摻聚丙烯纖維的堿礦渣粉煤灰混凝土抗碳化性能及微結構

蘇　英，魏曉超，王迎斌，王熊玨，王志虎，曾三海，賀行洋

(湖北工業大學土木工程與建筑學院，武漢　430068)

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摻聚丙烯纖維的堿礦渣粉煤灰混凝土抗碳化性能及微結構

蘇英，魏曉超，王迎斌，王熊玨，王志虎，曾三海，賀行洋

(湖北工業大學土木工程與建筑學院，武漢430068)

本文研究了聚丙烯纖維對堿礦渣混凝土抗碳化性能及堿礦渣硬化水泥漿體微觀孔結構的影響，對硬化堿礦渣漿體的孔隙率、堿礦渣混凝土水化產物以及碳化深度進行了測試。結果表明，聚丙烯纖維能改善堿礦渣混凝土的微孔結構與抗碳化性能。當聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時，堿礦渣混凝土28 d齡期的孔隙率降低1%，碳化深度降低25.9%,且隨纖維摻率的提高，其抗碳化性能提高更加明顯。SEM分析結果表明，纖維與硬化漿體緊密結合并有效改善硬化漿體的孔結構，而粉煤灰的摻入使硬化漿體的結構變得較為疏松。

聚丙烯纖維； 堿礦渣混凝土； 抗碳化性能

1　引　言

堿礦渣水泥是由磨細水淬高爐礦渣(鋼渣、磷渣等)和堿金屬類堿性激發劑混合形成的一種高性能膠凝材料[1,2]。堿礦渣混凝土與傳統硅酸鹽混凝土相比具有早強高強，抗腐蝕性能和耐久性能優良等特點[3,4]，同時可以提高工業廢渣的利用率，節省自然資源，保護生態環境。但抗碳化性能差、易收縮開裂[5]等缺點限制了其推廣和應用。Bakharev[6]研究指出已碳化混凝土的pH值僅為8.5或更低，遠低于鋼筋表面鈍化膜穩定存在的pH值(pH=11.5)。當混凝土碳化深度到達鋼筋表面時，鋼筋表面的鈍化膜就會被破壞，導致鋼筋銹蝕、混凝土開裂破壞[7]。

聚丙烯纖維是一種新型的有機纖維材料，具有彈性模量高、拉伸極限和拉伸強度高等優良特性,在改善堿礦渣混凝土收縮開裂方面具有優良的效果[8]，但關于其對堿礦渣混凝土抗碳化性能影響的研究較少。本文通過改變聚丙烯纖維摻率，研究不同纖維摻率下，堿礦渣混凝土微觀孔結構及其抗碳化性能的變化規律。

2　實　驗

2.1原材料

礦渣：首鋼磨細礦渣粉，其堿度系數為1.15，屬于堿性礦渣；粉煤灰：石景山熱電廠排放的二級灰，需水量98%，燒失量6.2%，礦渣與粉煤灰的化學組成及基本物理性能見表1；聚丙烯纖維：中國紡織科學研究院生產的混凝土專用聚丙烯纖維，該纖維物理力學性能優異，抗壓強度大于400 MPa，極限伸長率達15%，彈性模量大于3500 MPa；硅酸鈉水玻璃：模數1.4，比重1.543；粗集料：密云5～25 mm連續級配碎石；細集料：密云河砂，表觀密度2659 kg/m3，細度模數2.7；水泥：冀東P·O 52.5普通硅酸鹽水泥；化學外加劑：堿礦渣混凝土采用新型復合緩凝劑，硅酸鹽混凝土采用FDN高效減水劑；水：自來水。

表1礦渣和粉煤灰的化學組成及物理性能

Tab.1Chemical composition and physical properties of slag and fly ash

MineralspeciesChemicalcomposition(%)SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2OTiO2SpecificgravitySpecificsurfacearea(m2/kg)Slag33.5611.400.3340.3911.200.370.570.571.342.87400Flyash42.8541.264.323.890.560.162.14467

2.2實驗研究方案

堿礦渣混凝土和硅酸鹽混凝土采用等量的膠凝材料475 kg/m3、水膠比0.44，容重分別為2450 kg/m3、2420 kg/m3。為了調節堿礦渣混凝土的凝結時間以滿足實驗需求，故使用實驗室自制的復合緩凝劑，緩凝劑用量為1.5%；硅酸鹽混凝土使用FDN減水劑對其工作性能進行調整，摻量為膠凝材料的1.2%。具體實驗編號與方案如表2所示。

表2堿礦渣混凝土和硅酸鹽水泥混凝土配合比設計

Tab.2The mix proportions of alkali slag concrete and cement concrete

No.Slag/%Flyash/%Fiber/kg/m3SandratioRetarder/%No.P·O/%Flyash/%Fiber/kg·m-3SandratioFDN/%J1100000.41.5C1100000.41.2J2752500.41.5C2752500.41.2J310000.90.41.5C310000.90.41.2J410001.80.41.5C410001.80.41.2J575250.90.41.5C575250.90.41.2J675251.80.41.5C675251.80.41.2

