朱德舉，彭卓，任京華，史才軍，郭帥成

（1.綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.山東天意高科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

堿激發(fā)膠凝材料是指使用激發(fā)劑（苛性堿、堿性鹽）活化鋁硅酸鹽摻合料（粒化高爐礦渣、粉煤灰、偏高嶺土等）得到的膠凝材料[1].使用堿激發(fā)膠凝材料代替硅酸鹽水泥可以有效降低能耗和碳排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢渣的有效利用，堿激發(fā)材料具有更優(yōu)異的抗酸腐蝕、硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透侵蝕能力[2-5].與硅酸鹽水泥基材料類似，堿激發(fā)材料同樣具有較低的抗彎/抗拉強(qiáng)度和較差的抗裂性.織物增強(qiáng)可以有效提升水泥基材料的抗裂性和力學(xué)性能[6-8].織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，F(xiàn)RCM；或稱為Textile Reinforced Mortar，TRM）具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)[9-10]，已被應(yīng)用于薄壁構(gòu)件以及既有結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)等[11-12].目前，針對(duì)織物增強(qiáng)堿激發(fā)材料的研究相對(duì)較少，特別是在其耐高溫性能方面.TRM 保護(hù)層厚度較薄，在高溫條件下，基體對(duì)纖維的保護(hù)作用較為薄弱[13-14]，作為一種應(yīng)用前景廣闊的新型復(fù)合材料，織物增強(qiáng)堿激發(fā)材料的高溫力學(xué)性能研究具有重要意義.

文獻(xiàn)[15]通過拔出試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了100 ℃、150 ℃、200 ℃、400 ℃及600 ℃高溫處理后TRM 薄板中碳纖維束與硅酸鹽水泥基體之間的界面黏結(jié)性能，結(jié)果表明，在150 ℃溫度作用下，可以觀察到涂覆聚合物的碳纖維與基體之間存在聚合物互鎖機(jī)制，這一機(jī)制會(huì)顯著增大最大拔出力.Xu 等[16]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)碳-?；炀幙椢镌鰪?qiáng)硅酸鹽水泥薄板試件的高溫力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，纖維表面的環(huán)氧樹脂涂層在200 ℃高溫下作用90 min 后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重劣化，造成纖維網(wǎng)與基體之間的界面黏結(jié)破壞和構(gòu)件承載力的大幅下降.Rambo 等[17]研究了高溫對(duì)聚合物涂層玄武巖織物增強(qiáng)高鋁水泥力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，由于涂層的高溫分解、玄武巖纖維的劣化以及基體的干燥開裂，導(dǎo)致當(dāng)溫度超過400 ℃時(shí)復(fù)合材料的承載力急劇下降.

本文研究了高溫對(duì)玄武巖織物增強(qiáng)堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件抗彎力學(xué)性能的影響，同時(shí)分析了環(huán)氧樹脂涂層對(duì)堿激發(fā)基體-玄武巖織物性能的影響，并進(jìn)一步分析了織物層數(shù)、基體類型對(duì)涂覆處理后的織物增強(qiáng)試件抗彎力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 試件制備

本試驗(yàn)選用的材料：P·I 42.5 型硅酸鹽水泥；礦渣，密度2.9 g/cm3，比表面積446 m2/kg；粉煤灰，密度2.3 g/cm3，比表面積290 m2/kg，通過X 射線熒光光譜分析（XRF）測(cè)定礦渣、粉煤灰化學(xué)組成如表1 所示；99%純度的NaOH 粉末；硅酸鈉溶液，質(zhì)量組成為9.5%Na2O、28.5%SiO2、62%H2O；水，自來水；砂的粒徑分別為0～0.6 mm 和0.6～1.2 mm.玄武巖纖維織物由江蘇康達(dá)夫新材料科技有限公司生產(chǎn)，采用經(jīng)緯編織方式，網(wǎng)格尺寸5 mm×5 mm，如圖1 所示（采用經(jīng)向測(cè)試）.環(huán)氧樹脂膠（EP）為湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司研發(fā)的JN-C3P 改性環(huán)氧膠黏劑.根據(jù)《碳纖維復(fù)絲拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 3362—2005）測(cè)得經(jīng)向纖維束的力學(xué)參數(shù)如表2 所示.

