[3-6].前期研究工作表明，該綠色建筑材料具有良好的抗壓性能和抗拉延性，在拉伸荷載作用下均表現(xiàn)出明顯的假應(yīng)變硬化和多縫開(kāi)裂特性，其極限拉伸應(yīng)變可達(dá)約3%，是一種具有延性變形特征的水泥基復(fù)合材料，具有很強(qiáng)的能量吸收能力，可以顯著改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗拉變形能力，因此，具有很廣泛的應(yīng)用前景[7].

同普通混凝土材料一樣，由GCC制備的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其鋼筋銹蝕仍是造成結(jié)構(gòu)耐久性損傷的主要原因之一.因此，許多學(xué)者對(duì)于普通混凝土和高性能水泥基復(fù)合材料開(kāi)展了抗碳化性能方面的試驗(yàn)研究[8-9].GCC作為一種新材料，對(duì)其耐久性尚不了解.因此，對(duì)GCC碳化特性進(jìn)行研究，為其在結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用提供基本的耐久性參數(shù)，有助于深入地了解該材料的物理、化學(xué)等性能，正確評(píng)估其工程性能和應(yīng)用范圍.本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室快速碳化試驗(yàn)，對(duì)GCC的抗碳化性能進(jìn)行了研究，討論了水膠比和纖維摻量二元因素對(duì)GCC碳化速率的影響，為其工程應(yīng)用提供耐久性能參數(shù).

1 試驗(yàn)概況

本文采用50%尾礦砂和54%粉煤灰的大比例替代率，考慮纖維體積率和水膠比這兩種因素的影響，對(duì)綠色韌性水泥基復(fù)合材料GCC開(kāi)展了碳化試驗(yàn)研究.本文共設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，其中，PVA纖維分別采用0、1.5%和2.0%三種體積摻量，水膠比采用0.40、0.45和0.50三個(gè)配比值，分別用A、B和C表示.試樣編號(hào)和試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比方案分別如表1、2所示.

表1 試樣編號(hào)Tab.1 Sample numbering

表2 基準(zhǔn)配合比Tab.2 Basic mix proportion

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用膠凝材料采用標(biāo)號(hào)為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用粒徑為0.150～0.315 mm的鐵礦尾礦砂和天然砂混合細(xì)骨料，纖維采用長(zhǎng)度為12 mm的PVA纖維，粉煤灰采用電廠一級(jí)粉煤灰，同時(shí)添加摻量為1%的高效減水劑和摻量為0.13%的增稠劑等添加劑.PVA纖維的性能指標(biāo)如表3所示.

表3 PVA纖維性能指標(biāo)Tab.3 Performance indexes of PVA fiber

1.2 試件制備及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)依據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13：2009)[10]、《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)[11]和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)有關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行試件的制作與養(yǎng)護(hù).綠色韌性水泥基復(fù)合材料的碳化試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊，3個(gè)試件為一組，所有試件都按照優(yōu)化的攪拌制度攪拌，入模后在振動(dòng)臺(tái)上振搗1 min，抹平試模上口表面后蓋上塑料薄膜防止水分揮發(fā).48 h后拆模，置入濕度90%以上、溫度(20±3) ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù).

1.3 試驗(yàn)方法

本文依據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13：2009)和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行：試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，在60 ℃的烘箱中干燥48 h后進(jìn)行封蠟處理再放入快速碳化箱中進(jìn)行碳化試驗(yàn).碳化箱內(nèi)濕度控制在(70±5)%，溫度控制在(20±2) ℃，二氧化碳濃度控制在(20±3)%.當(dāng)碳化時(shí)間達(dá)到3、7、14、28 d時(shí)取出試件，將棱柱體試件用劈裂法從一端開(kāi)始破型.每次切除的厚度為50 mm，切后用石蠟將破型后的試件切斷面封好，再放入箱內(nèi)繼續(xù)碳化，直到下一個(gè)周期，隨后用1%的酚酞酒精溶液噴于劈裂面，變色后，從試件表面到變色邊每邊測(cè)定10處距離，以其算術(shù)平均值作為碳化深度值.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 綠色韌性水泥基復(fù)合材料GCC碳化結(jié)果

綠色韌性水泥基復(fù)合材料GCC各碳化齡期的碳化深度結(jié)果如表4所示.

