复合水泥物理力学性能

关键词： 细度 复合 胶凝 水泥

复合水泥物理力学性能（精选九篇）

复合水泥物理力学性能 篇1

目前,对矿渣和钢渣作水泥辅助性胶凝材料的研究主要集中其细度、活性及掺量对复合水泥性能的影响,一般认为辅助性胶凝材料的粒径越小越有利于其水化,复合水泥强度越高[1,2,3]。因此在水泥生产中,提高水泥产品细度一度成为水泥生产厂家提高水泥质量的主要手段。然而,在生产中也存在提高了水泥产品的细度,但产品质量提高的程度却不明显的现象。

现代水泥生产应逐步淘汰将水泥熟料、天然石膏、混合材等所有水泥组分混在一起粉磨的工艺,而是采用先将不同组分单独粉磨,然后再按比例混合均匀的工艺。这为根据不同组分特性设计颗粒级配实现强度和耐久性的最优化提供了条件。不同组分的获取成本、水化活性和作用各不同,因此可以根据需要将其分别磨细为不同的粒径。本文将不同细度、不同比例的矿渣和钢渣复合,等量取代水泥,以水泥胶砂强度作参数反演,找出最佳的复合体系,同时按照最佳的复合体系在水泥厂进行了工业化生产,并从颗粒粒径与颗粒堆积数量之间的关系出发,探讨矿渣和钢渣在复合水泥中的作用机理。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥采用江南小野田水泥公司生产的P·Ⅱ52.5级水泥;矿渣和钢渣取自马鞍山钢铁厂。原材料的化学成分见表1。

%

1.2 强度试验方法

按GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》进行。

2 试验结果与讨论

2.1 矿渣、钢渣粉磨时间与细度的关系

采用Φ500mm×500mm的SM-500试验磨对矿渣和钢渣进行单独粉磨,以粉磨后物料的比表面积来表征物料的粉磨细度,各物料在不同粉磨时间下对应粉磨细度见图1。

由图1可见,随着粉磨时间的延长,矿渣和钢渣比表面积逐渐增大;粉磨时间相同时,钢渣的比表面积均高于矿渣的比表面积,表明钢渣易磨性更好。

2.2 不同细度的矿渣、钢渣复合对水泥强度的影响

试验选取不同粉磨细度的矿渣和钢渣按1∶1比例混合均匀,再等质量取代水泥总质量的50%配成复合水泥,其强度试验结果见表2。

注:S30表示用球磨机粉磨30min的矿渣,SS30表示用球磨机粉磨30min的钢渣,其他依次类推。

由表2可见,不同细度矿渣与不同细度钢渣复合效果显著,3d抗压强度最大的A8比3d抗压强度最小的A3高5.3MPa;7d抗压强度最大的A8比7d抗压强度最小的A1高7.7MPa;28d抗压强度最大的A8比28d抗压强度最小的A2高8.6MPa。在矿渣与钢渣的复合体系中,矿渣的细度是影响胶砂强度的决定因素,掺粉磨70min矿渣的A7、A8、A9中任一组3d、7d、28d抗压强度均大于掺粉磨50min矿渣的A4、A5、A6中任一组同龄期胶砂的抗压强度(A9的3d抗压强度除外),A4、A5、A6中任一组3d、7d、28d抗压强度也均大于掺粉磨30min矿渣的A1、A2、A3中任一组同龄期胶砂的抗压强度。当矿渣比表面积达到485m2/kg(S70)时,掺25%矿渣和25%钢渣的胶砂试件后期(28d)抗压强度已超过纯水泥标准试件(C)。

2.3 不同配比的矿渣与钢渣复合对水泥强度的影响

为了进一步研究不同配比的矿渣与钢渣复合后对水泥胶砂力学性能的影响,试验选取粉磨70min的矿渣S70和粉磨50min的钢渣SS50,以不同配比混合均匀,再等质量取代水泥总质量的50%配成复合水泥,其强度试验结果见表3。

由表3可见,所配制的复合水泥强度随着矿渣比例的增大而增大;与P·Ⅱ52.5级纯水泥胶砂试件B0相比,矿渣、钢渣的掺入降低了复合水泥的早期强度(3d、7d),但对后期强度(28d)影响不大,当复合比例适当时,B1、B2、B3的28d抗压强度超过B0的,其中B1的28d抗压强度最高。因此,复合水泥中2种辅助性胶凝材料的最佳细度是:矿渣485m2/kg,钢渣445m2/kg;2种辅助性胶凝材料的最佳掺量是:矿渣37.5%,钢渣12.5%。

2.4 矿渣-钢渣复合水泥的工业化生产

为了进一步验证实验室条件下确立的最佳工艺参数的可行性,在徐州某水泥厂对用矿渣、钢渣配制的复合水泥进行了工业化生产。生产中用开流磨将矿渣和钢渣的细度分别控制在480m2/kg和440m2/kg左右,然后按照最佳掺量配比参数将矿渣、钢渣与水泥通过混料机进行混合后配得复合水泥成品,试验结果见表4。

注:试样1和2表示从混合均匀的掺矿渣、钢渣的复合水泥成品中抽检的两组样品。

由表4可知,用矿渣和钢渣配制的复合水泥28d抗压强度比P·Ⅱ52.5级水泥28d抗压强度高10~12MPa。

3 矿渣、钢渣在复合水泥中的作用机理分析

矿渣微粉和钢渣微粉的颗粒形态见图2,不同形态的颗粒互相填充,其形态效应和微集料效应相互复合使浆体中物料组成混乱度增大,改善胶凝材料中不同粒径颗粒的比例,可以使胶凝材料颗粒级配合理,从而能够紧密地堆积填充,有效降低水泥浆体的孔隙率,改善孔结构,势必会对复合水泥的性能起到改善作用[4,5]。

矿渣、钢渣等辅助性胶凝材料在水化过程中相互激发产生复合胶凝效应。在复合体系中,水泥熟料首先水化,生成C-S-H凝胶和Ca(OH)2,Ca(OH)2和水泥中的石膏可对矿渣、钢渣的水化起到激发作用,使辅助性胶凝材料的活性得到最大程度的发挥。辅助性胶凝材料的掺入,使浆体中熟料的比例大大降低,尽管辅助性胶凝材料具有一定的活性,但还是远远低于水泥熟料的,因此早期生成的水化产物的数量相应减少,减少了颗粒间的连接,相应降低了早期抗压强度。随着水泥水化的进行,体系中Ca(OH)2含量增加,辅助性胶凝材料在Ca(OH)2激发下发生火山灰反应生成水硬性物质,减少了Ca(OH)2的含量,改善界面过渡区的结构,使胶体-界面的黏结力增强,同时辅助性胶凝材料的掺入使水泥水化生成纤维状的C-S-H(低钙)数量相应减少,水泥混凝土界面的不稳定趋势下降,提高了水泥混凝土的后期强度。

4 结论

1)在矿渣-钢渣复合水泥体系中,矿渣细度决定了复合水泥的强度,矿渣越细,复合水泥的强度越高。

2)在矿渣和钢渣作为辅助性胶凝材料取代水泥的总量一定的情况下,矿渣的含量越高,复合水泥的强度越高,在适宜的比例下,矿渣-钢渣复合水泥体系的28d抗压强度超过纯水泥。

3)将分别粉磨的矿渣和钢渣作为配制复合水泥的辅助性胶凝材料,能够在降低熟料用量以减少一次性资源消耗的同时,减轻其他工业的环境负荷。

摘要：试验利用矿渣和钢渣作为配制复合水泥的辅助性胶凝材料,研究了矿渣、钢渣细度和复合比例对复合水泥强度的影响,并从颗粒堆积和复合胶凝效应的角度探讨了矿渣-钢渣在复合水泥中的作用机理。试验结果表明:在矿渣与钢渣组成的复合体系中,矿渣细度决定了复合水泥的强度,矿渣越细,复合水泥强度越高;在辅助性胶凝材料掺量一定的情况下,矿渣占的比例越高,复合水泥的强度越高;在适宜的复合比例下,用矿渣和钢渣混合配制的复合水泥28d抗压强度高于纯水泥的28d抗压强度。

关键词：矿渣,钢渣,复合水泥,颗粒级配,复合胶凝效应

参考文献

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[4]Roy D M,Scheetz B E,Silabee M R.Processing of optimizedcements and concretes via particle packing.MRS bulletin/march 1993.

复合水泥物理力学性能 篇2

掺复合外加剂水泥稳定碎石路用性能试验研究

通过在水泥稳定碎石中掺加复合外加剂,进行了大量的室内试验,研究和对比了水泥稳定碎石不掺外加剂和掺复合外加剂两者的.力学性能、抗冻性能和抗裂性能等路用性能情况.研究结果表明,掺加复合外加剂后的水泥稳定碎石的路用性能较不掺外加剂的路用性能提高较大.

作 者：廖向阳 资建君 作者单位：湖南省交通规划勘察设计院,湖南,长沙,410008刊 名：湖南交通科技英文刊名：HUNAN COMMUNICATION SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：35(2)分类号：U416.214关键词：复合外加剂 水泥稳定碎石 路用性能

复合水泥物理力学性能 篇3

【摘要】聚乙烯醇（PVA）纤维作为一种新型合成纤维，在工程领域已经得到了广泛的应用。综述了PVA纤维的基本性能及近年来国内外关于PVA纤维对水泥基复合材料抗冻与抗侵蚀性能影响的研究进展，分析并总结冻融、氯盐侵蚀以及硫酸盐侵蚀情况下，PVA纤维对水泥基复合材料性能的改善。在改善抗冻性能方面，研究主要集中在PVA纤维掺量及国内外PVA纤维对抗冻性能的影響；在抗侵蚀性能提高方面，研究主要集中在PVA纤掺量对水泥基复合材料抗侵蚀性能的影响。在此基础上，提出进一步研究的方向。

【关键词】聚乙烯醇纤维；水泥基复合材料；抗冻性；抗侵蚀；纤维掺量

【中图分类号】TU528.581

【文献标识码】A

【Abstract】Polyvinyl alcohol （PVA） fiber as a new type of synthetic fiber has been widely used in the field of engineering. In this paper， the basic properties of PVA fiber and its influence on the frost resistance and corrosion resistance of PVA fiber in cementitious composites are reviewed. The properties of PVA fiber in cementitious composites are also analyzed and summarized under the condition of freeze-thaw， chloride and sulfate attack. In the aspect of the frost resistance improvement， the research mainly concentrates on the influence of the PVA fiber content and the PVA fiber at home and abroad on the frost resistance. In terms of the anti erosion performance improvement， the research mainly concentrates on the influence of PVA fiber content on cementitious composites. On this basis， it puts forward the direction of further research.