表2 玄武巖纖維束性能指標(biāo)Tab.2 Properties of basalt fiber yarns

圖1 玄武巖織物形態(tài)Fig.1 Morphology of basalt textile

表1 礦渣和粉煤灰的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of slag and fly ash（mass fraction） %

制備了工作性能和力學(xué)性能均較好滿足織物增強(qiáng)基體要求的堿激發(fā)砂漿，配合比見表3.堿激發(fā)砂漿的高溫抗折性能如圖2 所示.為提高玄武巖織物耐堿性和織物與基體的黏結(jié)強(qiáng)度，制備試件前先用環(huán)氧樹脂對(duì)玄武巖織物浸漬.試件采用了鋪網(wǎng)－注漿法制備，其中試件分為2 層織物增強(qiáng)和4 層織物增強(qiáng)兩組.如圖3（a）所示，首先將織物布置在模具（590 mm×270 mm）內(nèi)，2 層和4 層織物的間距分別為5 mm 和3 mm，并且每層織物的經(jīng)向纖維束保持對(duì)齊.由圖3（b）可知，攪拌后的水泥砂漿基體具有良好的流動(dòng)性，可以透過織物，并且沒有分層離析；由圖3（c）可知，澆筑成型的TRM 板表面平整、無明顯泌水現(xiàn)象.最后，將澆筑完成的試件輕微振搗，抹平，室溫養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度（20±2）℃，濕度不低于95%）繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d.將養(yǎng)護(hù)完成后的薄板切割成230 mm（長(zhǎng)）×30 mm（寬）×15 mm（厚）的待測(cè)試樣.由圖3（d）可知，試件切面無明顯空洞和破壞情況，基體與纖維編織網(wǎng)的黏結(jié)界面較為密實(shí).

圖2 高溫對(duì)堿激發(fā)基體抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of elevated temperature on the flexural strength of alkali－activated matrix

圖3 玄武巖織物增強(qiáng)砂漿試件的制備Fig.3 Preparation of the basalt textile reinforced mortar specimen

1.2 測(cè)試儀器與方法

試件的高溫處理采用馬弗爐（型號(hào)SX－5－12），從室溫24 ℃開始，以10 ℃/min 的升溫速率分別加熱至200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃，恒溫60 min，然后關(guān)閉馬弗爐，待全部試件自然冷后再進(jìn)行加載試驗(yàn).

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)C43.304），如圖4 所示，試驗(yàn)加載過程中采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min，跨距為150 mm.采用引伸計(jì)測(cè)量試樣的跨中位移，每組試驗(yàn)測(cè)試3 個(gè)試件.本試驗(yàn)中試件的編號(hào)規(guī)則如下：第1 項(xiàng)為基體類型，A 代表堿激發(fā)水泥砂漿，P 代表硅酸鹽水泥砂漿；第2 項(xiàng)為織物層數(shù)L；第3 項(xiàng)為環(huán)氧樹脂處理，EP 表示織物經(jīng)環(huán)氧浸漬處理，未處理則省去該項(xiàng)；第4 項(xiàng)為高溫處理溫度T，例如AL4EPT200℃表示經(jīng)200 ℃高溫處理的環(huán)氧浸漬4 層玄武巖織物增強(qiáng)堿激發(fā)砂漿試件.

圖4 彎曲試驗(yàn)裝置Fig.4 Setup for the flexural test

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂對(duì)高溫后抗彎力學(xué)性能的影響

4 層玄武巖織物增強(qiáng)堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件高溫處理后的彎曲性能如圖5 所示，其中圖5（a）和（b）分別表示無環(huán)氧樹脂浸漬和有環(huán)氧樹脂浸漬的試件.試件的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為3 個(gè)階段，第1 階段即線性階段，此階段砂漿基體未開裂，基體和織物共同承受荷載.第2 階段即非線性階段，砂漿基體初次開裂后，織物纖維開始承擔(dān)受拉區(qū)的荷載.第3 階段即破壞階段，受拉區(qū)的織物逐步斷裂.圖6 為堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿基體中有無環(huán)氧樹脂浸漬的玄武巖纖維形態(tài)圖.

圖5 4 層織物增強(qiáng)堿激發(fā)砂漿試件高溫后的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Flexural stress-strain curves of 4-layer textile reinforced alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

圖6 高溫后堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿基體中的玄武巖纖維形態(tài)圖Fig.6 Basalt textile embedded in alkali-activated slag fly ash mortar matrix after exposure to elevated temperatures

基于高溫處理后彎曲試驗(yàn)獲得的力學(xué)性能參數(shù)如表4 所示，包括開裂應(yīng)力、開裂應(yīng)變、抗彎強(qiáng)度和峰值應(yīng)變.隨著溫度升高，AL4 試件的抗彎強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，其抗彎強(qiáng)度在200 ℃，400 ℃，600 ℃和800℃條件下分別降至室溫下的81.40%、55.73%、39.29%和11.25%.由圖6（a）可知，堿激發(fā)基體會(huì)隨著溫度升高出現(xiàn)剝落，至800 ℃時(shí)基體稀疏多孔并且細(xì)骨料顆粒暴露.玄武巖纖維束會(huì)隨著溫度升高變得松散，至800 ℃時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂.由于基體和纖維性能嚴(yán)重劣化，致使經(jīng)800 ℃高溫處理1 h 時(shí)試件出現(xiàn)單一裂縫破壞并且基本喪失了承載力.

