楊文瑞，黎惠瑩，馮中敏，王世玉，湯智毅

(東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013)

0 引 言

蒸汽養(yǎng)護(hù)下的高溫度、高濕度可以加快混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展，從而縮短生產(chǎn)周期[1-2]。但在快速水化的同時，蒸汽養(yǎng)護(hù)往往會對混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不利的影響[3-4]。研究[5]表明，在混凝土中摻入纖維能改善混凝土性能。呂雁[6]研究了玻璃纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為1%時，混凝土綜合提升效果更好。代若愚等[7]也通過研究不同摻量的玻璃纖維對混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為1%時更加合理。纖維摻入到水泥基復(fù)合材料中改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可對材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行改善。除了增強(qiáng)增韌外，同時提高材料的密實性和變形能力，從而增強(qiáng)材料的耐磨性、抗?jié)B性、耐腐蝕性、抗沖擊能力及抗疲勞性能[8-11]。

纖維混凝土中“纖維成團(tuán)”問題限制了其在工程應(yīng)用中的發(fā)展。目前國內(nèi)外研究主要通過物理方法和化學(xué)方法對纖維改性，從而改善纖維的分散性?；瘜W(xué)方法主要通過添加無機(jī)電解質(zhì)類分散劑和表面活性劑，不同聚合物與玻璃纖維復(fù)摻，改善纖維與基體的界面結(jié)構(gòu)。同時，聚合物可以黏附在纖維表面，對纖維起到一定的保護(hù)作用，提高纖維的耐堿性能[12]。陳清等[13]研究了羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、六偏磷酸鈉對玻璃纖維漿料分散性的影響，結(jié)果表明添加分散劑六偏磷酸鈉的玻璃纖維漿的分散性最好，最佳摻量為0.04%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。張素風(fēng)等[14]用硅烷偶聯(lián)劑醇溶液、苯酚-四氯乙烷等溶劑浸泡玻璃纖維，然后用纖維分離機(jī)疏解纖維，發(fā)現(xiàn)經(jīng)苯酚-四氯乙烷溶劑浸泡后的玻璃纖維分散性更好。時藝娟等[15]將脆性纖維的助劑分散方法和物理分散方法進(jìn)行歸納，這兩種方法是解決纖維在不同體系中分散問題的有效途徑。水溶性分散劑更加環(huán)保，無污染，超支化分散劑對玻璃纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能、表觀性能和分散性有明顯提高。段景寬等[16]研究了五種新型結(jié)構(gòu)的分散劑對玻璃纖維復(fù)合材料分散性的影響，其中具有酰胺基團(tuán)的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)分散劑(JWF-EBC)能明顯改善填料的分散性。Ibrahim等[17]將分散劑(BYK W-980)作為alfa纖維和聚乳酸聚合物的相容劑，分散劑對纖維表面改性，使得纖維在聚乳酸基體中的分散性更好。

玻璃纖維具有耐熱性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、性價比高等特點，分散劑改性玻璃纖維復(fù)合材料以其高性能和多功能性在各領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛[18-20]；混凝土中加入玻璃纖維能改善混凝土的性能，但因玻璃纖維在水泥基體中分散性差，并沒有在水泥基復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用。

綜上，本文將玻璃纖維與三種玻璃纖維分散劑分別復(fù)摻，加入混凝土中，通過對比分析分散劑與玻璃纖維復(fù)摻時混凝土微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和滲水高度的變化，探究分散劑對玻璃纖維在混凝土中分散性的影響和分散劑對玻璃纖維混凝土抗?jié)B性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

水泥采用某公司生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；粗集料為天然碎石，細(xì)集料為天然河砂；拌和及養(yǎng)護(hù)用水為城市自來水；玻璃纖維由奕琳玻纖工廠提供，其基本參數(shù)見表1。