【Key words】Polyvinyl alcohol fiber；Cementitious composites；Frost resistance；Corrosion resistance；Fiber content

1. 引言

（1）冻融、侵蚀等环境因素是导致混凝土及其他水泥基复合材料结构耐久性下降的重要因素。Mehta[1]指出：“当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、腐蚀作用”。因此，改善混凝土及其他水泥基复合材料的抗冻性与抗侵蚀性对其耐久性的提高意义重大。在高层建筑、桥梁、隧道、地铁、港口码头、铁路等工程建设领域，对高强高性能混凝土的需求日益增加，但我国南方地区的混凝土均处在一定的受侵蚀环境下，北方地区的混凝土均处在一定的受冻环境下，导致一些混凝土结构存在严重耐久性不足的问题，制约了其发展。因此，为了进一步提高混凝土的耐久性，对提高其抗冻性与抗侵蚀性提出了更高的要求。

（2）自从水泥基复合材料（ECC）出现以后，其高抗拉强度、高韧性、高耐久性等优点，受到了国内外广大学者的重视，尤其在耐久性方面已经取得了一系列研究成果[2～7]。高抗拉强度和高弹性模量的PVA纤维是实现ECC优良性能的关键材料，对提高ECC的抗冻性能与抗侵蚀性能有重要的作用。

（3）但是，在掺加高强高模的PVA纤维来提高水泥基复合材料的抗冻性与抗侵蚀性的试验研究与工程应用方面，目前还缺少系统的研究。本文综述了近年来PVA纤维对水泥基复合材料抗冻与抗侵蚀性能影响的研究进展，并对进一步研究作了展望。

2. PVA纤维的基本性能

与常见的合成纤维相比，PVA纤维具有以下几点优势：（1）高弹性模量与高抗拉强度；（2）亲水性好；（3）与水泥基复合材料具有较好的界面结合状态；（4）直径适中。此外，由于其环保、无毒、分散性好、成本较低等优点，成为制备ECC的首选而得到广泛应用。PVA纤维在水泥基复合材料中分散均匀、乱向分布，在水泥基复合材料中起到增强整体性、提高抗裂性的作用，从而提高水泥基复合材料的抗冻及抗侵蚀性能。

3. PVA纤维对水泥基复合材料抗冻性影响的试验研究

（1）近年来，国内外逐渐开展了采用PVA纤维提高水泥基复合材料抗冻性的研究。

在北方寒冷地区，冻融作用往往是导致建筑物劣化乃至破坏的最主要因素， 为了评价PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻融能力，国内外学者进行了一系列抗冻性能试验。

（2）Nam[8]通过以PVA纤维增强水泥基复合材料、聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及普通混凝土三者为对比，对相对动弹性模量的变化和质量损失进行了试验研究，结果表明：相对于原始试件，经过300次冻融循环后PVA纤维增强水泥基复合材料仍具有较好的耐久性。说明PVA纤维的掺入对PVA纤维增强水泥基复合材料的抗冻性提高具有相当大的作用。

（3）ahmaran等[9]通过掺加PVA纤维与不掺加PVA纤维的两组非引气ECC试件的对比，得出结论：PVA纤维的掺入明显改善了ECC的抗冻性能，且由PVA纤维掺入所带来的更大体积的孔隙也可能对ECC抗冻性能的改善有一定作用。

（4）刘曙光等[10]通过快速冻融试验方法，研究了不同PVA纤维掺量（0%、1.0%、1.5%、2.0%）的PVA纤维水泥基复合材料试件在不同冻融循环次数下的动弹性模量，进而研究了材料的抗盐冻性能。试验结果表明：1.5%纤维体积掺量的PVA纤维水泥基复合材料的抗盐冻性能较好。

（5）徐世烺[11]通过对掺加PVA纤维的超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）在冻融循环条件下质量损失、动弹性模量损失的试验研究及与普通混凝土、钢纤维混凝土和引气混凝土的对比可知，经过300次冻融循环后UHTCC动弹性模量损失不超过5%、质量损失不超过1%，抗冻性指数为92%，抗冻等级大于F300，而普通混凝土与钢纤维混凝土的抗冻等级则分别为F100和F150。在不掺加引气剂的条件下，UHTCC质量损失和动弹性模量损失方面与引气4.7%的引气混凝土接近。由此可知，掺加PVA纤维的UHTCC材料的抗冻性明显优于普通混凝土和钢纤维混凝土。

（6）Yun等[12]通过快速冻融试验，以总体积掺量为1.5%的PVA与PE混合纤维及水胶比为试验变量，研究了延性纤维增强水泥基复合材料（DFRCCs）100mm×100mm×400mm棱柱体试件在不同冻融循环次数下的相对动弹性模量及质量损失，结果指出：经过300次冻融循环后，四种不同工况DFRCC试件的相对动弹性模量均下降约3%，质量损失均小于2%，表明PVA与PE混合纤维的掺入提高了DFRCC的抗冻融破坏能力。

（7）纤维掺量过大会降低混凝土抗冻融能力，其主要原因是由于過多纤维的存在会阻塞毛细孔，致使混凝土吸水率降低，冻融循环过程中混凝土需要大量结晶水，而由于纤维掺量过多导致的吸水率降低，使得抗冻融性能有所下降[13]。

（8）通过国内外学者的研究可知，PVA纤维的掺入能够显著改善水泥基复合材料的抗冻性能。现今国内外主要研究PVA纤维掺量及不同种类PVA纤维对水泥基复合材料抗冻耐久性能的影响，而PVA纤维取向、分布、长径比、锚固长度及不同种类PVA混合纤维对水泥基复合材料抗冻性能影响的研究略有不足，需要进一步探讨。

4. PVA纤维对水泥基复合材料抗侵蚀性影响的试验研究

（1）遭受环境因素的侵蚀是导致水泥基材料性能退化的直接原因之一，氯盐与硫酸盐侵蚀是水泥基复合材料受环境因素作用而发生侵蚀破坏的重要形式。具有优良性能的PVA纤维的掺入在一定程度上改善了水泥基复合材料的抗裂性能，有效地降低了外界有害物质的侵入，提高了水泥基复合材料的抗侵蚀性能。

（2）氯离子侵蚀是导致结构耐久性下降的一个重要因素，氯离子是各种侵蚀介质中侵蚀性最强的离子之一。加入纤维后，大量纤维均匀分布于水泥基复合材料中，从而起到约束裂缝的的作用。由于纤维的阻裂作用，显著减少裂缝的数量、长度和宽度，降低生成贯通缝的可能性，从而使抗氯离子渗透性得到加强[13]。

（3）闫长旺等[14]通过在试验研究基础上，应用灰色模型GM（1.1）对氯离子浓度沿PVA纤维水泥基复合材料深度的变化规律进行研究，结果表明：在基体中掺入PVA纤维可对基体起到良好的约束作用，从而减小微裂缝的产生，改善了PVA纤维水泥基复合材料抗氯离子渗透性能，从而对抗氯离子侵蚀能力起到了积极的作用。研究通过对氯离子浓度的分布情况进行分析，认为1.5%PVA纤维掺量对水泥基复合材料抗氯离子渗透性的改善效果最好。

（4）刘曙光等[15]通过湿通电法研究了将不同纤维掺量的150mm×150mm×150mm标准立方体试件浸泡在5%氯化钠溶液中的钢筋锈蚀试验。试验结果表明：不掺纤维的试件锈蚀率最大，纤维掺量1.5%和2%的试件钢筋锈蚀率最小。在恒电流条件下PVA纤维掺量的增加会降低钢筋的锈蚀率，但降低幅度很小，最大降低幅度仅为6.27%。表明PVA纤维的掺入明显降低了氯离子的侵蚀速度，改善了氯离子对水泥基复合材料的侵蚀作用，增强了其抗渗透性能。

（5）近年来，国内外主要研究混凝土的抗侵蚀性能，而关于水泥基复合材料抗侵蚀性能的研究较少，主要集中于单一侵蚀环境下PVA纤维掺量对水泥基复合材料抗侵蚀性能的影响。随着试验研究的发展，PVA纤维取向、分布、长径比及锚固长度对水泥基复合材料在多重盐侵环境下抗侵蚀性能的影响将会成为未来土木工程领域的重要研究方向。

5. 结语与展望

（1）PVA纤维是具有多种优良性能的新型合成纤维。在水泥基复合材料中掺入PVA纤维，能够对整体起到一定的约束与裂缝控制作用，降低外界有害物质的侵入，显著改善水泥基复合材料的抗冻及抗侵蚀性能；

（2）目前主要集中于在冻融、氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等单一因素作用下纤维增强水泥基复合材料的研究上，而在多因素共同作用下对纤维增强水泥基复合材料的研究还很少，应对多因素共同作用下纤维增强水泥基复合材料的性能、微观结构、损伤机理等方面进行更深层次的研究。

参考文献

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复合水泥物理力学性能 篇4

复合化是当今材料领域改进与提高性能、开发新材料并扩大其应用范围的重要技术途径[1,2]。 大量研究表明,在混凝土中掺入适量的纤维,可使混凝土的整体性能有较大的提升,在多重条件影响下具有良好的抗冲击能力和耐久性能[3,4,5]、更好的抗折与劈裂抗拉强度[6,7]等。 目前,对于混杂纤维增强水泥基复合材料(Hy FRCC)的研究相对较少[8,9,10,11],不同纤维之间的抗拉强度、弹性模量及长径比等有很大的差别,如何使其在不同的层次结构与受荷阶段发挥不同的作用就显得至关重要。本文选用0~2.5%范围的纤维总体积率,将基本物理性能各不相同的钢纤维(SE)、 聚丙烯纤维(PP)和聚乙烯醇纤维(PVA)掺入水泥砂浆,制备Hy FRCC。 通过抗折与抗压试验,分析纤维种类、纤维体积率及水胶比对Hy FRCC力学性能的影响,以期为Hy FRCC配合比设计及应用提供思路与理论依据。

1 试验概况1.1 试验设计

1.1.1 试验原材料

水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥, 其各项性能指标符合现行标准[12]要求。

集料:中粗石英砂,平均粒径0.3~1mm。

粉煤灰: 南京某电厂Ⅰ级粉煤灰, 符合GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰 》[13]标准要求。

减水剂:DC-WR2聚羧酸高性能减水剂。

SE纤维:鞍山某钢纤维厂生产的超细、超短、高强SE纤维(图1a),基本物理性能见表1。

合成纤维:江苏某公司生产的聚丙烯纤维(图1b)和聚乙烯醇抗裂纤维 (图1c), 两种合成纤维的基本物理性能见表1。

1.1.2 试验配合比

依据高等级水泥砂浆的设计方法[14],确定的基本配合比为水泥∶砂∶粉煤灰∶水=1∶0.506∶0.125∶0.405。分别掺入不同体积率的SE纤维、PVA纤维和PP纤维,共得到14组配合比。 其中PC为素水泥砂浆,若没有明确标注,则默认水胶比为0.25,具体配合比见表2。 减水剂的掺量是根据材料的和易性试配得出的。

1.2 试件的制备及力学性能测试

为使纤维分布均匀,避免结团,采用先干拌后湿拌的搅拌方式。 加料的顺序为石英砂→水泥→粉煤灰→减水剂→纤维→水。 即:先将石英砂、水泥、粉煤灰及减水剂搅拌均匀,然后加入纤维继续搅拌直至分布均匀,最后加入水,再搅拌3min。