表4 4 層織物增強(qiáng)堿激發(fā)砂漿試件高溫后的彎曲力學(xué)參數(shù)Tab.4 Flexural mechanical properties of 4-layer textile reinforced alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

浸漬環(huán)氧樹脂可以增強(qiáng)纖維束的整體性，增加其協(xié)調(diào)受力能力，從而提高試件的抗彎承載力.由表4 可知，常溫下AL4EP 試件的抗彎強(qiáng)度相對(duì)于AL4試件提高了20.49%.AL4EP 試件的抗彎強(qiáng)度同樣會(huì)隨著溫度升高而下降，其抗彎強(qiáng)度在200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃條件下分別降至室溫下的79.31%、55.93%、17.84%和5.82%.與AL4 試件比較，在T<600 ℃時(shí)，AL4EP 試件的抗彎強(qiáng)度高于AL4 試件的抗彎強(qiáng)度；當(dāng)T≥600 ℃，AL4EP 試件的抗彎強(qiáng)度開始低于AL4 試件的抗彎強(qiáng)度.隨溫度升高，AL4EP試件的峰值應(yīng)變與AL4 試件的變化趨勢(shì)不同，呈增大趨勢(shì)，至600 ℃達(dá)到最大；800 ℃時(shí)處理后試件的抗彎強(qiáng)度和峰值應(yīng)變都近乎為0.

環(huán)氧樹脂浸漬的玄武巖織物形態(tài)如圖6（b）所示，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂涂層會(huì)隨著溫度升高逐漸分解，在溫度達(dá)到600 ℃時(shí)完全揮發(fā)，導(dǎo)致纖維松散不成束.這一結(jié)果同上述AL4EP 試件抗彎性能測(cè)試結(jié)果一致，在溫度達(dá)到600 ℃時(shí)由于環(huán)氧樹脂完全分解破壞了玄武巖纖維與基體的黏結(jié)，導(dǎo)致承載力出現(xiàn)大幅下降，開始低于AL4 試件的強(qiáng)度.由于環(huán)氧樹脂的逐步分解，界面黏結(jié)力隨著溫度的升高逐步變差，纖維與基體在受力時(shí)的相對(duì)滑移逐漸增大，因此在600 ℃溫度范圍內(nèi)AL4EP 試件的峰值應(yīng)變呈增大趨勢(shì).同時(shí)溫度升高會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹脂浸漬纖維表面顏色改變，在200 ℃時(shí)由乳藍(lán)色變成透明的藍(lán)色，而400 ℃時(shí)涂覆環(huán)氧樹脂的纖維表面呈紅褐色.

圖7 為4 層玄武巖織物增強(qiáng)堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件的破壞形態(tài).在彎曲荷載作用下，有無環(huán)氧樹脂浸漬的TRM 試件都表現(xiàn)出多裂縫擴(kuò)展的特征.隨著溫度升高，AL4 和AL4EP 試件的裂縫數(shù)目均會(huì)減少.到800 ℃時(shí)，由于纖維束和基體黏結(jié)力的喪失，TRM 試件呈現(xiàn)單一裂縫破壞特征，且隨著溫度升高，AL4EP 試件的主裂縫寬度逐漸變大，并且裂縫間距增加，這一現(xiàn)象與界面黏結(jié)性能下降、相對(duì)滑移增大相符.

圖7 高溫后AL4 和AL4EP 試件的裂縫Fig.7 Crack patterns of AL4 and AL4EP specimens after exposure to elevated temperatures

2.2 基體類型對(duì)高溫后抗彎力學(xué)性能的影響

圖8（a）和（b）分別為2 層環(huán)氧樹脂浸漬玄武巖織物增強(qiáng)硅酸鹽水泥砂漿和堿激發(fā)砂漿試件高溫后的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由2.1 節(jié)可知800 ℃高溫時(shí)試件承載力已基本喪失，因而后續(xù)研究中最高溫度限定為600 ℃.表5 匯總了彎曲荷載作用下試樣的力學(xué)性能參數(shù).