表1 玻璃纖維物理性能指標(biāo)Table 1 Physical performance indexes of glass fiber

分散劑為高分子型超分散劑(B193)、聚醚改性聚合物(S-3101B)和羧甲基纖維素鈉(CMC)，前兩種由廣州守正公司生產(chǎn)，最后一種由力宏精細(xì)化工廠生產(chǎn)。三種分散劑相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 分散劑參數(shù)Table 2 Parameters of dispersants

混凝土配合比根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)進(jìn)行設(shè)計，質(zhì)量比m(水泥) ∶m(水) ∶m(砂) ∶m(碎石)=1.00 ∶0.49 ∶1.74 ∶3.14，砂率為36%。

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

為研究三種分散劑對玻璃纖維在混凝土中分散性的影響，共設(shè)置11組試驗，混凝土立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，抗?jié)B試驗采用尺寸為175 mm×185 mm×150 mm的試件。試件制作時先將碎石、砂和水泥進(jìn)行干拌，然后加入纖維攪拌1 min，再將分散劑溶于水后加入拌合料攪拌2 min。制備完成的試件進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)(見圖1)，試件蒸汽養(yǎng)護(hù)過程為：常溫下靜停4 h，升溫4 h，恒溫8 h，降溫4 h，共20 h，恒溫溫度為(45±2) ℃，蒸汽養(yǎng)護(hù)完成后試件脫模，然后移到養(yǎng)護(hù)室存放，養(yǎng)護(hù)溫度為19～21 ℃，相對濕度為95%。試件設(shè)計詳見表3。

圖1 試件澆筑和蒸汽養(yǎng)護(hù)Fig.1 Casting and steam curing of specimens

表3 試件設(shè)計Table 3 Specimen design

1.3 試驗方法

1.3.1 微觀試驗

圖2 微觀樣品Fig.2 Microscopic sample

采用FEI捷克有限公司生產(chǎn)的Nova NanoSEM450場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)。試樣取自抗?jié)B試件中心部位，試樣大小為1 cm×1 cm×1 cm，將試樣固定在試樣臺上，先進(jìn)行鍍金，然后進(jìn)行電鏡掃描(見圖2)。主要觀測纖維混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物種類、孔隙變化、裂縫擴(kuò)展情況等。

1.3.2 孔隙率試驗

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C642進(jìn)行試驗，首先將混凝土試件進(jìn)行烘干，再測定試件質(zhì)量。如果試件相對初次質(zhì)量測定時而言是干燥的，而且第二次測定的質(zhì)量與首次吻合，可認(rèn)為試件是干燥的。然后對試件進(jìn)行泡水飽和并煮沸，利用試件泡水煮沸前后質(zhì)量差與泡水煮沸后的質(zhì)量與表觀質(zhì)量差，計算得到試件孔隙率。

1.3.3 抗?jié)B試驗

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，抗?jié)B試件6個為一組，試驗前需要對試件進(jìn)行封蠟，之后將試件安裝至抗?jié)B儀，完成壓模過程；然后進(jìn)行密封性檢查，密封性達(dá)到要求后進(jìn)行抗?jié)B試驗，水壓力設(shè)置為1.2 MPa，24 h后劈開，以10個測點處滲水高度的算術(shù)平均值作為該試件的滲水高度；最后計算6個試件滲水高度的算術(shù)平均值，作為該組試件的平均滲水高度。根據(jù)所得滲水高度的大小，比較混凝土的密實性。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3為摻加三種分散劑后，玻璃纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨分散劑摻量的變化。摻加分散劑B193和CMC后，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度有小幅提升，而摻加分散劑S-3101B會大幅降低混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)分散劑B193摻量為0.5%時，混凝土試件抗壓強(qiáng)度提高4.9%；當(dāng)分散劑S-3101B摻量為0.8%時，混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低17.5%；當(dāng)分散劑CMC摻量為0.5%時，混凝土試件抗壓強(qiáng)度提高2.2%。

圖4為分散劑摻量對玻璃纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。由圖4可知，分散劑B193和CMC摻入到玻璃纖維混凝土中，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，而分散劑S-3101B降低了混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)分散劑B193摻量為0.5%時，相較于未摻分散劑的混凝土試件，劈裂抗拉強(qiáng)度提高5.0%；當(dāng)分散劑S-3101B摻量為0.8%時，玻璃纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.52 MPa，下降9.4%；當(dāng)分散劑CMC摻量為0.5%時，玻璃纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.85 MPa，提高2.5%。

