碳纖維復合漿液水化過程微觀結構分析

高書文　　楊　坪，2

(1．同濟大學土木工程學院，上海　200092;　2．巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海　200092)

?

·建筑材料及應用·

碳纖維復合漿液水化過程微觀結構分析

高書文1楊坪1，2

(1．同濟大學土木工程學院，上海200092;2．巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092)

摘要:按一定比例配制了碳纖維復合漿液，并對不同齡期的結石體進行掃描電鏡試驗，研究了其水化過程微觀結構，試驗結果表明，碳纖維在漿液中的分布具有隨機性，隨著齡期增加其水化程度更高、水化產物含量增加。

關鍵詞:碳纖維，復合漿液，掃描電鏡，微觀結構

水泥作為注漿材料具有來源廣泛、價格低廉等優點被廣泛的應用于注漿工程中。由于純水泥漿液的初凝時間較長，且會在注漿過程中因為析水而影響注漿的效果，因此需要配制速凝的水泥漿液從而能夠應對更多的工況。添加劑能夠改變漿液的流動性、初凝時間及其凝結后的強度，其中鋁酸鈉、硅酸鈉、氯化鈣能夠促進漿液的水化從而起到速凝和早強的效果［1］。纖維素則有增稠的作用能夠改變漿液的初始粘度和析水特性，增加漿液的稠度使其流動性降低［2，3］。碳纖維具有質量輕、高強度、高比模和耐腐蝕性能等特點［4］，能夠增強混凝土的強度和韌性［5，6］。杜寧等［7］為了比較清水混凝土的耐久性，在清水混凝土中加上不同摻合料進行電鏡掃描，研究不同原材料對清水混凝土使用性能的影響。呂鵬等［8］采用掃描電鏡對硅酸鹽水泥的早期水化過程進行研究，對其早期水化過程進行分析。王剛等［9］在灌漿材料中加入碳纖維對漿液的流動性和結石體的強度進行了研究，試驗表明碳纖維對結石體的強度起到增強的作用。王勝等［10］對密閉條件下的硅酸鹽水泥的凝固特性進行研究，研究分析其不同齡期的水化產物。本文基于普通水泥漿液加入添加劑(鋁酸鈉、硅酸鈉、氯化鈣)、纖維素和碳纖維配制碳纖維復合漿液，碳纖維復合漿液具有速凝、早強的作用，能夠滿足更多的注漿工程。通過掃描電子顯微鏡，從微觀的角度研究碳纖維在漿液中的分布情況，并研究復合漿液在水化過程的微結構變化。

1　試驗材料和試驗方案

試驗材料為水泥(海螺牌42．5R)、短切碳纖維(4 mm～6 mm)。通過對比試驗的方法研究碳纖維復合漿液在不同齡期的產物種類及其晶體生長情況，以及碳纖維對漿液加固效果。由于速凝劑、纖維素對水泥基漿液的水化效果有一定的影響，同時碳纖維對凝結體有一定的加固效果，因此設計了3組試驗并配制碳纖維復合漿液和水泥漿液，具體方案如表1所示。其中添加劑主要成分為鋁酸鈉、硅酸鈉、氯化鈣和纖維素，其配比為鋁酸鈉60%、硅酸鈉20%、氯化鈣6%、纖維素14%，這一配比可以使漿液水灰比在0．6～1．2的范圍內初凝時間從幾十秒到幾個小時。

表1　漿液配比方案

2　試驗步驟

2．1配制漿液

根據試驗方案進行漿液的配制，然后等待其初凝后進行水養護。加入速凝劑的漿液可以在半小時內初凝，而未加入速凝劑的試樣需要1 d～3 d的時間才能初凝，由于水灰比較大為0．7，在拿放時需要注意防止對試樣有擾動。

2．2制樣

用美工刀將凝膠體削成長寬高為14 mm，6 mm，5 mm大小的試樣，選樣過程中要在試塊的不同區位選取多個樣品，并小心制作。

2．3樣品脫水和干燥

樣品一般采用烘干的方式去水，由于考慮到烘干會對試樣水化產生影響，故對其采用低溫干燥的方法。利用低溫干燥設備，

2．4掃描電鏡試驗

根據掃描電子顯微鏡的操作步驟進行操作，將試樣待觀察面噴金粉，然后放入到儀器樣品臺進行掃描電鏡試驗。試驗中選取合適的點并放大到一定倍數，從而獲得需要的電鏡掃描圖片。

3　試驗結果和討論

3．1碳纖維的分布情況

圖1　試驗組1-7 d-200倍

圖2　試驗組2-7 d-200倍

碳纖維在加入水泥基漿液后進行了充分的攪拌，分散在了漿液的各個部分，其分布具有隨機性，如圖1和圖2所示，其中碳纖維的長度為4 mm～6 mm。如圖1，圖2所示，兩組圖片都是放大200倍的掃描電鏡圖片，可以看出碳纖維的分布具有隨機性，每一根碳纖維的朝向都不相同。