按照快速碳化28 d相當(dāng)于自然碳化50年的深度預(yù)測(cè)[12]，由表4可知，綠色韌性水泥基復(fù)合材料GCC自然碳化50年時(shí)，除了配合比為C-0.0組試件的碳化深度達(dá)到了27.5 mm，超過(guò)一般鋼筋混凝土構(gòu)件厚度為25 mm的保護(hù)層，其他組配合比材料則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不會(huì)自然碳化到鋼筋表面.

表4 GCC各碳化齡期的碳化深度Tab.4 Carbonation depth of GCC at each carbonization age mm

2.2 纖維摻量對(duì)GCC碳化速率的影響

在同一水膠比、不同纖維摻量條件下，由試驗(yàn)測(cè)得GCC試件的碳化深度隨碳化時(shí)間的變化曲線如圖1所示.

圖1 纖維摻量與碳化深度的關(guān)系Fig.1 Relationship between fiber content and carbonation depth

由圖1可見(jiàn)，纖維摻量為0、1.5%、2%時(shí)，GCC的碳化深度均隨著碳化時(shí)間逐漸上升，但其碳化速率逐漸降低.隨著纖維摻量的增加，GCC材料的抗碳化性能逐漸提高，但纖維摻量增加到一定程度時(shí)，GCC材料的抗碳化性能反而有所降低.三種纖維摻量相比較，纖維摻量為1.5%時(shí)，GCC材料的抗碳化性能最好；纖維摻量為2%時(shí)，GCC材料的抗碳化性能較好.

GCC試樣在試驗(yàn)中的碳化深度與纖維摻量之所以呈現(xiàn)圖1的變化規(guī)律，主要原因如下：

1) 在碳化初期，影響材料碳化速率的主要原因是CO2向材料內(nèi)擴(kuò)散的速度.在水泥水化過(guò)程中，由于化學(xué)收縮、自由水蒸發(fā)等多種原因，在GCC內(nèi)部產(chǎn)生很多大小不同的毛細(xì)管、孔隙和氣泡等，大氣中的CO2通過(guò)這些孔隙向材料內(nèi)部快速擴(kuò)散，并溶解于孔隙內(nèi)的液相，在孔隙溶液中與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此在碳化初期，碳化速率最大.隨著碳化進(jìn)程的持續(xù)，一方面，由于碳化反應(yīng)的主要產(chǎn)物碳酸鈣屬非溶解性鹽，比原反應(yīng)物的體積膨脹，GCC材料中的凝膠孔隙和部分毛細(xì)孔隙將被碳化產(chǎn)物堵塞，使GCC材料的密實(shí)度和強(qiáng)度有所提高，一定程度上阻礙了CO2向材料內(nèi)部的擴(kuò)散，使GCC材料的碳化速率減緩；另一方面，GCC材料中摻加了大量的粉煤灰，在碳化的中后期過(guò)程中，粉煤灰的二次反應(yīng)開(kāi)始發(fā)揮作用，粉煤灰中的活性SiO2開(kāi)始與Ca(OH)2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，水化產(chǎn)物填充原有孔隙，逐步使得材料趨于密實(shí)，從而使材料碳化速率減慢.因此，無(wú)論何種情況，GCC材料的碳化速率總的趨勢(shì)是隨著碳化進(jìn)程的發(fā)展而減緩.