圖3 分散劑摻量對抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of dispersant dosage on compressive strength

圖4 分散劑摻量對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of dispersant dosage on splitting tensile strength

摻加分散劑B193和CMC使試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有小幅提高，這是因為摻加分散劑后，纖維在混凝土中分散更均勻，使得纖維與水泥基體形成的空間結(jié)構(gòu)更緊密。而摻加分散劑S-3101B使試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低，主要是因為分散劑S-3101B加入水泥基體中會生成大量氣體，導(dǎo)致混凝土硬化后，試件內(nèi)部孔洞致密，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

未摻分散劑玻璃纖維混凝土的SEM照片如圖5所示，未摻加分散劑的玻璃纖維混凝土中的玻璃纖維“成團(tuán)”現(xiàn)象嚴(yán)重，纖維未均勻分散在混凝土中，不能對混凝土的強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐久性等起到改善作用，反而會破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

摻加三種分散劑后玻璃纖維混凝土的SEM照片如圖6～圖8所示，摻加分散劑后玻璃纖維在纖維混凝土內(nèi)部的分散性更好，且混凝土與玻璃纖維接觸面的裂縫及孔隙很小，接觸面結(jié)合度較高，玻璃纖維與混凝土之間有一定黏結(jié)性，增強(qiáng)玻璃纖維混凝土的延性。摻加分散劑S-3101B的玻璃纖維混凝土因分散劑與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成氣體，導(dǎo)致混凝土硬化后，內(nèi)部形成了大量的孔洞(見圖7)，降低了試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。摻入分散劑B193和CMC的試件內(nèi)部玻璃纖維分散情況更好，玻璃纖維起到了“承托”骨料的作用，承擔(dān)了部分應(yīng)力，在混凝土內(nèi)部形成更加均勻的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了混凝土整體的結(jié)構(gòu)性能，限制了混凝土中微小裂縫的發(fā)展。

圖5 未摻分散劑玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of glass fiber concrete without dispersant

圖6 摻分散劑B193玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of glass fiber concrete with dispersant B193

圖7 摻分散劑S-3101B玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of glass fiber concrete with dispersant S-3101B

圖8 摻分散劑CMC玻璃纖維混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of glass fiber concrete with dispersant CMC

2.3 不同分散劑對纖維混凝土孔隙率的影響

2.4 不同分散劑對玻璃纖維混凝土抗?jié)B性能的影響

2.4.1 滲水高度

分散劑摻量對滲水高度的影響如圖10所示，摻加分散劑的玻璃纖維混凝土的抗?jié)B性能從高到低為B193>CMC>S-3101B，隨著分散劑B193摻量增大，試件的滲水高度呈先降后升的趨勢。當(dāng)B193摻量為0.2%、0.5%、0.8%時，滲水高度分別為23.1 mm、21.1 mm、22.2 mm，相比于未摻入分散劑的混凝土試件，滲水高度分別降低8.7%、16.6%、12.3%。

隨著分散劑S-3101B摻量增大，玻璃纖維混凝土試件的滲水高度逐漸增大。分散劑S-3101B摻量為0.2%、0.5%、0.8%時，滲水高度分別為30.0 mm、34.1 mm、36.5 mm，相比于未摻入分散劑的混凝土試件，滲水高度分別提高了18.6%、34.8%、44.3%，單獨摻入分散劑S-3101B不能抑制玻璃纖維混凝土中的水分滲透。

隨著分散劑CMC摻量增加，玻璃纖維混凝土試件的滲水高度先減小后增大，分散劑CMC摻量為0.2%、0.5%、0.8%時，滲水高度分別為24.6 mm、23.5 mm、24.1 mm，相比于未摻入分散劑的混凝土試件，滲水高度分別降低了2.8%、7.1%、4.7%。