试件采用40mm×40mm×160mm的钢模成型,浇筑、振动、拆模及养护依据GB/T 17671—1999 《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[15]进行。 试块在7d与28d龄期时, 参照GB/T 17671—1999与CECS13—2009《纤维混凝土试验方法标准 》[16]进行抗折 、抗压试验。 抗折试验采取三分点加荷,抗压试块采用抗折试验后的一半试块。

注:S 代表 SE 纤维,A 代表 PVA 纤维,P 代表 PP 纤维,W 代表水胶比; 例如:S1.0A1.5W0.20 表示 SE 纤维体积率为 1.0%,PVA 纤 维体积率为 1.5%,水 胶比为 0.20。

2 试验结果与分析

2.1 混杂纤维对水泥砂浆强度的影响

分别测试根据表2配合比成型试件的7d和28d抗折强度与抗压强度,试验结果见表3。

由表3可知,Hy FRCC的抗压强度和抗折强度相对于素水泥砂浆(PC)均有显著的提升。 这是因为:一方面,基体中随机分布的纤维能够约束单向压力下Hy FRCC的横向膨胀,从而提高材料的抗压强度;另一方面,PVA纤维表面粗糙,在复合材料中呈拉断破坏而非界面破坏拉脱(见图2),PP纤维在拔出、弹性变形增大的过程中不断消耗能量,因此

能够抑制裂缝的产生与扩展,提高基体的韧性与延性,使得Hy FRCC呈非突发性破坏,进而明显提高材料的抗折强度。

MPa

2.2 纤维体积率对 Hy FRCC 强度的影响

试验结果见图3~图5。 其中,图3是SE纤维体积率为1.0%时,PVA纤维与Hy FRCC抗折强度及抗压强度的关系;图4是SE纤维体积率为1.0%时,

PP纤维与Hy FRCC抗折强度及抗压强度的关系;图5是PP纤维体积率为1.0%时 ,SE纤维与Hy FRCC抗折强度及抗压强度的关系。

由图3和图4可见, 在SE纤维体积为1.0%的条件下,对于Hy FRCC的抗压强度,SE-PVA材料随PVA体积率的提升而下降 ,SE-PP材料随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势,但两者的变化幅度很小;Hy FRCC抗折强度的变化较明显,SE-PVA材料随PVA体积率的提升而提高,SE-PP材料随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势, 且在PP纤维体积率为1.0%左右时达到最高点。 这是因为PP纤维的抗拉强度及弹性模量较低, 在体积率过高的情况下,相当于引入了缺陷,同时高体积率纤维搅拌时的结团,更加放大了这种缺陷,导致基体整体强度的下降。 由此可知,对于SE-PP材料,SE纤维与PP纤维之间存在一个最佳的匹配体积率。

由图5可见, 在PP纤维体积率为1.0%的条件下,Hy FRCC的抗压强度与抗折强度均随SE纤维体积率的增加而提高。 与图4相比可知,相对于PP纤维,SE纤维对SE-PP材料抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

2.3 纤维种类对 Hy FRCC 力学性能的影响

图6为纤维种类对Hy FRCC力学性能影响试验结果。由图6可见,在SE纤维体积率为1.0%的条件下, 分别掺入0.5%或1.0%的PVA纤维、PP纤维和SE纤维制得的三种Hy FRCC相比, 抗压强度提升能力表现为:PP纤维<PVA纤维<SE纤维,抗折强度提升能力表现为:PVA纤维<PP纤维≈SE纤维。由此可知,SE纤维对Hy FRCC抗压强度的提升明显优于PVA与PP纤维, 而SE与PP纤维对Hy FRCC抗折强度提升的影响几乎相同, 均优于PVA纤维。可见SE纤维对Hy FRCC抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

2.4 水胶比对 Hy FRCC 力学性能的影响

图7为水胶比对Hy FRCC力学性能影响试验结果。 由图7可知, 在钢纤维体积率为1.0%,PVA为1.5%的条件下, 随着水胶比的提升,Hy FRCC的抗折强度与抗压强度均逐步降低。 这是由于水胶比的提升降低了基体韧度和界面黏结作用,使得界面的最大桥接应力降低,从而Hy FRCC较早的进入应变软化阶段,导致基体整体强度下降。

3 结论

(1)Hy FRCC的抗压强度、抗折强度相对于素水泥砂浆(PC)均有显著的提升。

(2)在PP纤维体积率过高的情况下, SE-PP的抗压强度、 抗折强度均随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势,SE与PP纤维之间存在一个最佳的匹配体积率。

(3) 在SE纤维体积率为1.0% 的条件下 , 对于Hy FRCC抗压强度的提升能力为 :PP纤维 <PVA纤维<SE纤维,抗折强度提升能力为:PVA纤维<PP纤维≈SE纤维。 SE纤维对Hy FRCC抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

(4)在钢纤维体积率为1.0%,PVA纤维体积率为1.5%的条件下,Hy FRCC的抗压强度、 抗折强度均随水胶比的提升而下降。

摘要：为了研究混杂纤维增强水泥基复合材料(Hy FRCC)的力学性能,在纤维总体积率为0~2.5%的范围内,开展了SE-PVA和SE-PP两种Hy FRCC的对比试验。结果表明,在保持SE纤维为1.0%的条件下,SE-PVA材料的抗压强度随PVA纤维体积率的提升而降低,抗折强度则呈上升趋势,而SE-PP材料的抗压强度、抗折强度均随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势;SE纤维对Hy FRCC抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

复合水泥物理力学性能 篇5

普通硅酸盐水泥的韧性差、易腐蚀、易风化、强度低，且内部有很多空隙而造成易吸水，这些水会腐蚀内部的钢筋。自20世纪50年代以来，人们开始利用各种聚合物乳液改性水泥基材料，且取得了不少的成果[1]。其中研究较多的主要是聚丙烯酰胺，而用水性环氧改性水泥的研究较少。Sumathy等[2]研究了固定流动度情况下用乙烯基乳液、环氧乳液/树脂和酚醛树脂改性水泥砂浆，发现在加入CaCl2、CaCO3和超塑化剂的情况下，砂浆的抗压强度随环氧乳液/树脂掺量的增加而增大，孔隙率随树脂含量的增加而减小，改性砂浆的吸水率和酸溶解率随聚合物掺量的增加而下降。张荣辉等[3]测试了不同掺量水性环氧树脂混凝土在常温和高温2种情况下的力学性能，结果表明，水性环氧树脂掺入混凝土后，材料的抗压、劈拉、抗折强度都有不同程度的提高，尤其是早期强度得到了较大的提高，同时其抗裂性能和抗渗性能有较明显的提高。肖力光等[4,5]研究了水性环氧树脂乳液改性水泥砂浆的抗酸碱性能，表明水性环氧树脂乳液提高了改性水泥砂浆的抗酸碱腐蚀能力，在工程应用中也取得明显的改良效果。

水性环氧树脂能够改善混凝土的韧性以及防腐性能，但当前所使用的水性环氧树脂大多采用表面活性剂乳化，或者是离子型的水性环氧树脂。采用外加乳化剂乳化的水性环氧树脂储存不稳定，且外加的乳化剂残留在树脂体内会降低材料的力学性能。而离子型水性环氧树脂中的离子会影响水泥的固化效果。

本文采用一种新型非离子型自乳化水性环氧固化剂[6]，该固化剂的制备工艺简单、成本低廉，且对环氧树脂有良好的增韧、乳化效果，制备的水性环氧乳液相对于传统的水性环氧乳液来说，不仅与水泥具有良好的配伍性，且能大大改善水泥以及水泥砂浆的韧性，同时降低水泥的孔隙率、吸水率、体积收缩率，增大抗压强度，还可以根据水性环氧乳液的掺量调节水泥基复合材料的初凝时间，提高早期强度等。本文测试了不同养护条件下水性环氧乳液对水泥的抗压、弯曲及冲击强度、吸水率的影响，并探讨水性环氧乳液的增强机理。

1 试验

1.1 原料

水泥：红棉牌42.5级普通硅酸盐水泥，广州市嘉华南方水泥有限公司产，其化学成分如表1所示;环氧树脂E-51：蓝星材料无锡树脂厂;水性环氧固化剂(CA)：实验室自制，采用十八胺、乙二醇二缩水甘油醚、三乙烯四胺合成，有表面活性剂结构，在水中对环氧树脂有良好的乳化效果，其分子结构见图1;消泡剂：乳液消泡剂，实验室自制。

%

1.2 水性环氧乳液的制备方法

室温下，先将自制的非离子型水性环氧固化剂与去离子水按1∶1质量比共混，再升高温度到60℃，在高速离心搅拌机高速搅拌下，按胺当量与环氧当量为1∶1加入液体环氧树脂E-51，得到乳白色水性环氧乳液，其技术参数见表2。

1.3 性能测试方法

黏度：采用NDJ-4型旋转黏度计进行测试;压缩强度及弯曲强度：采用WDW3020型微机控制电子万能试验机进行测试，压缩试样尺寸为20 mm×20 mm×20 mm、弯曲试样尺寸为4 mm×15 mm×200 mm;冲击强度：采用德国WPMLeipzing型摆锤式冲击试验机进行测试。

吸水率：测试养护28 d的抗压试样质量m1，放入水中直到质量不再增加为止，测得质量为m2，计算水性环氧乳液改性水泥复合材料的吸水率。

韧性：用抗压强度与弯曲强度的比值(δc/δf)来表示。

湿养护：在室温下，将制备好的试样放在盛满水的水槽中养护达到所需时间，再测试其力学性能;干养护：在室温下，将制备好的试样放在未盛水的水槽中养护达到所需时间，再测试其力学性能。

2 结果与分析

2.1 水性环氧乳液改性水泥复合材料的黏度

影响水性环氧乳液改性水泥复合材料浆液黏度的因素很多，如水灰比、聚灰比、环氧树脂的固化速度、水泥的水化速度等，这些因素相互制约、相互影响，因此需要综合考虑。图2为水性环氧乳液掺量及水灰比对初始浆液黏度的影响，图3为不同水性环氧乳液掺量下浆液黏度与固化时间的关系。

从图2可以看出，浆液的黏度随着水灰比的增大而急剧减小。水灰比由0.5增大至0.6时，纯水泥浆液的黏度从2500mPa·s迅速降低到640 m Pa·s，而水性环氧乳液掺量为10%的改性水泥黏度也从1600 mPa·s降到400 mPa·s。还可看出，当水灰比较大时，改性水泥的黏度相对较低。主要是因为在纯水泥体系中，水泥颗粒易吸水，降低流动水的含量。而改性水泥体系中所含有的流动水则不易被水泥颗粒吸取，因此在相同水灰比下，改性水泥中的流动水较多，其黏度也较低。但并不是说水性环氧乳液掺量越大黏度就越低，因为水性环氧乳液的固化时间比纯水泥的水化时间更短，当水性环氧乳液掺量较大时，会在较短的时间内形成交联网络，从而限制水泥颗粒的运动，增大体系的黏度。