2) 在GCC材料中摻加一定量的纖維，可以改變水泥基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)纖維分散較好時(shí)，可以在水泥基體中形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善水泥基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高材料的抗碳化性能.但隨著纖維摻量增多，纖維分散的均勻性降低，局部出現(xiàn)結(jié)團(tuán)的機(jī)率增加，反而會(huì)使水泥基體產(chǎn)生更多細(xì)小孔隙，加速材料的碳化進(jìn)程，減弱材料的抗碳化性能.

2.3 水膠比對(duì)GCC碳化速率的影響

在同一纖維摻量、不同水膠比條件下，由試驗(yàn)測(cè)得的GCC試件碳化深度隨碳化時(shí)間的變化曲線如圖2所示.

圖2 水膠比與碳化深度的關(guān)系Fig.2 Relationship between water binder ratio and carbonation depth

由圖2可見(jiàn)，水膠比為0.40、0.45、0.50時(shí)，GCC的碳化深度均隨著碳化時(shí)間的增加而增加，盡管B-2.0組(即水膠比為0.45、纖維摻量為2%的試樣)碳化速率出現(xiàn)了跳躍，但并不影響碳化深度隨碳化時(shí)間增加而逐漸上升的趨勢(shì).B-2.0組試樣碳化速率呈現(xiàn)突增，可能是B-2.0組試塊纖維分散不均勻而在水泥基體中產(chǎn)生較多微小孔隙，致使其碳化速率突然加快所致.

隨著水膠比的增加，試樣碳化深度明顯增加，表明GCC材料的抗碳化性能逐漸降低.這一結(jié)果也與其他學(xué)者研究水灰比對(duì)水泥基復(fù)合材料碳化性能的影響結(jié)論一致[13].出現(xiàn)這一變化規(guī)律的原因是因?yàn)樗z比是決定GCC材料孔結(jié)構(gòu)與孔隙率的主要因素，其中游離水的多少關(guān)系著孔隙飽和度的大小，而材料碳化反應(yīng)就是發(fā)生在孔隙溶液中，當(dāng)水膠比增大時(shí)，材料的密實(shí)性顯著降低，致使GCC材料的碳化深度隨著水膠比增加而增加，減弱了材料的抗碳化性能.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)綠色韌性水泥基復(fù)合材料GCC的抗碳化性能試驗(yàn)，研究了纖維摻量和水膠比二元因素對(duì)材料抗碳化性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1) 綠色韌性水泥基復(fù)合材料GCC隨著碳化時(shí)間的增大，碳化深度逐漸增加，但碳化速率逐漸減小.一般情況下，材料的碳化深度在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不會(huì)到達(dá)鋼筋表面.

2) 摻加一定量的纖維改善了GCC材料的抗碳化性能，但超過(guò)一定臨界值時(shí)，GCC材料的抗碳化性能反而有所降低.本文中纖維摻量為1.5%時(shí)，GCC材料抗碳化性能較好.

3) 水膠比影響水泥基復(fù)合材料的抗碳化性能，隨著水膠比的增加，GCC材料的抗碳化性能逐漸降低.

[1] Li V C，Leung C K Y.Steady-state and multiple cracking of short random fiber composites [J].Journal of Engineering Mechanics，1992，118(11)：2246-2264.

[2] Li V C.Advances in ECC research [J].ACI Special Publication on Concrete：Material Science to Applications，2002，206(23)：373-400.

[3] Bao W B，Wang C H，Zhang S F，et al.Experimental study on mechanical properties of PVA fiber reinforced tailings cementitious composites [J].Advanced Materials Research，2012，598：618-621.

[4] 鮑文博，張少峰.混合細(xì)骨料水泥基復(fù)合材料鐵尾礦砂替代比例的研究 [J].混凝土與水泥制品，2013(6)：81-83.

(BAO Wen-bo，ZHANG Shao-feng.Research on replacement ratio of tailing sand about combined aggregate cementitious composites [J].China Concrete and Cement Products，2013(6)：81-83.)