3．2碳纖維復合漿液不同齡期水化產物

漿液在加入速凝劑后能夠快速凝結，生成微細針狀鈣礬石和六角板狀晶體氫氧化鈣，這些晶體生長并分布于水泥顆粒間，交叉連成網狀結構，從而導致水泥漿速凝。通過對水化1 d，7 d，14 d，28 d的試樣進行電鏡掃描，得到放大3 000倍的掃描電鏡圖片，見圖3～圖6。

圖3　試驗組3-1 d-3 000倍

圖4　試驗組3-7 d-3 000倍

如圖3所示，加入速凝劑的水泥漿液在1 d的時候就已經有較高的水化程度，形成了少量針狀的鈣礬石、片狀的氫氧化鈣晶體以及C-S-H凝膠體，但其空間結構較為松散。如圖4所示，加入速凝劑的漿液經過7 d的水化反應較為徹底，C-S-H凝膠體增多且試樣內部更加致密，并且可以看到細針狀的鈣礬石連在微小孔隙之間。當水化進行14 d的時候，試樣內形成較大的氫氧化鈣晶體，同時C-S-H凝膠體的增加使得試樣較7 d更加致密。28 d齡期時，除了較小的氫氧化鈣晶體其他的空間都被C-S-H凝膠占據，使得混凝土更加密實。總的來說，隨著齡期的增加，漿液的水化作用越來越充分，從而使混凝土形成了更多的晶體和C-S-H凝膠，最終孔隙被水化產物填充使混凝土的強度不斷提高。

圖5　試驗組3-14 d-3 000倍

圖6　試驗組3-28 d-3 000倍

4　結語

1)碳纖維在復合漿液中的分布具有隨機性，每一根碳纖維的朝向都不相同。2)加入速凝劑的水泥漿液能夠快速水化形成針狀的鈣礬石、片狀的氫氧化鈣晶體以及C-S-H凝膠體，隨著齡期的增加，漿液的水化作用越來越充分，從而使得混凝土形成了更多的晶體和C-S-H凝膠，最終孔隙被水化產物填充使得混凝土的強度不斷地提高。

參考文獻:

［1］ M SARIC-CORIC，K H KHAYAT，A TAGNIT-HAMOU．Performance characteristics of cement grouts made with various combinations of high-range water reducer and cellulose-based viscosity modifier［J］．Cement and Concrete Research，2003 (33):1999-2008．

［2］ 唐明，李曉明．羥丙基甲基纖維素對水泥基材料的改善效應［J］．混凝土，2009(10):50-52．

［3］張國防，王培銘．羥乙基甲基纖維素對水泥水化的影響［J］．同濟大學學報(自然科學版)，2009(3):369-373．

［4］ 孫微，賀福．碳纖維復合材料在海底油田領域中的應用［J］．高科技纖維與應用，2009(2):35-37，41．

［5］D D L CHUNG．Cement reinforced with short carbon fibers:a multifunctional material［J］．Composites Part B-Engineering，2000(31):511-526．

［6］李為民，許金余，翟毅，等．沖擊荷載作用下碳纖維混凝土的力學性能［J］．土木工程學報，2009(2):24-30，38．

［7］ 杜寧，徐偉．不同配合比清水混凝土的微觀分析［J］．建筑施工，2005(4):61-64．

［8］ 呂鵬，翟建平，聶榮，等．環境掃描電鏡用于硅酸鹽水泥早期水化的研究［J］．硅酸鹽學報，2004(4):530-536．

［9］ 王剛，裴向軍，楊珂．碳纖維增強型灌漿材料實驗研究［J］．地質災害與環境保護，2013(3):109-112．

［10］ 王勝，陳禮儀，汪彥樞，等．密閉條件下硅酸鹽水泥凝固特性［J］．成都理工大學學報(自然科學版)，2014(2):237-242．

中圖分類號:TU528．58

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0106-02

收稿日期:2016-04-09

作者簡介:高書文(1991-)，男，在讀碩士將樣品內的水分升華進行干燥，能夠解決烘干過程中的水化作用，同時也不會因為冷凍產生的冰晶對樣品的結構造成破壞。待樣品低溫真空干燥后，將其放入到干燥箱內，保證樣品處于干燥狀態。

Analysis of microstructure on carbon fiber composite grouts in process of hydration

Gao Shuwen1Yang Ping1，2
(1．Civil Engineering College of Tongji University，Shanghai 200092，China; 2．Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry Education，Shanghai 200092，China)

Abstract:The paper prepares carbon fiber composite seriflux according to certain ratio，carries out scanning electron microscopy test for the consolidation body with different ages，and studies its hydration process microstructure．The testing results show that:the carbon fiber distribution in the seriflux is random，with the age growing，the hydration degree will be higher and higher，the hydration products content will increase too．

Key words:carbon fiber，composite seriflux，scanning electron microscopy，microstructure