摘要
通过抗折强度、抗压强度、界面弯拉强度、体积变形以及红外光谱测试,研究了苎麻纤维(RF)掺量对硫铝酸盐水泥基材料力学性能与体积变形的影响.结果表明:随着RF掺量(体积分数,下同)的增加,硫铝酸盐水泥净浆的抗折强度和抗压强度均呈现先增加后减小的趋势,并且在纤维掺量为0.50%时同时达到峰值;在约束条件下,掺入RF对硫铝酸盐水泥净浆界面弯拉强度的提升幅度较大,纤维掺量为0.75%试样的28 d界面弯拉强度较无约束条件下提高了31.82%;RF的掺入显著增加了硫铝酸盐水泥净浆的膨胀量,其自生变形和干燥变形均随着RF掺量的增加逐渐增大;改性后的RF可以在硫铝酸盐水泥基材料的碱性环境中稳定发挥作用,提高试样的整体强度.
目前,中国对性能优异、成本低廉的修补材料需求较大.无机类修补材料包括硫铝酸盐水泥(CSA)、磷酸盐水泥、铝酸盐水泥等快硬早强型水泥材料,其相较于有机类修补材料如环氧树脂、沥青等具有成本低、相容性好等优
近年来,天然、可再生的植物纤维作为修补材料增强体的研究引起了诸多讨论.Liu
目前,研究植物纤维对有机类修补材料性能的影响较多,而对掺入无机类修补材料的研究相对较少.植物纤维中苎麻纤维是一种纤维素含量极高的天然纤维,相比于其他植物纤维具有弹性模量高、密度低等优
鉴于此,本文提出了一种以硫铝酸盐水泥为主体的硫铝酸盐水泥-磷建筑石膏-硅灰三元体系修补材料,同时加入苎麻纤维作为增强体.为改善苎麻纤维与水泥浆体的界面特性,采用NaOH溶液对RF表面进行改性.通过研究不同掺量(体积分数)的苎麻纤维对硫铝酸盐水泥基材料抗折强度、抗压强度、界面弯拉强度及体积变形的影响规律,同时结合傅里叶红外光谱(FTIR)分析,探究了苎麻纤维的最佳掺量,研究结果可以为研制新型环保修补材料提供参考.
硫铝酸盐水泥(CSA)为42.5级快硬水泥,产自宜城安达特种水泥有限公司;磷建筑石膏(CPG)产自湖北楚星化工股份有限公司,pH值为5.6;硅灰(SF)采用四川朗天高密硅灰.胶凝材料的化学组成(质量分数,文中涉及的组成、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比)如
Material | CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | K2O | SO3 | P2O5 | IL |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CSA | 40.70 | 6.50 | 23.70 | 6.17 | 1.22 | 0.10 | 10.52 | 9.30 | |
CPG | 43.03 | 9.51 | 0.99 | 0.40 | 0.66 | 0.29 | 36.35 | 1.91 | 4.86 |
SF | 0.23 | 93.52 | 0.37 | 0.23 | 0.37 | 0.35 | 0.27 | 4.48 |
本文旨在研究不同掺量RF对硫铝酸盐水泥基材料力学性能和体积变形的影响规律.随着纤维掺量的增加,纤维在基体材料中的分散逐渐困难,导致试样的强度出现了明显的偏差,因此确定RF掺量分别为0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%,相应材料分别编号为Control、RF0.25、RF0.50、RF0.75和RF1.00.基体材料是以硫铝酸盐水泥为主体的硫铝酸盐水泥-磷建筑石膏-硅灰三元体系,参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》,测得其初凝时间为6 min,终凝时间为10 min.基体材料的配合比见
CSA | CPG | SF | CN | NS | CaO | HPMC | ZS | PCE |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
54.5 | 30.0 | 10.0 | 2.0 | 1.0 | 2.0 | 0.1 | 0.3 | 0.1 |
RF在掺入前均要进行表面处理:首先,将RF置于充满清水的超声容器中振动30 min,以除去RF表面的灰尘和油脂;然后,将RF放入浓度为1 mol/L的NaOH溶液中浸泡处理72 h,浸泡结束后用去离子水洗涤,并且在70 ℃条件下烘干.
参照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定硬化水泥净浆的抗折强度和抗压强度,试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm.试样在(20±1) ℃、湿度相对(60±5)%的空气中养护2 h后脱模,然后继续在(20±1) ℃、相对湿度(95±5)%的条件下养护至规定龄期.
以界面弯拉强度(新旧水泥试样的抗折强度)表征水泥浆体的黏结强度,如