2.3實驗方法

2.3.1碳化實驗和高壓壓汞測孔實驗

碳化實驗按GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》規定進行，試件尺寸采用100 mm×100 mm×400 mm。高壓壓汞測孔實驗按GB/T21650《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》規定進行。

2.3.2X-射線衍射分析(XRD)實驗

采用日本理光(Rigaku)公司生產的D/MAX-IIIA型X射線衍射儀進行測試。儀器參數：銅耙(Cu Kα)，石墨單色器濾波，加速電壓為37.5 kV，電流為40 mA，最大功率3 kW，掃描角度范圍5°～80°，掃描速度為8°/min，步寬0.02°。

2.3.3掃描電鏡/能譜分析(SEM-EDS)實驗

研究采用中科院儀器公司生產的KYKY-2008B掃描電鏡/能譜分析儀，放大倍數為50～3000倍。儀器測試參數：電流80mA，電壓20 kV。

3　結果與討論

3.1碳化深度

圖1　28 d齡期混凝土的碳化深度Fig.1　Carbonation depth of concretes after 28 d curing

混凝土28 d齡期的碳化深度如圖1所示。由圖可知，堿礦渣混凝土28 d齡期的碳化深度較硅酸鹽水泥混凝土大，說明堿礦渣混凝土抗碳化能力明顯低于硅酸鹽混凝土。例如，J1樣品碳化深度是C1樣品的28倍。粉煤灰的摻入使混凝土28 d齡期的碳化深度增大。其中，J2混凝土的碳化深度較J1混凝土增加10%，而C2混凝土則相對C1混凝土增加200%。這主要是由于水泥漿體在硬化早期，由于粉煤灰的加入導致孔隙率有所增加，為CO2的提供了侵入通道所導致。

聚丙烯纖維的摻入能夠抑制混凝土28 d齡期的碳化深度，隨纖維摻量增加對碳化速度的抑制作用增強。當纖維摻量為0.9 kg/m3時，J3混凝土碳化深度較J1混凝土降低25.9%，C3混凝土較C1混凝土降低約30%；當摻量為1.8 kg/m3時，J4混凝土較J1混凝土降低27%，C3混凝土較C1混凝土降低約60%。聚丙烯纖維可均勻分布在硬化漿體中，并能夠形成網架結構，抑制骨料的下沉，降低混凝土泌水現象的發生機率，從而提高硬化漿體的密實度。同時，纖維的摻入可降低硬化漿體中的毛細孔數量。其次，纖維能夠有效降低硬化漿體中裂縫的生成與擴展機率，并阻斷裂紋之間的連通。因此纖維的加入能夠阻塞CO2的擴散通道，有效降低混凝土的碳化深度。

聚丙烯纖維和粉煤灰復摻，混凝土的碳化深度較單摻聚丙烯纖維時碳化深度大幅增加。由于粉煤灰的活性較低，只有表層發生水化反應，生成的水化產物少，不能有效填充纖維與硬化漿體間的孔隙，CO2的擴散通道較多。因此，混凝土的碳化深度增加。

3.2孔隙率

混凝土的耐久性與硬化水泥漿體內部的孔隙結構有關[9]，本文對硬化堿礦渣漿體與硬化硅酸鹽水泥漿體采用壓汞測孔法進行孔結構試驗。為了排除集料對測試結果的影響，因此采用凈漿進行測試。表3為硬化漿體孔隙率測試結果。

表3硬化漿體的孔隙率

Tab.3Porosity of hardened paste/%

No.1d3d28dNo.1d3d28dJ136.3930.7018.87C133.2923.3618.38J235.8533.5423.76C234.9228.7120.45J333.9329.4718.70C336.9022.5016.78J431.8727.6517.54C435.3220.4115.22J536.7932.9924.41C533.2931.2718.84J637.8234.4525.62C634.3632.6819.47

由表3可知，堿礦渣混凝土各齡期的孔隙率較硅酸鹽水泥混凝土均有不同程度的提升；粉煤灰對堿礦渣和硅酸鹽混凝土各齡期的孔隙率影響規律基本形同，均提高其孔隙率，但聚丙烯纖維則降低其孔隙率，且隨纖維摻量的增加孔隙率降低幅度更大；當復摻粉煤灰和纖維時，混凝土的孔隙率較單摻粉煤灰時基本相當，但較單摻纖維時卻大幅提高。

3.3XRD分析

J1硬化堿礦渣漿體與C1硬化硅酸鹽水泥漿體28 d齡期的XRD圖譜如圖2、3所示。對比J1、C1硬化水泥漿體的XRD圖譜可知，J1硬化水泥漿體的主要水化產物為無定型的水化硅酸鈣，而C1硬化水泥漿體的主要水化產物為水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣晶體。據Bakharev T[6]研究表明Ca(OH)2晶體占硅酸鹽水泥水化產物的比例約為20%～25%。當硅酸鹽混凝土遭受碳化時，其孔溶液中的鈣離子逐漸被消耗，硅酸鹽混凝土中大量的Ca(OH)2晶體可以再溶出以補充孔溶液中的鈣離子；即硅酸鹽混凝土中大量的氫氧化鈣可作為吸收二氧化碳的資源儲備，不斷地向孔溶液中補充輸送Ca(OH)2，因此其碳化速度較慢。堿礦渣混凝土的水化產物無Ca(OH)2晶體儲備，因而其碳化速度較快。