图3表明，浆液的黏度随着固化时间的延长而逐渐增大，水性环氧乳液掺量越多，黏度增加越迅速。因为大量水性环氧乳液增加了水泥颗粒流动的阻力，同时由于环氧的交联固化也会造成体系黏度的迅速增大。当水性环氧乳液掺量为40%时，60 min左右就能达到初凝。

2.2 水性环氧乳液改性水泥复合材料的初凝时间

初凝时间是指从水泥加水混合到开始失去塑性的时间，研究初凝时间对控制操作时间、选择养护条件具有重要的指导价值，水性环氧乳液掺量对复合材料初凝时间的影响如图4所示。

由图4可知，增大水性环氧乳液掺量可迅速缩短水泥的初凝时间，也就是说可通过水性环氧乳液的掺量来控制水泥的固化时间。当水性环氧乳液掺量为50%时，复合材料的初凝时间可较纯水泥浆体降低1/2左右。改性水泥的这个优点，在水下混凝土的灌注及其它对初凝时间有特殊要求的灌浆工程中有着十分重要的应用价值。

2.3 水性环氧乳液改性水泥复合材料的抗压强度

不同水性环氧乳液掺量下，复合材料在不同龄期的抗压强度如图5所示。

由图5可知，当水性环氧乳液的掺量小于8%时，随着固化时间的延长，复合材料的抗压强度随着水性环氧乳液掺量的增加而逐渐增大。这主要是因为少量的聚合物颗粒填补水泥水化之后留下的空隙，从而增大了固结体的抗压强度。但水性环氧乳液的掺量不是越大越好，因为在没有形成完整的交联网络之前，过多的水性环氧乳液会破坏水泥颗粒水化所形成的交联网络，这样会造成复合材料的强度逐渐下降。当水性环氧乳液掺量为10%时，复合材料的28 d抗压强度反而下降。

2.4 水性环氧乳液改性水泥复合材料的

试验力-位移曲线(见图6)

由图6可以看出，水性环氧乳液对水泥有很好的增韧效果，掺量为10%、20%时，还有明显的脆性断裂，但掺量为20%时，其脆性断裂的位移要偏后一点;而当水性环氧乳液掺量在20%以上时，断裂处的位移更偏后，曲线中的韧性平台也随着聚灰比的增加而延长。水性环氧乳液大大提高了复合材料的韧性，这一规律也将在弯曲强度和冲击强度中得到验证。

2.5 水性环氧乳液改性水泥复合材料的弯曲强度

水性环氧乳液掺量对复合材料28 d弯曲强度的影响见图7。

图7表明，随着水性环氧乳液掺量的增加，复合材料的28 d弯曲强度逐渐增大，在湿养护条件下，当水性环氧乳液掺量达到10%时，弯曲强度增加到原来的2.07倍。干养护条件下，弯曲强度也得到很大的提高，但增长的幅度不是很大。这主要是因为干养护下没有充足的水分来进行水泥水化。

2.6 水性环氧乳液改性水泥复合材料的冲击强度

水性环氧乳液掺量对复合材料28 d冲击强度的影响见图8。

图8表明，在湿养护条件下，随着水性环氧乳液掺量的增大，复合材料的28 d冲击强度在逐渐提高。当水性环氧乳液掺量达到10%时，复合材料的冲击强度达到原来的1.38倍。这说明，添加聚合物会大大提高材料的韧性，这是其它普通水性环氧乳液难以达到的增韧效果。而干养护下，由于水泥水化与环氧乳液固化对水的需求和析出之间的竞争比较复杂，导致材料冲击强度的变化趋势没有湿养护那么明显，但从整体角度来讲，聚合物还是提高了复合材料在干养护下的韧性。

2.7 水性环氧乳液改性水泥复合材料的韧性

据国外文献[7]报道，可利用抗压强度与弯曲强度之比来表征聚合物水泥复合材料的韧性，本文用复合材料的抗压强度与弯曲强度比(δc/δf)反映水性环氧乳液对水泥复合材料的增韧效果(见图9)。

图9表明，随着聚合物掺量增大，δc/δf逐渐减小，根据文献[8]的理论，水性环氧乳液的加入，能够大大降低δc/δf，即水性环氧乳液能够在很大程度上降低了水泥的脆性。

水性环氧乳液能提高水泥韧性的主要原因是：第一，环氧乳液是聚合物，相对水泥来讲，其韧性、弯曲强度、冲击强度都要好很多。第二，聚合物膜、颗粒可填补在水泥固化后所形成的空隙中，在材料受到弯曲应力或冲击载荷时，可分散内应力，提高材料的韧性。第三，本文所采用的水性环氧固化剂中含有较长的柔性链，可提高水性环氧乳液本身的韧性，因此所制备的复合材料韧性更好。

2.8 水性环氧乳液改性水泥复合材料的吸水率

吸水率是水泥材料一个非常重要的参数，研究吸水率能反映水泥基复合材料的孔隙率，而孔隙率是水泥类材料密实程度和耐腐蚀程度的宏观参数。在不同养护条件下，水性环氧乳液掺量对复合材料吸水率的影响见图10。

由图10可看出，复合材料的吸水率随着水性环氧乳液掺量的增大而逐渐减小，主要是因为水性环氧乳液会填补在水泥固化所形成的空隙中，使得水泥内部的孔隙率逐渐减少，从而降低吸水率。图9还表明，在干养护下，吸水率从8.26%降低到1.30%，大于湿养护下对吸水率的改善。这是因为在干养护下，材料中的水分极易挥发，水分挥发会导致水泥水化不充分，从而留下相对较多的空隙。所以水性环氧的掺入能提高水泥材料的密实度，降低孔隙率。

3 水性环氧乳液改性水泥复合材料的力学性能机理分析

采用水性环氧乳液(掺量≤10%时)改性水泥时，由于此时聚合物掺量较小，很难在体系中形成较大的交联网络，只能分散在水泥颗粒的间隙中，形成较小的膜或韧性的小颗粒。参照Ohama[8]提出的聚合物改性水泥的模型可知，水性环氧乳液对水泥水化的影响主要按照以下3个阶段进行：

(1)水化交联阶段：在此阶段，水性环氧乳液具有一定的引气和减水作用，可提高浆液的流动性、降低黏度，同时水泥的水化需要吸收大量的水，而水性环氧乳液的固化和成膜则会析水，所以两者之间会形成一种协同、竞争关系。水泥与水性环氧乳液分别以微粒和液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中，同时进行着水泥的水化，环氧乳液的固化、成膜，环氧乳液颗粒向水泥颗粒表面的迁移等化学物理变化。这些方式对水泥水化产物Ca(OH)2的晶形、大小及C-S-H凝胶体的结构产生一定的影响。

(2)充填密实阶段：随着水分的减少，水泥颗粒的凝胶网络结构逐渐形成，但当水性环氧乳液含量不大于10%时，难以形成完整的交联网络。这些不完整的交联网络会限制水泥颗粒的自由运动(虽然会破坏水泥水化所形成的交联网络，但是当水性环氧乳液含量小于10%时，这种破坏作用不是很大)从而加速水泥的固化。此阶段水泥的水化热使得水性环氧乳液颗粒逐渐失水，慢慢在水泥水化产物(包括未水化水泥颗粒)的表面成膜，或在水泥水化颗粒的空隙中形成韧性小颗粒。再加上环氧乳液具有优异的粘接性能，能把骨料颗粒的表面和水泥水化凝胶与水化颗粒混合物的表面粘接起来。同时环氧固化产生的羟基与水泥颗粒附着得较好，在水化过程和水泥基体局部应力作用下，聚合物胶团沿着水泥颗粒孔隙和界面发生变形，使材料的结构更加密实，这个过程降低了体系的局部应力，促进胶凝体系的均匀密实，所以水性环氧乳液能提高材料的力学性能。

(3)固结硬化阶段：不断失水的水性环氧乳液胶团最终完全固化，与多孔的C-S-H凝胶凝固在一起，使体系达到坚硬致密并有一定韧性。

4 结语

(1)适量水性环氧乳液的掺入可显著地改善水泥基材料的韧性，当水性环氧乳液掺量为10%时，可使复合材料的弯曲强度提高2.07倍，冲击强度提高1.38倍。同时还可适当提高复合材料的抗压强度、降低吸水率、提高耐腐蚀性。

(2)掺加适量水性环氧乳液可降低浆液的黏度、加快固化速度、提高早期强度。但掺量不宜过大，否则会极大增加黏度、缩短初凝时间，从而造成施工困难。

(3)这种新型水性环氧乳液改性水泥复合材料既有有机材料的高韧性，又有无机材料耐久性好的优点，可广泛地应用于建筑工程的地下室、屋面和厨厕等的防水施工，还可应用在基坑和高速公路的加固，是一种非常有发展前景的水泥基化学灌浆材料。

参考文献

[1]Ohama Y.Handbook of polymer-modified concrete and mortars[M].Noyes Publications,Park Ridge,New Jersey,USA,1995.

[2]Sumathy C T,Dharakumar M,Saroja Devi M,et al.Modficationof cement mortars by polymer latex[J].J.Appl.Polym.Sci.,1997,63:1251-1257.

[3]张荣辉,郭建,吕惠卿.水性环氧树脂混凝土性能研究[J].混凝土,2006(12):71-73.

[4]肖力光,李海军,焦长军,等.新型环氧树脂乳液改性水泥砂浆性能的研究[J].混凝土,2006(11):46-49.

[5]陈楚洲,邓辉.水性高含量环氧树脂与水泥混凝土复合特性及应用[J].工业建筑,2007(S1):1137-1141.

[6]邹海良,张亚峰,邝健政,等.非离子型自乳化水性环氧固化剂以及制备方法和应用:中国,200910040473.3[P].2009-06-23.

[7]Ru Wang,Pei-Ming Wang,Xin-Gui Li.Physical and mechanicalproperties of styrene-butadiene rubber emulsion modified ce-ment mortars.Cement and Concrete Research,2005,32:900-906.