图1 界面弯拉强度测试示意图
Fig.1 Schematic diagram of interfacial flexural‑tensile strength test(size:mm)
采用YC‑JS型全自动混凝土收缩膨胀仪测定试样在168 h内的自生变形和干燥变形.试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,养护至终凝时拆模,随后立即用塑料薄膜包裹密封,进行自生变形测试.干燥变形测试按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行,将终凝后的试样置于(20±2) ℃、相对湿度(60±5)%的条件下进行试验.
傅里叶红外光谱(FTIR)测试采用美国Thermo Fisher公司生产的Nicolet IS50型FTIR,试验采用压片法.将RF从不同龄期的试样中取出,与未经任何处理、碱溶液改性72 h的RF分别用剪刀剪成粉末并且过0.25 mm筛后进行FTIR测试.

图2 苎麻纤维对硬化水泥净浆抗折强度的影响
Fig.2 Effects of ramie fiber on flexural strength of hardened cement pastes
(1)硫铝酸盐水泥净浆的抗折强度随着龄期的延长不断增大,随着RF掺量的增加呈先增大后减小的趋势,并且在RF掺量为0.50%时达到最大值;试样RF0.50的28 d抗折强度为7.4 MPa,相比于试样Control的5.3 MPa提高了39.62%.其原因是:掺入适量的RF后,RF在基体中呈三维乱向分布,起到了骨架搭接的作用.当基体受到外部荷载的作用时,其界面过渡区会产生大量的应力集中点从而形成微裂缝,此时桥接裂纹的纤维可以分担部分基体传来的应力,改善微裂缝尖端的应力集中程
(2)在0.5 h龄期时,试样RF0.75和RF1.00的抗折强度低于试样Control,这可能是因为早期水泥基体的水化尚不充分,RF与基体之间的黏结力较差,基体受荷破坏时纤维未能完全发挥作用而被直接拔出,使试样的抗折强度降低.

图3 苎麻纤维对硬化水泥净浆抗压强度的影响
Fig.3 Effects of ramie fiber on compressive strength of hardened cement pastes
(1)硫铝酸盐水泥净浆的抗压强度与抗折强度表现出一致的规律,不同RF掺量试样的抗压强度都随着龄期的延长逐渐增大.当龄期为0.5 h时,试样的抗压强度随着RF掺量的增加而减小,RF掺量为1.00%时试样的抗压强度为4.7 MPa,较试样Control的5.6 MPa降低了16.07%.RF属于植物纤维,其中的纤维素、半纤维素和木质素等均含有极性基团羟基,这种多羟基结构使得植物纤维具有很强的极性和亲水

图4 苎麻纤维对硬化水泥净浆界面弯拉强度的影响
Fig.4 Effects of ramie fiber on interfacial flexural‑tensile strength of hardened cement pastes

图5 苎麻纤维对水泥净浆自生变形的影响
Fig.5 Effects of ramie fiber on autogenous deformation of cement pastes

图6 水泥净浆7 d自生变形与苎麻纤维掺量的关系
Fig.6 Relationship between autogenous deformation of cement paste at 7 d and ramie fiber content

图7 苎麻纤维对水泥净浆干燥变形的影响
Fig.7 Effects of ramie fiber on drying deformation of cement pastes