圖2　J1混凝土的XRD圖譜 Fig.2　XRD patterns of J1 concrete

圖3　C1混凝土的XRD圖譜Fig.3　XRD patterns of C1 concrete

3.4SEM分析

圖4為堿礦渣樣品水化28 d后硬化漿體的SEM照片。通過觀察J1發現硬化漿體結構較為疏松，并具有較大的孔隙，有利于CO2在體系內部的擴散，說明其抗碳化能力相對較差。摻加纖維后的樣品J4中，纖維呈亂向分布，能夠與硬化漿體緊密結合，并且硬化漿體的結構較為致密，孔隙相對較少，CO2侵入的通道被阻塞，因此其抗碳化能力較高。J5樣品中，由于粉煤灰的加入，可明顯發現孔隙相對J4有所增大。通過對SEM分析發現，纖維的摻入能有效改善硬化漿體的密實度，降低孔隙率，而粉煤灰的摻入提高了硬化漿體的孔隙率。測試結果與孔隙率測試結果相吻合，并較好的證明了兩種物質對碳化程度影響的測試結果。

圖4　堿礦渣硬化漿體的SEM照片(a)J1,(500×)28 d;(b)J4,(300×)28 d;(c)J5,(100×)28 dFig.4　SEM images of the hardened paste of alkali activated slag

4　結　論

通過測試聚丙烯纖維對堿礦渣與普通硅酸鹽水泥混凝土性能的影響，可以得到以下結論：

(1)堿礦渣混凝土的碳化深度明顯大于硅酸鹽水泥混凝土的碳化深度；

(2)聚丙烯纖維能顯著改善堿礦渣混凝土的孔結構與抗碳化性能。當纖維摻量為0.9 kg/m3時，28 d齡期孔隙率降低1%，碳化深度降低25.9%，并隨纖維摻率的提高抗碳化性能有增強的趨勢；

(3)聚丙烯纖維和粉煤灰復摻使堿礦渣混凝土孔隙率與碳化深度增大，且隨纖維摻率的提高而不斷增加。

[1]蒲心誠.堿礦渣水泥與混凝土[M].科學出版社,2010.4.

[2]何文敏,陳拴發,張學鋼.聚丙烯纖維增強混凝土研究進展[J].化工新型材料,2013,(03):130-132

[3]陳喬.堿礦渣混凝土氯離子滲透及鋼筋銹蝕性能研究[D].重慶:重慶大學學位論文,2008.

[4]沈寶鏡.堿激發礦渣水泥抗海水侵蝕性能的研究[D].西安:西安建筑科技大學學位論文,2011．

[5]屠柳青.高性能補償收縮混凝土碳化行為與機理研究[D].武漢:武漢理工大學學位論文,2011.

[6]Bakhrev T.Resistence of alkali-activated slag concrete to carbonation[J].CementandConcreteResearch,2001,31：1277-1283．

[7]何娟.堿礦渣水泥石碳化行為及機理研究[D].重慶:重慶大學學位論文,2011．

[8]王維才,饒福才,唐和俊，等.堿礦渣混凝土干燥收縮性能與預測模型研究[J].建筑科學,2013,02:161-164.

[9]劉臣.合成纖維增強混凝土抗沖擊性能實驗研究[D].南寧:廣西大學學位論文,2012.

Performance of Carbonation Resistance and Micro-structure of Alkali Slag and Fly Ash Concrete with Polypropylene Fiber

SUYing,WEIXiao-chao,WANGYing-bin,WANGXiong-jue,WANGZhi-hu,ZENGSan-hai,HEXing-yang

(School of Civil Engineering and Architecture,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

The effect of polypropylene fiber on the anti-carbonation performance and micro-structure of alkali activated slag concrete(AASC) was investigated. The porosity of hardened alkali activated slag (AAS) paste and the hydration products and carbonation depth of AASC have been tested. The results showed that polypropylene fiber could improve anti-carbonation performance and micro-structure of AASC. When the polypropylene fiber was 0.9 kg/m3, the porosity of AASC with the age of 28 d decreased by 1%, the depth of AASC decreased by 25.9%，and the performance of carbonation resistance improved with the increasing of polypropylene fiber. The results of SEM analysis demonstrated that the fiber closely integrated with hardened paste could effectively improve the pore structure of the hardened paste, but adding fly ash made the structure of the hardened paste more looser.

polypropylene fibers;alkali slag concrete;carbonation resistance

國家自然科學基金(51372076)；湖北省科技支撐計劃項目(2014BCB027)

蘇英(1975-)，女，博士，副教授.主要從事新型建筑材料的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1481-05