复合水泥物理力学性能 篇6

在北美、北欧等国家,把某些轻质保温材料放在两片墙体中间,使用拉筋把保温材料两侧的墙体拉结在一起,就构成了夹芯保温复合墙体[3];夹芯墙体较早出现在古罗马和古希腊的某些建筑中[4];从1937年后,夹芯墙在国外的低层建筑中被广泛应用[5];在内层夹芯填充材料方面,Bj覬rn Petter Jelle[6]对比分析了多种建筑保温材料的导热系数、防火、机械强度、耐久性等,得出目前不存在单一绝缘材料或解决方案能够符合所有重要属性以满足当前这些需求;Richard等[7]研究了变温环境下泡沫混凝土的隔热性与力学性能,当温度从22 ℃降至196 ℃时,密度为640~1440 kg/m3的泡沫混凝土导热系数下降了26%;Jones和Mc Carthy[8]研究了泡沫混凝土的1年抗硫酸盐侵蚀特征,指出泡沫混凝土对于化学侵蚀具有良好的抵抗性能;Kearley和Booyens[9]的加速氯离子侵蚀实验表明,泡沫混凝土的抗侵蚀性与普通混凝土相近,且密度越低,抗腐蚀性越好;密度1000 kg/m3的泡沫混凝土导热系数为典型水泥砂浆的1/6[10]。

当今研究大多将如何改进填充墙保温块体的保温性能作为研究重点[11],将墙体建筑材料结构一体化作为重点考虑的长寿命自保温功能型材料的研发并不多见;使用具有良好保温隔热性能的水泥基块体砌筑而成的自保温外墙结构体系, 既能够保留传统块体材料施工的便捷特点,又具有自保温、寿命长的优点,同时可以满足国家建筑节能等更高要求[12]。

本文结合纤维增强水泥板材优良的力学性能与泡沫混凝土材料优异的保温隔热功效,设计一种薄板增强-泡沫混凝土复合块体,针对此种墙体块体,制备4种不同密度等级的复合试件进行抗压、抗弯性能测试,研究纤维肋板对泡沫混凝土材料力学性能的改善作用与效果。

1试验设计

1.1原材料

水泥:快硬硫铝酸盐水泥;粉煤灰:Ⅰ级低钙粉煤灰;硅灰:甘肃三远硅材料有限公司生产;膨胀剂:中建材中岩科技有限公司生产;骨料:秦皇岛石英砂厂生产的100~200目石英砂;减水剂:北京东方澳汉科贸有限公司生产的粉末聚羧酸减水剂;发泡剂:江苏世隆涂料有限责任公司生产的FP-180动物蛋白发泡剂,与水配制比例为1∶10;水,普通自来水;纤维:聚乙烯醇纤维(PVA纤维),密度1.2 g/cm3,抗拉强度1620 MPa,弹性模量42.8 GPa,直径0.039 mm,长度8 mm。

1.2配合比

复合块体由2部分组成,一部分是纤维水泥板,另一部分是泡沫混凝土,选取300、500、700、1000 kg/m3这4个密度等级的泡沫混凝土(以下简称300、500、700、1000密度等级泡沫混凝土)用于纤维水泥板间填充;制作纤维水泥板所用砂浆的配合比如表1所示,4个密度等级的泡沫混凝土配合比如表2所示。

kg/m3

注:砂浆密度为 1950 kg/m3。

注:浆体密度实测值为 1809 kg/m3。

1.3试件成型

复合试件尺寸对力学性能的影响比较显著。试验成型2种尺寸的复合试件,一种为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件,用于抗压应力-应变(σ-ε)测试;另一种为100 mm× 100 mm×300 mm的试件(纤维水泥肋板由2块长度为149.5 mm的拼接而成),用于弯曲应力-挠度(σf-w)测试。图1为纤维水泥板-泡沫混凝土复合试件结构示意。成型同样数量尺寸为100 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×400 mm的泡沫混凝土试件作为对照组。

复合体试件成型工艺:先在模板内浇筑纤维水泥砂浆,待其凝结硬化后拆模,图2为纤维水泥板的详细尺寸,然后将纤维水泥板紧贴置于复合试件模具内侧,而后在其中间浇筑泡沫混凝土,纤维水泥板与泡沫混凝土内芯的接触面连接方式为自然凝结,待泡沫混凝土内芯凝结硬化后拆模,置于标准养护室养护至7 d、28 d。

每个试件由2块相同的纤维水泥板和某一密度等级的泡沫混凝土内芯组合而成,纤维水泥板及泡沫混凝土内芯的体积及密度见表3。

1.4试验方法

抗压、抗弯试验均在TONINORM2000试验机上完成,抗压加载速度0.3 mm/min;加压方向如图3(a)所示;抗弯采用三点抗弯加载法,支座中心两点间距为260 mm,采用跨中挠度控制加荷,加载速度0.15 mm/min,跨中挠度由线性变形传感器(LVDT)测定,试验加压方向如图3(b)所示。每组试件制作2个试样,取2个试样测试值的算术平均值作为试验结果。

2结果及分析

2.1抗压性能

图4为4个密度等级复合块体7 d和28 d的抗压应力应变(σ-ε)曲线。为了解复合肋板对泡沫混凝土力学性能的影响,对比测试了4个密度等级无纤维肋板泡沫混凝土的 σ-ε 曲线,如图5所示。

由图4可以看出,不同密度等级复合块体的 σ-ε 曲线有着相似的变化趋势,在应力达到峰值后,仍能保持在一个稳定的应力值,未表现出明显的脆性破坏特征;复合块体的抗压强度峰值随夹层泡沫混凝土密度等级的升高而增大。

由图5可以看出,泡沫混凝土随密度等级不同,其 σ-ε曲线也有所差异,300密度等级的泡沫混凝土28 d、500密度等级的泡沫混凝土7 d抗压强度,应力随应变增加而增大,曲线没有明显屈服点;500密度等级的泡沫混凝土28 d、700密度等级和1000密度等级的泡沫混凝土7 d、28 d的 σ-ε 曲线存在明显的屈服点,当应力达到峰值后迅速下降,呈脆性破坏。 由此可见,低密度等级泡沫混凝土的 σ-ε 曲线容易出现非脆性破坏现象,这可能是由于在抗压试验过程中,低密度等级的泡沫混凝土被逐渐压密,导致强度随应变增加而呈逐渐提高。 试验过程中也确实观察到低密度等级的泡沫混凝土被压密现象,如图6(a)所示。而在纤维肋板复合试件中,由于纤维肋板起到了一定的支撑作用,使得复合块体在受压后,填充在纤维肋板中间的低密度等级泡沫混凝土不能被挤密,也就不存在强度随应变增加而逐渐提高的现象,如图6(b)所示。

图7为复合块体与泡沫混凝土抗压强度的峰值对比以及强度随密度的变化趋势。

从图7可以看出:

(1)纤维水泥板复合块体300、500、700、1000密度等级的28 d抗压强度峰值分别达到3.4、4.2、5.0、7.4 MPa,而相应密度等级的泡沫混凝土抗压强度分别只有0.4、0.7、3.8、5.9MPa,复合试件28 d抗压强度分别为泡沫混凝土试件的8.5倍、6.0倍、1.3倍、1.3倍,纤维肋板对低密度等级泡沫混凝土抗压强度的增长有显著作用,泡沫混凝土密度等级越低,有肋板与无肋板试件的抗压强度差异越大。

(2)随着密度等级的增大,泡沫混凝土的抗压强度呈指数增大,但在纤维肋板块体中,随着夹层泡沫混凝土密度等级的升高,其抗压强度并没有显著地提高,也就是说,当中间夹层泡沫混凝土的密度等级增大到一定程度后,纤维肋板对复合块体的抗压强度影响不再显著。

GB/T 11968—2006《蒸压加气混凝土块体》规定,蒸压加气混凝土块体干密度在300、500、700(无1000)等级,标准要求其优等品抗压强度分别达到1.0、3.5、5.0 MPa以上,对比密度等级300、500、700的纤维水泥板复合块体的抗压强度分别为3.4、4.2、5.0 MPa,表明纤维水泥板复合块体的抗压强度可以达到蒸压加气混凝土块体优等品的要求。

2.2抗弯性能

图8为不同密度等级复合块体的弯曲应力-挠度(σf-w)曲线。

由图8可以看出,在纤维水泥板-泡沫混凝土复合块体抗弯试验过程中,700密度等级28 d,1000密度等级7 d、28 d的 σf-w曲线相似,应力达到峰值后下降,试件底部开裂破坏, 试块呈脆性破坏特点;700密度等级复合块体7 d应力达到峰值后有所下降,但仍能维持峰值的40%左右保持稳定;500密度等级纤维水泥板复合块体7 d、28 d应力达到峰值后仍能保持应力峰值的50%左右并趋于稳定,300密度等级纤维复合块7 d、28 d应力达到峰值后几乎可以保持应力峰值的80% 左右趋于稳定;以上规律说明,由于纤维肋板的支撑作用,对于复合块体而言,夹层泡沫混凝土密度越低,抗弯强度达到峰值后的残余量越大。

图9为低、高密度等级复合块体的抗弯破坏状态。

从图9可以看出,300密度等级的试件破坏时,两侧纤维水泥板的曲率显著大于1000密度等级的试件,这在一定程度上说明,密度等级低的比密度等级高的复合块体延展性要好。

图10为4种密度等级泡沫混凝土的 σf-w曲线。

从图10可以看出,无纤维水泥板的纯泡沫混凝土抗弯试块在应力达到峰值后会立即下降接近零点,呈现出显著的脆性破坏特点。纤维肋板存在可以显著改善泡沫混凝土块体的延性。

图11为复合块体与纯泡沫混凝土抗弯强度的峰值对比以及抗弯强度随密度的变化趋势。

从图11可以看出:

(1)纤维水泥板复合块体300、500、700、1000密度等级的28 d抗弯强度峰值可以达到0.5、0.9、1.5、2.2 MPa,而相应密度等级的泡沫混凝土抗折强度却只有0.05、0.1、0.6、1.7 MPa, 复合试件28 d抗弯强度分别为纯泡沫混凝土试件的10.0倍、 9.0倍、2.5倍、1.3倍,与抗压规律类似,纤维肋板对泡沫混凝土抗弯性能的增强作用在低密度等级泡沫混凝土中更加显著。

(2)随着密度等级的增大,泡沫混凝土的抗弯强度呈指数增大,但在纤维肋板块体中,随着夹层泡沫混凝土密度等级的升高,其抗弯强度并未呈快速增长态势,纤维肋板对泡沫混凝土抗弯强度的增强作用会随着泡沫混凝土密度等级的升高而减弱。

对比纯泡沫混凝土和纤维复合泡沫混凝土的弯曲力学性能试验结果可以看出,纤维肋板对低密度等级泡沫混凝土力学性能的增强作用要比高密度等级更加显著。

3结语

(1)无论是复合块体还是泡沫混凝土块体,抗压、抗折强度随泡沫混凝土密度等级的升高而增大。

(2)将纤维肋板与泡沫混凝土复合可以提高泡沫混凝土的抗压、抗弯强度,这种增强作用会随夹层泡沫混凝土密度等级的升高而减弱;纤维水泥板复合块体的抗压强度可以达到蒸压加气混凝土块体优等品的要求。

(3)不同密度等级复合块体的抗压应力-应变(σ-ε)曲线达到峰值后,会缓慢下降,并在一定应力水平上维持稳定;低密度等级泡沫混凝土受压后存在材料挤密现象,σ-ε 曲线没有明显的屈服点,高密度等级的泡沫混凝土呈脆性破坏。

(4)低密度等级的复合试块的抗弯应力-挠度(σf-w)曲线达到峰值后,会缓慢下降,并在一定应力水平上维持稳定,高密度等级复合试块与泡沫混凝土试块在抗弯试验中均呈脆性破坏特征。