圖8 2 層玄武巖織物增強(qiáng)硅酸鹽水泥砂漿和堿激發(fā)砂漿試件高溫后的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Flexural stress-strain curves of 2-layer basalt textile reinforced portland cement mortar and alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

由表5 可知，溫度分別升高至200 ℃，400 ℃和600 ℃時(shí)，PL2EP 試件的抗彎強(qiáng)度分別降至室溫下的83.90%、59.17%和12.80%，而AL2EP 試件抗彎強(qiáng)度分別降至室溫下的87.19%、77.53%和33.18%.這表明堿激發(fā)基織物增強(qiáng)材料的耐高溫性能優(yōu)于硅酸鹽水泥基織物增強(qiáng)材料.高溫處理后AL2EP 和PL2EP的破壞形態(tài)如圖9 所示，結(jié)果表明，高溫會(huì)導(dǎo)致水泥基體的開裂和表面剝落，造成力學(xué)性能劣化，出現(xiàn)如圖9（e）所示的縱向裂縫.硅酸鹽水泥基體的開裂會(huì)降低其對(duì)玄武巖織物的保護(hù)效果，在600 ℃高溫作用后，由于織物的劣化造成試件抗彎強(qiáng)度顯著降低.而堿激發(fā)砂漿具有良好的耐高溫性能，高溫處理后試件完整性保持較好，均沒有出現(xiàn)界面剝離現(xiàn)象，如圖9（b）（d）（f）所示.堿激發(fā)基體可以提升高溫時(shí)對(duì)玄武巖織物的保護(hù)，使其600 ℃高溫處理后殘余抗彎強(qiáng)度依然高于原始強(qiáng)度的30%.

表5 2 層織物增強(qiáng)硅酸鹽水泥砂漿和堿激發(fā)砂漿試件高溫后的彎曲力學(xué)參數(shù)Tab.5 Flexural mechanical properties of 2-layer textile reinforced portland cement mortar and alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

圖9 AL2EP 和PL2EP 試件高溫后的破壞形態(tài)Fig.9 Failure patterns of AL2EP and PL2EP specimens after exposure to elevated temperatures

2.3 織物層數(shù)對(duì)高溫后抗彎力學(xué)性能的影響

由圖7 和圖9 可知，織物層數(shù)會(huì)影響試件的抗彎破壞形態(tài).在400 ℃高溫處理后，4 層織物增強(qiáng)試件依然保持多重開裂的破壞模式，而2 層織物增強(qiáng)試件呈現(xiàn)單一裂縫破壞特征；并且4 層織物試件的極限應(yīng)變要高于2 層織物試件，原因在于2 層織物對(duì)基體加固效果不足，受彎加載時(shí)出現(xiàn)脆性斷裂的特征.比較表4 和表5 可知，常溫下，AL4EP 試件的抗彎強(qiáng)度比AL2EP 試件高9.29 MPa；經(jīng)高溫處理后，在溫度分別為200 ℃、400 ℃和600 ℃時(shí)，AL4EP試件的抗彎強(qiáng)度比AL2EP 試件的抗彎強(qiáng)度分別高6.69 MPa、3.34 MPa 和0.34 MPa.隨溫度升高，增加織物層數(shù)對(duì)試件的抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)作用逐漸下降，主要原因是纖維束力學(xué)性能退化和環(huán)氧樹脂的揮發(fā)導(dǎo)致纖維束-基體黏結(jié)強(qiáng)度劣化，在600 ℃高溫情況下，增加層數(shù)對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響基本可以忽略不計(jì).

3 結(jié)論

通過本文的試驗(yàn)研究可以得到以下結(jié)論：

1）高溫會(huì)降低玄武巖織物增強(qiáng)堿激發(fā)礦渣粉煤灰砂漿試件的抗彎力學(xué)性能，并影響其破壞形態(tài)，由常溫狀態(tài)下的多裂縫擴(kuò)展、經(jīng)800 ℃高溫處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閱我涣芽p破壞.

2）環(huán)氧浸漬在600 ℃以下時(shí)有助于提升織物增強(qiáng)試件的抗彎強(qiáng)度；而在600℃以上，由于改性環(huán)氧膠的分解導(dǎo)致界面性能劣化，會(huì)使得試件強(qiáng)度大幅下降.

3）堿激發(fā)礦渣粉煤灰基試件的耐高溫性能優(yōu)于硅酸鹽水泥基試件，在高溫時(shí)沒有出現(xiàn)明顯開裂剝落情況，可以為環(huán)氧浸漬玄武巖織物提供更好的保護(hù)作用.

4）增加織物層數(shù)在一定程度上能提高TRM 試件高溫后的力學(xué)性能，但提升效果隨溫度升高逐漸減弱.溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，由于纖維力學(xué)性能的劣化和環(huán)氧樹脂的分解，增加織物層數(shù)對(duì)試件抗彎承載力幾乎沒有影響.