图8 不同条件下苎麻纤维的FTIR图谱
Fig.8 FTIR spectra of ramie fiber under different conditions
(2)当龄期大于2.0 h时,各组试样的抗压强度均高于试样Control,且抗压强度随着RF掺量的增加呈先增大后减小的趋势,当RF掺量为0.50%时试样的28 d抗压强度最大(26.5 MPa),较试样Control提高了18.50%.这可能是因为直径小且密度低的RF在基体内部中分散较为均匀,起到了类似加强筋的作用,在基体受到荷载作用时与基体共同分散应
(1)2种条件下不同RF掺量硬化水泥净浆的界面弯拉强度均随着龄期的延长而增大.在无约束条件下,当龄期为0.5 h时,掺入RF降低了各试样的界面弯拉强度,1.00%RF掺量试样的界面弯拉强度为0.74 MPa;当龄期大于2.0 h时,各组试样的界面弯拉强度随着RF掺量的增加均呈先增大后减小的趋势,在RF掺量为0.50%时达到最大,但试样RF0.75和RF1.00的界面弯拉强度始终低于试样Control.其原因可能是:植物纤维中纤维素的作用主要是保证纤维的力学性能,半纤维素和果胶等部分则起到黏合剂的作
(2)在约束条件下,当龄期大于2.0 h时,硬化水泥净浆的界面弯拉强度均大于试样Control,且RF掺量小于0.75%时试样的界面弯拉强度均呈增大趋势.在约束条件下掺入RF更有利于试样界面弯拉强度的提高.试样RF0.75和RF1.00在28 d时的界面弯拉强度较试样Control分别提高了28.89%和20.00%,较无约束条件下的28 d界面弯拉强度分别提高了31.82%和35.00%.这可能是因为,在四周有约束的条件下RF吸水膨胀不仅会提高基体的密实度,抑制裂缝的产生,同时模板还能对试样施加一定的压力,使基体生成的水化产物紧密地填充在新旧水泥的界面黏结处,进而增强试样的界面弯拉强度.但在约束条件下的RF掺量不宜过大,过量的纤维(≥0.75%)不仅会取代界面中的基体材料,减小基体与旧水泥之间的接触面积,还会出现结团现象,削弱RF与基体间的黏结力,不利于界面弯拉强度的提高.
与自生变形不同的是,干燥变形是由水泥浆体内部和外部湿度交换时内部水分蒸发所引起的收缩变
由
(1)当RF的掺量从0%增加到1.00%时,试样干燥变形达到最大值的时间出现延迟,从7.03 h延长到12.94 h.这是因为RF掺量越大,其在水泥浆体中吸收的水分相应增大,从而在一定程度上减小了水泥水化过程中的用水量,延长了试样的膨胀时间.
(2)各试样的干燥变形同样均为膨胀变形,但与水泥净浆的自生变形曲线相比,干燥变形达到最大值后开始出现下降趋势,即膨胀量减小.试样Control、RF0.25、RF0.50、RF0.75、RF1.00的7 d干燥变形相比于其干燥变形峰值分别降低了106、107、130、160、164 μm/m.这是因为水泥浆体失去水分而产生毛细管压力,使得试样发生干燥收缩,抵消了部分膨胀变形,干燥变形缓慢减小.这与文献[
(1)1 618 c
(2)值得注意的是,将改性RF掺加至水泥浆体内养护3、28 d后,其特征谱带的透光度较未掺入水泥浆体内的改性RF无明显变化,3 433、1 025 c
(1)苎麻纤维(RF)增强硫铝酸盐水泥基材料的抗折强度、抗压强度随着RF掺量的增加呈先增大后减小趋势,在RF掺量为0.50%时达到最大值.在约束条件下,掺入RF对水泥浆体界面弯拉强度相较于无约束条件下的提升幅度更大.
(2)RF的掺入显著增加了水泥净浆的膨胀量,随着RF掺量的增加,膨胀变形逐渐增大.水泥净浆的自生变形与RF掺量具有很好的相关性.改性RF可以在水泥基材料的碱性环境中稳定发挥作用,提高试样的整体强度.
(3)从强度、韧性和体积变形3个方面综合考虑,RF掺量为0.50%时的效果最佳,此时该体系兼具良好的强度、黏结性能以及体积稳定性.
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