(5)纤维肋板可显著提高泡沫混凝土块体的延性,随着泡沫混凝土密度等级升高,肋板对延性的提高作用会逐渐减弱。

摘要：采用先浇筑纤维水泥板作为模板,再在其内浇筑泡沫混凝土的制备工艺,在实验室成型了不同密度等级的纤维水泥板-泡沫混凝土复合块体;同时成型单一泡沫混凝土试件作为对照,养护7 d、28 d时对块体进行抗压、抗弯强度测试。试验结果表明,与纯泡沫混凝土块体相比,纤维肋板可明显提高试块的抗压、抗弯强度,提高延性;复合块体的抗压、抗折应力达到峰值后仍能维持在一定水平,不易出现脆性破坏;泡沫混凝土密度等级越低,纤维肋板的功效越显著。

改善复合发泡水泥板性能的研究 篇7

1 实验

1.1 主要原材料

(1)水泥:句容台泥水泥有限公司生产的52.5R硅酸盐水泥,80μm筛筛余2.3%,主要物理性能见表1。

(2)SAC42.5特种水泥:产自山东某特种水泥有限公司,其主要的技术指标见表2。

(3)粉煤灰:选用常州国电生产的Ⅰ级粉煤灰,其主要技术指标见表3。

%

(4)聚丙烯纤维:江苏丝丝缘有限公司生产,主要物理力学性能见表4。

(5)憎水剂:上海仙邦化学有限公司生产的硬脂酸钙。

(6)苯丙乳液:北京某公司生产。

(7)发泡剂:无锡市某公司生产的双氧水。

1.2 试验方法

将特种水泥、硅酸盐水泥和粉煤灰按75∶15∶5的质量比预混(同时掺加1.0 kg/m3聚丙烯纤维)后,加入适量水搅拌成均匀稳定的料浆,控制料浆温度,并加入发泡剂等外加剂,按照一定搅拌速率搅拌1~2 min,然后注入试模、静停发泡,并对试件进行自然养护、加工。试件性能参照苏JG/T 041—2011《复合发泡水泥板外墙外保温系统应用技术规程》进行测试。

2 实验结果与分析

为改善复合发泡水泥板性能,克服其易粉化、强度低和吸水率高的缺陷,本文主要采取以下技术手段加以解决:一是采用疏水处理技术和聚合物改性技术。通过加入憎水剂,大幅度降低复合发泡水泥板体积吸水率;创新性地引入成膜聚合物,附在水泥颗粒或凝胶体表面形成膜结构,提高孔壁封闭性,降低吸水率,同时也提高复合发泡水泥板韧性和防水性;二是掺加高性能减水剂降低水料比,提高复合发泡水泥板的性能。本文Ⅰ型试件干密度为270 kg/m3、Ⅱ型试件干密度为240 kg/m3。

2.1 憎水剂对复合发泡水泥板性能影响

为了降低复合发泡水泥板吸水率,改善环境湿度对复合发泡水泥板热工性能的影响,试验加入了憎水剂。测试不同掺量憎水剂对复合发泡水泥板性能影响(憎水剂掺量按占混合料总体积计),试验结果分别见图1、图2。

由图1、图2可知,随着憎水剂掺量的增加,复合发泡水泥板的吸水率快速降低,抗压强度也随之降低。但当憎水剂的掺量大于5 kg/m3后,其掺量的增加对吸水率的降低无明显效果,而会使其抗压强度明显下降。

憎水剂能有效地降低吸水率是由于其具有很高的憎水性,它能吸附于泡沫混凝土的孔表面,形成1层包覆膜,减少了水在泡沫混凝土表面的润湿,增大了水的接触角,使水难以向孔隙中渗透。憎水剂掺量越大,被包覆的气孔数量越多,因而吸水率越低。但当复合发泡水泥板内的孔几乎完全被憎水剂覆盖后,再增大憎水剂的掺量不再有更明显的憎水效果。因此,憎水剂的掺量存在着一个适宜范围。综合抗压强度、孔径和吸水率等因素,Ⅰ型配合比憎水剂最佳掺量为4 kg/m3,Ⅱ型配合比憎水剂最佳掺量为5 kg/m3。

2.2 苯丙乳液对复合发泡水泥板性能影响

为改善复合发泡水泥板的柔韧性,降低体积吸水率,试验中加入了适量乳液,乳液的选择对复合发泡水泥板发泡效果至关重要,一般乳液的加入具有缓凝作用和表面活性作用,容易导致塌模现象。通过试验对比,优选苯丙乳液作为改性材料。测试了不同掺量苯丙乳液对复合发泡水泥板性能的影响(苯丙乳液掺量按占胶凝材料质量计),试验结果分别见图3、图4、图5。

由图3、图4、图5可知,苯丙乳液的掺入对复合发泡水泥板抗压强度影响较小,使其抗拉强度略有提高,对其体积吸水率有所改善。综合力学性能、裂纹现象等因素,Ⅰ型配合比苯丙乳液最佳掺量为0.6%,Ⅱ型配合比苯丙乳液最佳掺量为0.3%。

2.3 水料比对复合发泡水泥板强度的影响

通过掺加高性能减水剂来降低水料比。试验表明,水料比小于0.40,料浆搅拌不匀,流平性较差;水料比大于0.65,稳定性较差,易塌模。因此,分别测试了水料比为0.40、0.45、0.50和0.55时复合发泡水泥板的性能,试验结果分别见图6~图8。

由图6、图7可知,水料比在0.40~0.55时,水料比越大,抗压强度和抗拉强度越小。因为水料比越大,多余的水并不参与水泥的水化,而是在复合发泡水泥板的硬化过程中受到蒸发作用从复合发泡水泥板制品内跑出,使它原来在气孔壁内所占住的位置成为连通型的空隙,这些空隙大大降低了复合发泡水泥板的密实度,从而使其抗压强度和抗拉强度降低。

由图8可知,水料比越大,复合发泡水泥板的吸水率也随之增大。因为水料比越大,多余的水在受热后体积膨胀,产生膨胀压力,这种膨胀压力加上蒸发作用力,使水在还没有硬化的塑性浆体中冲出一条条外出的通路,这种通路就是危害极大的毛细孔。毛细孔成为复合发泡水泥板内进出水的通道,使之吸水率增大[1]。

在提高复合发泡水泥板强度和满足料浆可操作性的情况下,水料比适宜的范围为0.40~0.45。

2.4 干密度对复合发泡水泥板性能的影响

作为保温隔热材料的复合发泡水泥板,导热系数是一项重要指标,获得较低的导热系数是复合发泡水泥板研究过程中很重要的一项工作。

复合发泡水泥板属于以固相为连续相、气相为分散相的保温材料。复合发泡水泥板为多孔组织,具有自重轻、保温隔热、吸声防震的特点。复合发泡水泥板的导热系数主要取决于固相材料的性质、密度、内部缺陷、孔洞尺寸、孔洞形状和相互间联通情况等因素[2]。复合发泡水泥板的气相是降低热导率的主导因素。复合发泡水泥板的导热系数与干密度的关系见图9。

在复合发泡水泥板生产过程中,以调整干密度控制导热系数。导热系数不大于0.06 W/(m·K)时,干密度宜控制在270kg/m3以下。

3 结语

(1)憎水剂的掺入使复合发泡水泥板的吸水率快速降低,抗压强度也随之降低。但当憎水剂的掺量大于5 kg/m3时,其掺量的增加对吸水率的降低无明显效果,而会使其抗压强度明显下降。综合抗压强度、孔径和吸水率等因素,Ⅰ型配合比憎水剂最佳掺量为4 kg/m3,Ⅱ型配合比憎水剂最佳掺量为5kg/m3。

(2)苯丙乳液的掺入对复合发泡水泥板抗压强度影响较小、抗拉强度略有提高,但对其体积吸水率有所改善。综合力学性能、裂纹现象等因素,Ⅰ型配合比苯丙乳液最佳掺量为0.6%,Ⅱ型配合比苯丙乳液最佳掺量为0.3%。

(3)在一定范围内,水料比越大,其抗压强度和抗拉强度越小,吸水率越高。在提高复合发泡水泥板性能和满足料浆可操作性的情况下,水料比适宜的范围为0.40~0.45。

(4)掺加憎水剂、苯丙乳液和降低水料比,能大幅度降低复合发泡水泥板的吸水率,提高其强度和表面硬度,克服了复合发泡水泥板易粉化、强度低和吸水率高的缺陷。

(5)复合发泡水泥板导热系数不大于0.06 W/(m·K)时,干密度宜控制在270 kg/m3以下。

参考文献

[1]闫振甲,何艳君.泡沫混凝土实用生产技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

复合水泥物理力学性能 篇8

水泥作为用途最广泛的建筑材料,广泛应用于城镇建设、房地产、交通和能源等行业。我国城镇化进程的推进和基础设施建设投入的加大,极大推动了我国水泥产业的快速发展,2015年水泥产量23.48亿t。然而,在水泥生产过程中需要消耗大量的能源和资源,且在这一过程中会生成大量的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物,这些气体如果不加处理直接排放到空气中,会造成温室效应和酸雨等严重的环境污染。

钢渣作为炼钢产业的一种副产物,排出量约为粗钢产量的15%~20%[1]。钢渣中主要元素是钙、铁、硅、镁,它们主要以硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙等矿物形式存在[2,3],具有一定的活性及胶凝性[4],可用于工程建设。目前,国内外对钢渣的利用参差不齐,总体利用率较低,同时,钢厂的钢渣得不到有效的利用,占据大量农田和土地,造成了很大环境污染,给社会效益和经济效益带来极大的困扰。

为了减少水泥工业和钢渣对环境的影响,可用磨细钢渣微粉或其他矿物掺合料来代替一部分水泥。硅灰、粉煤灰和矿渣是性能良好的矿物掺合料,经过很长时间的研究和工程应用,这些矿物掺合料的应用技术已经非常成熟,甚至广泛应用到超高性能水泥基复合材料中。钢渣微粉成分波动比较大,存在f-Ca O、f-Mg O等体积安定性不良的组分。此外,钢渣微粉中还存在一些活性较低和惰性的金属氧化物、固溶体[5]。目前,国内外的众多学者都在致力于提高钢渣微粉的活性和改善其安定性的研究:将钢渣中的金属、金属氧化物和固溶体提取回收,提高钢渣的活性[6];钢渣中Ca O和Mg O占有很大比例,可与CO2反应生成性质稳定的碳酸盐[7,8],虽然可以降低f-Ca O、f-Mg O的含量,但这会降低钢渣的活性,增加钢渣的应用难度;一些学者通过测定钢渣在胶凝体系中的水化程度,探讨钢渣对水泥水化的影响[9,10,11],却忽视了钢渣本身的水化情况。GB/T20491—2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》附录A中对钢渣微粉活性指数的检测方法作出了规定:用比对样品与钢渣粉按7∶3质量比混合而成,砂胶比3∶1,水胶比0.5,钢渣粉的活性指数为受检胶砂相应龄期的强度与比对胶砂相应龄期的强度比值。但这种方法没有考虑到通常钢渣的冷却过程是自然缓慢冷却,矿物结晶比较完整,理论活性较低[12],钢渣微粉参与反应的比例非常低,所起到的化学作用非常微小,未反应的颗粒只起到了物理填充作用。钢渣微粉加水混合后,会因缺少碱而爆裂,如图1所示,无法分析钢渣微粉的水化情况。因此,对钢渣微粉自身的潜在水化效应特性研究十分必要,为合理应用钢渣微粉提供理论依据。曹伟达等[13]在钢渣-熟石灰碳化砖的特性一文中将熟石灰掺入到钢渣粉中促进钢渣微粉的反应,并将钢渣微粉的反应程度用火山灰活性衡量,本文沿用火山灰活性的提法。通过氢氧化钙–掺合料浆体法研究了钢渣微粉的火山灰活性,此方法的优点在于氢氧化钙和矿物掺合料是足量的,氢氧化钙的含量较高使得掺合料的反应程度较大,表征的时候准确性更高,因此,本试验研究钢渣微粉的火山灰活性指数采用了此方法。并就钢渣微粉的掺量对水泥水化、水泥砂浆的工作性能、力学性能的影响规律进行了研究,探讨了钢渣微粉作为胶凝材料制备超高性能水泥基复合材料的可能性。