圖9 分散劑摻量對玻璃纖維混凝土孔隙率的影響Fig.9 Effect of dispersant dosage on porosity of glass fiber concrete

圖10 分散劑摻量對滲水高度的影響Fig.10 Effect of dispersant dosage on seepage height

2.4.2 抗?jié)B機(jī)理分析

混凝土抗?jié)B性能主要與混凝土內(nèi)部的孔隙有關(guān)，不僅孔隙率對混凝土抗?jié)B能力有很大影響，同時其也受孔徑分布的影響。造成混凝土內(nèi)部孔隙率增大以及影響孔徑分布的原因有多種，水泥漿體在拌和過程中會有空氣進(jìn)入，本身具有一定的含氣量，導(dǎo)致水泥漿體內(nèi)含有一定的細(xì)小孔隙，水泥漿體與骨料之間黏合不佳，導(dǎo)致骨料與水泥漿體之間存在一些細(xì)小裂縫，這些裂縫和孔隙都會影響到混凝土的抗?jié)B性能。

2.4.3 分散劑對滲水高度的影響

孔隙率是材料中孔隙體積占總體積的比例，材料孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度，從而反映混凝土的抗?jié)B性能。本文對摻加不同分散劑的玻璃纖維混凝土的孔隙率與滲水高度的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到孔隙率(P)與滲水高度(H)之間的關(guān)系，如圖11所示。

圖11 孔隙率與滲水高度關(guān)系擬合曲線Fig.11 Fitting curves of relationship between porosity and seepage height

根據(jù)2.3節(jié)得到的分散劑摻量(x)與玻璃纖維混凝土孔隙率(P)的關(guān)系，擬合得到三種分散劑摻量與孔隙率的關(guān)系曲線，如圖12所示。

圖12 孔隙率與分散劑摻量關(guān)系擬合曲線Fig.12 Fitting curves of relationship between porosity and dispersant dosage

根據(jù)孔隙率和分散劑摻量對玻璃纖維混凝土滲水高度的影響，建立三種分散劑摻量與玻璃纖維混凝土滲水高度之間的關(guān)系式，如式(1)～(3)所示。

摻加分散劑B193：

H=14.18x2-15.04x-25.41

(1)

摻加分散劑S-3101B：

H=-12.59x2+21.92x+26.43

(2)

摻加分散劑CMC：

H=4.18x2-4.79x+25.30

(3)

式中：H為滲水高度，mm；x為分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

將建立的模型與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖13所示?？傮w上模型曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合度高，對于分散劑摻量對玻璃纖維混凝土滲水高度的影響能有效預(yù)測。從圖13中可以看出分散劑B193和S-3101B的摻量對滲水高度的影響較大。

圖13 分散劑摻量與滲水高度關(guān)系曲線Fig.13 Relationship curves between dispersant dosage and seepage height

3 結(jié) 論

(1)摻入三種分散劑均能改善玻璃纖維在混凝土中的分散性，能讓玻璃纖維在混凝土內(nèi)部形成更加均勻的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是加入分散劑S-3101B時，混凝土拌和時會生成大量氣體，混凝土硬化后內(nèi)部孔隙增多，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

(2)分散劑B193和CMC摻量為0.5%時，玻璃纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度分別提高4.9%和2.2%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高5.0%和2.5%。

(3)分散劑B193和CMC摻量為0.5%時，能改善玻璃纖維在混凝土中的分散性，減少混凝土中的孔隙，孔隙率分別降低13.3%和4.9%。

(4)分散劑B193和CMC摻量為0.5%時，玻璃纖維混凝土的抗?jié)B性能最好，滲水高度分別降低了16.6%和7.1%。

(5)建立三種分散劑摻量對玻璃纖維混凝土滲水高度的關(guān)系式，其中摻加分散劑B193：H=14.18x2-15.04x-25.41，摻加分散劑S-3101B：H=-12.59x2+21.92x+26.43,摻加分散劑CMC：H=4.18x2-4.79x+25.30。