[5] 黃志強(qiáng)，劉鑫，皮新萌.三點(diǎn)彎曲下PVA-尾礦砂水泥基復(fù)合材料斷裂特性 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38(4)：450-456.

(HUANG Zhi-qiang，LIU Xin，PI Xin-meng.Fracture characteristics of PVA reinforced tailing sand cementitious composite under three point bending [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(4)：450-456.)

[6] 底高浩.韌性尾礦砂PVA水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究 [D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2016.

(DI Gao-hao.Study on the mechanical properties of toughing tailings PVA reinforced cementitious composites [D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2016.)

[7] 鮑文博，李林鳳，底高浩，等.綠色韌性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38(6)：697-702.

(BAO Wen-bo，LI Lin-feng，DI Gao-hao，et al.Mechanical properties of green toughness cementitious composites [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(6)：697-702.)

[8] 徐世烺，蔡新華.超高韌性水泥基復(fù)合材料碳化與滲透性能試驗(yàn)研究 [J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010，27(3)：177-183.

(XU Shi-lang，CAI Xin-hua.Experimental studies on permeability and carbonation properties of ultra high toughness cementitious composites [J].Acta Materiae Compositae Sinica，2010，27(3)：177-183.)

[9] 金駿，吳國(guó)堅(jiān)，翁杰，等.水灰比對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化速率影響的試驗(yàn)研究 [J].硅酸鹽通報(bào)，2011，30(4)：943-949.

(JIN Jun，WU Guo-jian，WENG Jie，et al.Experimental study on influence of cement water patio on coeffi-cient and carbonation rate of concrete [J].Bulletin of the Chinese Ceramic Socitey，2011，30(4)：943-949.)

[10]大連理工大學(xué).CECS 13：2009纖維混凝土試驗(yàn)方法 [S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

(Dalian University of Technology.CECS 13：2009 Standard test methods for fiber reinforced concrete [S].Beijing：China Planning Press，2010.)

[11]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50082-2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB/T 50082-2009 Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete [S].Beijing：China Architecture & Building Press，2009.)

[12]蔡新華.超高韌性水泥基復(fù)合材料耐久性能試驗(yàn)研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

(CAI Xin-hua.Experimental research on the durable properties of ultra high toughness cementitious composites [D].Dalian：Dalian University of Technology，2010.)

[13]吳國(guó)堅(jiān)，金駿，王傳坤，等.粉煤灰摻量對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化速率的影響 [J].新型建筑材料，2011，38(8)：8-11.

(WU Guo-jian，JIN Jun，WANG Chuan-kun，et al.Influence of fly ash content on chloride diffusion coefficient and carbonation rate of concrete [J].New Building Materials，2011，38(8)：8-11.)

Experimentoncarbonationpropertiesofgreenductilecementitiouscomposite

BAO Wen-bo, LI Lin-feng, YUAN Lin-jie

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the durability of green ductile cementitious composite (GCC), a quick carbonization test was carried out.The carbonation resistant performance of GCC as well as the influence rule of water binder ratio and fiber content on the carbonation performance were studied.The results show that with increasing the carbonization time, the carbonization depth of GCC gradually increases, but the carbonization rate gradually decreases.The carbonation resistant performance of GCC can be improved by adding a certain amount of fiber.However, the carbonation resistant performance of GCC decreases when the fiber content is more than a critical value.The water binder ratio has significant effect on the carbonation resistant performance of GCC.The carbonation resistant performance of GCC gradually reduces with increasing the water binder ratio.

tailings sand; green building material; cementitious composite; PVA fiber; fiber content; water binder ratio; carbonation test; carbonation depth

2016-10-17.

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(LGD2016007).

鮑文博(1958-)，男，遼寧大連人，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及新型建筑材料等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶12在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2112.016.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2018.01.19

TU 411

A

1000-1646(2018)01-0104-05

鐘 媛 英文審校：尹淑英)