1 试验原材料及试验方案

1.1 原材料

水泥:P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥,化学组成如表1所示,性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

钢渣:马钢风淬钢渣微粉,外观呈褐红色,比表面积为549m2/kg,形貌如图2所示。图3为钢渣微粉的XRD图谱,主要矿物为硅酸二钙、硅酸三钙及铁酸二钙。经试验结果显示,以钢渣微粉取代部分水泥作为胶凝材料的钢渣混凝土体积稳定性良好。钢渣的化学成分如表1所示,碱度系数B是化学成分中碱性氧化物和酸性氧化物的比值,碱度系数按式(1)计算,由表1中的数据可以直接计算得出钢渣的碱度系数为2.86。GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》中的技术要求规定碱度指数不小于1.8,由计算结果可以得出钢渣微粉符合技术要求。

式中:

B———碱度系数;

ω(Ca O)———氧化钙,质量分数,%;

ω(Si O2)———二氧化硅,质量分数,%;

ω(P2O5)———五氧化二磷,质量分数,%。

硅灰:比表面积为14812m2/kg,化学组成如表1所示。

细骨料:采用最大粒径为2.36mm的普通河砂,细度模数为2.26,连续级配。

减水剂:聚羧酸系高性能减水剂,固含量为40%,减水率为20%~25%。

1.2 试验配合比

为了研究钢渣微粉的火山灰活性,将钢渣微粉与氢氧化钙按照一定的比例加水拌合成浆体,养护至不同龄期测定浆体中氢氧化钙的残余量来表征掺合料的活性大小,配合比见表2。研究了钢渣微粉掺量ω(钢渣微粉)=0、10%、20%、30%、40%时对净浆水化热的影响及对超高性能水泥基材料的性能影响,配合比见表3、表4。

1.3 试验方法

1.3.1 成型与养护工艺

超高性能水泥基复合材料成型时,先将称量好的胶凝材料和细骨料缓慢搅拌至均匀,然后加入均匀混合的水和减水剂,继续搅拌。当混合料进入黏流状态后快速搅拌3min,浇筑入模并振动成型,1d后拆模,85℃蒸养3d。用于活性指数测试的试件成型工艺为直接将称量好的钢渣微粉、氢氧化钙和水搅拌直至混合均匀,浇筑入模并振动成型,用保鲜膜包覆1d后拆模,继续用保鲜膜包覆防止氢氧化钙碳化,标准养护[温度为(20±2)℃,湿度大于95%至一定龄期。

%

1.3.2 流动度

按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》中的规定,将新拌合好的超高性能水泥基复合材料分2层迅速装入流动度模具内,开启跳桌跳动25次。跳动完毕后,用卡尺测量胶砂底面互相垂直的2个方向的直径,计算得到的平均值即作为流动度。

1.3.3 同步热分析

将相应龄期的样品在无水乙醇中浸泡3d取出,干燥、研磨后过80μm方孔筛待测。温度范围为室温~1000℃,升温速率为10℃/min,氮气保护。因制样过程中碳化会消耗掉样品中部分氢氧化钙,因而应把碳化的那部分氢氧化钙算到剩余氢氧化钙中。设氢氧化钙残余质量分数为X,钢渣微粉与氢氧化钙的质量比为1∶1,设活性指数n=100-2X[14]。

1.3.4 SEM分析

取相应龄期的样品,敲碎后取出一块厚度均匀的薄片,在无水乙醇中浸泡3d后取出,在60℃的真空干燥箱中干燥48h。SEM分析所用仪器为Sirion场发射扫描电子显微镜。

1.3.5 XRD分析

取相应龄期的样品,在无水酒精溶液中浸泡3d终止水化,在玛瑙研钵中研磨至全部粉末通过80μm筛,将制备好的粉末样品放入60℃的真空干燥箱中干燥1d待测试。XRD测试仪器为Bruker–Axs D8 DISCOVER X射线衍射仪,步长step size=0.02°,扫描速度0.30s/step,扫描角度范围5°~80°。

1.3.6 水化热测试

根据GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》中的直接法测定水泥净浆7d水化热,将热量计放在等温量热仪中,测量水泥水化的温度变化,等温量热仪自动采集数据,计算热量筒中能量变化以及热量桶散失的热量,两者相加得到水泥水化热。

1.3.7 力学性能测试

参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行砂浆抗折强度和抗压强度的测试和试验结果评定。

2 试验结果及讨论

2.1 钢渣微粉反应活性

由图3钢渣微粉的XRD图谱分析可知,钢渣微粉的主要矿物为硅酸二钙、硅酸三钙及铁酸二钙,具有水硬胶凝性。图4是钢渣微粉与氢氧化钙不同龄期反应产物ESEM图片,从图4(a)中可以看出钢渣微粉和疑似氢氧化钙晶体松散地堆积在一起,有很多的裂缝和空洞;从图4(a)中疑似氢氧化钙晶体的能谱结果可以分析得出其钙和氧的原子个数比大约为1∶2,其余物质含量很低,符合氢氧化钙的组成,确定为氢氧化钙晶体。图4(b)中出现很多的絮状物,氢氧化钙晶体明显减少,结构也变得紧密。图4(c)中几乎找不到氢氧化钙晶体的踪迹,钢渣微粉表面布满絮状的凝胶,结构变得密实,几乎找不到裂纹。

图5为钢渣微粉与氢氧化钙不同龄期反应产物XRD图谱。从图中分析结果可知T=3d、7d时,样品的衍射峰主要为氢氧化钙;当T=28d时,氢氧化钙的衍射峰变少、变弱,出现了水化硅酸钙、水化铁酸钙等水化产物的衍射峰,这也说明钢渣微粉和氢氧化钙发生水化反应,且随着养护龄期的延长,氢氧化钙逐渐被消耗,伴随着水化产物的增长。

采用TG-DSC方法分析了反应龄期T=3d、7d、28d时钢渣微粉的火山灰反应活性指数。图6给出了T=3d、7d、28d时的差示扫描量热分析分析图。由图可知,3d、7d、28d龄期的钢渣微粉样品中均有氢氧化钙残余,7d的氢氧化钙残余量相比3d的略有减少,但28d龄期的钢渣微粉试样中氢氧化钙残余量很少。

按照氢氧化钙-掺合料浆体法测试得到钢渣微粉的火山灰活性见表5。从表中可以看出,T=3d、7d时钢渣微粉的火山灰活性指数较低,分别为23.1、31.6,T=28d时其火山灰活性指数为87.1。姜广等人认为[15]:T=3d、7d、28d时硅灰的火山灰活性指数分别为20.3、22.6、71.1,钢渣微粉的火山灰活性比硅灰同龄期的活性指数分别高出2.8、9.0、15.4,说明钢渣微粉的火山灰活性指数明显高于硅灰。

2.2 水化热分析

图7显示了不同钢渣微粉掺量对新拌水泥净浆72h内水化的热流和累积放热曲线。对于不同掺量的钢渣微粉替代水泥的新拌净浆,图7(a)显示水化热流峰值的顺序是SS10>SS0>SS20>SS30>SS40,也就是当钢渣微粉掺量为10%时,浆体热流峰最高,累积放热量也达到最大。当钢渣微粉的掺量为20%和30%时,浆体的热流峰下降,累积放热量也依次减少。可能由于当钢渣微粉掺量为10%时,浆体中的水泥含量较大,水化提供的碱量充足,足以激发钢渣微粉充分水化。当钢渣微粉掺量增加时,浆体中水泥的含量依次减少,水化提供的碱含量也依次减少,故钢渣微粉没有充分水化,因此对水泥的水化放热速率提高作用不明显,且累积放热量逐渐减少。这与文献报道结果稍微有点出入[16,17],主要表现在钢渣微粉的掺量为10%时,水化放热量有所增加,可能原因是钢渣微粉的特性不相同。总的来说,钢渣微粉的掺入可以明显降低水化放热量,可以大大降低混凝土的绝热升温,这对于大体积混凝土和夏季施工来说是十分有利的。

2.3 钢渣微粉掺量对砂浆流动度的影响

图8(a)为钢渣微粉掺量对水泥砂浆流动度的影响。从图中可以直观地看出,随着钢渣微粉掺量的增加,胶砂的流动度呈增长趋势,钢渣微粉的掺入改善了新拌水泥胶砂的流动性。这主要是由于钢渣中的活性矿物早期水化能力较弱,水化需水量较少。且从图2中可以分析得到钢渣在球磨过程中使颗粒形状多接近于球体,大部分颗粒粒径在5μm左右,比表面积比水泥大,填充在水泥间隙中起到润滑的作用,这与文献中结论一致[18]。

2.4 钢渣微粉掺量对力学性能的影响

图8(b)为85℃蒸养3d后的不同钢渣微粉掺量对砂浆抗折、抗压强度的影响。从图中可知,砂浆的抗折强度随着钢渣微粉掺量的增加呈现先增加后减小的趋势,在钢渣微粉掺量为0~20%时,抗压强度基本不变,随着钢渣微粉掺量的进一步增加,抗压强度逐渐减小。这主要是因为85℃蒸养3d钢渣微粉的火山灰活性充分发挥,且当钢渣微粉掺量为10%、20%时,水泥水化的碱足以使钢渣微粉充分水化;当钢渣微粉的掺量为30%、40%时水泥含量减少,水化提供的碱含量明显不足,钢渣水化不充分,且水泥用量减少导致砂浆密实度降低。强度的发展规律和水化热的测试结果稍有不同的原因可能是:水化热试验的水胶比为0.4,当钢渣微粉掺量为10%时,浆体中的水泥含量较大,水化提供的碱量充足,足以激发钢渣微粉充分水化;而力学性能试验部分的水胶比为0.16,拌合水量减少很多,水泥并未充分水化,提供碱含量减少,钢渣微粉反应程度没有水化热试验中高,且随着钢渣微粉的反应,其微集料填充效应对强度的贡献明显下降;当钢渣微粉掺量为20%时,砂浆抗折强度最高,抗压强度也达到127.2MPa,这是因为此时钢渣微粉较高的反应活性和微集料填充效应相互作用使得砂浆的密实度较高。

3 结论

(1)钢渣微粉早期火山灰活性较小,后期具有较高的火山灰活性,28d的活性指数可达到87.1。

(2)钢渣微粉掺量为10%时,新拌浆体的水化热流峰最高,累积放热量也达到最大。当钢渣微粉掺量大于10%时,随着掺量的增加,水化放热速率随之减慢,累积放热量也减少,说明钢渣微粉可显著降低水泥浆体的水化热。

(3)钢渣微粉颗粒大小均匀,形状近似球体,试验结果证明该球形外观有助于增加新拌超高性能水泥基复合材料的流动度。

(4)试验结果证明,钢渣微粉可作为胶凝材料制备低水胶比超高性能水泥基复合材料。当钢渣微粉掺量为20%时,蒸养3d超高性能水泥基复合材料的抗折强度最大,达到25.8MPa,抗压强度下降了3.7%,但仍可达到127.2MPa。

摘要：研究了钢渣微粉的火山灰活性和不同掺量对低水胶比超高性能水泥基复合材料的水化热、流动度、抗折强度、抗压强度的影响规律。试验结果表明,钢渣微粉具有比较高的火山灰活性,28d的活性指数可达到87.1;钢渣微粉掺量为10%时,累积放热量达到最大;当钢渣微粉掺量大于10%时,随着掺量的增加,累积放热量随之减少;钢渣微粉颗粒近似球体,会提高极低水胶比超高性能水泥基复合材料的流动度;钢渣微粉的掺入使超高性能水泥基复合材料的抗折强度先增加后减小,钢渣微粉掺量为10%的超高性能水泥基复合材料抗折强度最高,高达25.8MPa;钢渣微粉掺量在0~20%内,抗压强度略有降低,但仍可满足超高性能水泥基复合材料强度要求。证明了钢渣微粉可作为胶凝材料制备极低水胶比超高性能水泥基复合材料的可能性。

复合水泥物理力学性能 篇9

超高韧性水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,简称ECC)于20世纪90年代在美国密歇根大学成功研制。它以水泥砂浆为基体,其中加入聚乙烯纤维或聚乙烯醇纤维作为增强材料,通过断裂力学、微观力学和数理统计分析确定合理的纤维长度、直径、基体和界面的性能参数。国外研究表明:超高韧性水泥基复合材料在拉伸和弯曲荷载的作用下呈现假应变硬化和多缝开裂的特征,开裂裂缝宽度在0.1mm以内,可以防止有害物质的侵入和提高构件的力学性能和耐久性能,目前此新型材料已在日本、美国等发达国家投入使用。由于它在材料的延性、耗能、抗侵蚀、抗冲击和耐磨方面性能良好,我国大连理工大学、西安建筑科技大学等高校对它也进行制备工艺、力学性能和耐久性等相关的试验研究。

铁尾矿砂是一种复合矿物原料,是铁矿石经开采、加工、磁选后以泥浆状排放的一种矿物废料。我国是一个矿业大国,并且90%的能源及80%的原材料均来自矿产资源,目前我国国有矿山8000座,集体及私人矿山20万座,尾矿废料的年排放量为1.35亿t。据统计,截止2010年,我国尾款砂的累积量达到110亿t,伴随着基础建设的扩大,铁矿石的需求日益增加,同时产生大量的废石,尾矿砂对生态环境造成不可估量的严重破坏,并且威胁着人们日常生活和生产,铁尾矿等矿山废弃物的堆存带来一系列的问题。本次课题研究依据鲍文博教授、宁宝宽教授和陈四利等试验结果以尾矿砂作为水泥基复合材料中的细骨料。

本文采用高强高弹模PVA纤维作为增强材,以精制水泥尾矿砂浆为基体,通过大量试验研究成功配制了具有类似于ECC材料性能的PVA尾矿砂水泥基复合材料。本文将通过四点弯曲试验、单轴抗压试验、冲击断裂试验研究PVA尾矿砂水泥基复合材料的抗压、抗弯和断裂性能。

2 试验原材料和搅拌工艺

2.1 试验材料

(1)水泥采用翼东牌PR42.5R普通硅酸盐水泥。

(2)细骨料采用辽阳鸡冠山的铁尾矿砂和天然砂,材料的粒径为0.315~0.15mm。

(3)减水剂采用大连西卡公司减水剂,掺量为胶凝材料的1%

(4)粉煤灰沈阳热海电厂的一级粉煤灰

(5)纤维采用山东泰安同伴纤维有限公司提供的纤维长度为12mm。纤维的品质指标见表1。

2.2 制备工艺

本次试验胶凝材料的制备工艺流程见图1。

2.3 试验方案

PVA纤维水泥基复合材料制备配合比参考尾矿砂水泥基复合材料的制备和力学性能试验如表2所示。

3 基本力学性能

3.1 抗压试验

试验采用立方体试件测定PVA尾矿砂水泥基复合材料的抗压性能,试件尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm。试件龄期28d,在YES-2000型数显式压力试验机上进行单轴抗压试验,采用位移控制模式,加载速率为0.5mm/min,用LVDT在试件对称的侧面位置测量压缩变形,试验测得的抗压曲线图见2。

从图2可以看出立方体试件在峰值点以后的下降段与普通混凝土明显不同,没有出现荷载的突然降低,而是出现了较为缓慢的下降过程,体现了纤维对尾矿砂水泥基复活材料的增韧效果。试验表明:PVA尾矿砂水泥基复合材料较混凝土有非常明显的峰值后延性。

3.2 抗弯试验

采用薄板试件和梁试件研究PVA尾矿砂水泥基复合材料的弯曲性能,试件尺寸分别为400mm×100mm×20mm和160mm×40mm×40mm,试验龄期28d。加载装备为闭环液压伺服材料试验机,加载方式采用三不等分四点加载如图3,加载装备为闭环液压伺服材料试验机,加载速率为01mm/min,薄板采用三等分位置加载,测试跨度为300mm,梁采用三不等分位置加载,测试跨度为150mm。

据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理。试验得到的荷载-挠度曲线如图4所示。右侧纵坐标是根据材料力学公式计算得到的抗弯应力。由荷载-挠度曲线可得开裂荷载和开裂挠度、极限荷载和极限挠度,然后分别采用如下公式计算开裂强度、抗弯强度和极限拉伸应变预测值,计算结果见表2,试验曲线见图4。

计算公式见(1)~(3)

3.3 薄板的韧性指数计算

试件在加载过程中观测试件的变形和裂缝形式可以发现:薄板试件荷载峰值滞后产生较大的弯曲变形,并保持较好的完整性,试件底面在加载过程中可以观测到大量近似平行的细小裂缝,裂缝宽度60Lm左右,平均裂缝间距1~2mm左右;试件卸载后部分裂缝自动闭合。梁试件在荷载峰值后,仍然保持一段时间的完整状态,然后随着荷载的减小,试件的下部出现明显的局部破坏裂缝,而试件侧面有很多细密裂缝。由于梁试件横截面上的弯拉应力分布的影响,侧面裂缝间距从下往上逐渐增大。综上所述,PVA尾矿砂水泥基复合材料在弯曲荷载作用下的变形能力远大于混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料,而且它的开裂形式与混凝土和普通纤维增强水泥基复合材料的开裂形式明显不同。由于PVA尾矿砂水泥基复合材料选择了更为合理的材料参数,使纤维的增强增韧效果得到了更好的发挥。在弯曲荷载作用下,PVA尾矿砂水泥基复合材料中的纤维依靠其连接作用控制了裂缝的进一步扩展,并承担了基体释放的应力,同时依靠界面黏结将应力传递给周围未开裂的基体,诱发新裂缝的产生,使试件的纯弯曲段逐渐出现了大量近似平行的细密裂缝。试验中观测到的试件上众多的细密裂缝充分体现了纤维对基体裂缝的产生和扩展的有效控制作用。

3.4 冲击试验

采用15mm和30mm厚的板试件研究PVA尾矿砂水泥基复合材料的抗冲击性能,试件尺寸分别为15mm×100mm×400mm和30mm×100mm×400mm,试验龄期28d。抗弯冲击试验采用自制的三点弯曲试自由落锤冲击装置,跨距为350mm,锤重为1.35kg,15mm薄板的冲击高度为300mm,30mm薄板的冲击高度为500mm。试验记录15mm、30mm PVA尾矿砂水泥基复合材料的初裂及破坏冲击次数,板的冲击能、延性指标和冲击疲劳强度试验结果及数理统计结果见表5。

试验过程和表5表明,PVA尾矿砂水泥基复合材料在一定的纤维体积掺量作用下,试件在动力荷载作用下能保持较好的完整性,动力荷载作用后试件的表面出现很多接近平行的细微裂缝。试件的破坏冲击次数表明30mm板抵抗动力荷载的性能指标强于15mm板,这与尺寸效应和制备工艺有关,有待进步一试验研究。试件的各性能表明:PVA尾矿砂水泥基复合材料抵抗动力荷载的性能明显强于普通混凝土,PVA纤维对裂缝面的桥接作用可以抑制水泥基复合材料裂缝的张开和扩展,并且吸收能量,提高材料的冲击性能。PVA尾矿砂水泥基复合材料在冲击荷载作用下破坏呈现多裂缝开裂,损伤小,整体性强,能量耗散力强。

4 结论

PVA尾矿砂水泥基复合材料具有很强的塑性应变能力,极限拉伸应变可达2.0%以上,是一种具有类似金属变形性能的纤维水泥基复合材料,在弯曲荷载和动力荷载作用下表现出明显的假应变硬化和多裂缝开裂特性,最大裂缝宽度在60Lm左右,可以有效的阻止外界有害物质的侵入,适应于耐久性要求较高的结构或构件。同时,PVA尾矿砂水泥基复合材料具有较强的抗动力荷载性能,延性指数为8.04,能够吸收能量,显著提高混凝土结构的抗震性能和变形性能,可应用到抗震结构,高层结构和大跨结构等。由于PVA尾矿砂水泥基复合材料具有较大的变形性能,因此可以应用到混凝土结构中一些塑性变形较大的构件和部位。此外,该材料的弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多,而且在极限荷载时材料能保持良好的整体性,不会发生坍塌破碎。由于PVA尾矿砂水泥基复合材料具有多方面的优越性,并且将变废为宝,因此在很多建设项目中有着潜在的应用前景。

摘要：研制了采用高强高弹模PVA纤维作为增强材,以特制的尾矿砂水泥砂浆为基体制备PVA尾矿砂水泥基复合材料。本文通过单抗压试验、四点弯曲试验、冲击试验研究这种新型材料的抗压、抗弯和动力荷载作用下的抗裂性能。试验结果表明:该材料抗压强度类似混凝土,弹性模量较低,破坏状态有一定的延性;该材料在弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,弯曲试验测得的极限拉伸应变在2%以上,极限荷载时薄板试件的最大裂缝宽度在60Lm左右;该材料在动力荷载作用下抵抗动力荷载的性能明显强于普通混凝土,延性指标为8.04,PVA纤维抑制水泥基复合材料裂缝的张开和扩展,并且吸收能量,提高材料的冲击性能,损伤小,整体性强,能量耗散力强。