復摻GO 與鋼纖維對UHPC性能的影響研究

俞韶秋,李國鋒,羅紹文,馬國民

(云南富龍高速公路建設指揮部,昆明650032)

一直以來,耐久性都是限制水泥基材料在高腐蝕環境下服役壽命的一個重要因素。混凝土的耐久性失效會對經濟建設和生態環境的保護產生負面影響,情況嚴重時還可能會威脅到國家和人民的安全[1]。超高性能混凝土(UHPC)自出現以來,憑借超高的強度、韌性以及十分出色的耐久性能,成為了建筑材料領域的關注熱點。根據現有的研究進展以及國內原材料的實際情況,宜選用52.5級水泥、活性較高的硅灰、超細礦粉等摻合料、高效減水劑,并采用0.25以下的極低水膠比進行配置,得到的UHPC 具有優異的耐久性能和力學性能。

自GO 誕生以來,其在水泥基材料中的應用一直是研究熱點之一。根據現有研究基礎,G0的摻入可以增加水泥凈漿的流動性；還可以促進水泥水化,細化氫氧化鈣晶粒,改善界面過渡區；同時調控水化產物形貌,使得水化過程中產生花朵狀晶體,這些晶體在水泥孔隙處形成相互交聯的空間結構,從而顯著提升水泥基材料的力學性能[2]。

然而關于GO 在水泥基材料中的應用研究主要集中在普通水泥基材料,目前關于GO 對UHPC力學性能、自密實性能以及耐久性的影響研究還較少。該文在超高性能水泥基材料體系中引入GO,研究GO 復摻鋼纖維對UHPC強度和自密實性能的影響,旨在滿足UHPC自密實性能的前提下,找到GO 和鋼纖維最適宜的摻量,并測試復摻GO 與鋼纖維對UHPC性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料及試樣制備

實驗采用的原材料包括:OPC CEM I 52.5.N 級普通硅酸鹽水泥、超細礦粉、JD-FA2000減水型摻合料、硅灰、鋼纖維、氧化石墨烯、石英砂。所制備的超高性能混凝土漿體的水膠比(w/b)均為0.2,膠砂比為1.18∶1。水泥、超細礦粉、硅灰、JD-FA2000減水型摻合料的化學組成如表1所示。其中水泥、超細礦粉、硅灰、JD-FA2000減水型摻合料的平均粒徑(D50)分別為8μm,2μm,0.15μm,3μm；鋼纖維長度為13 mm,密度為7.8 kg/m3；氧化石墨烯(GO)由蘇州碳豐科技生產；石英砂的粒徑為0.15～2.36 mm。

表1 膠凝材料化學組成 w/%

1.2 試驗配比及測試方法

1)試驗配比

為了研究氧化石墨烯及鋼纖維對超高性能混凝土力學性能、流動性能、耐久性的影響,試驗設計了4組試驗,具體的配合比如表2所示。其中,GO、鋼纖維的摻入比例均為水泥用量的質量比。

表2 超高性能混凝土的配合比 /g

2)測試方法

力學性能測試參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》,進行砂漿抗壓強度的測試。制備的水泥砂漿裝入40 mm×40 mm×160 mm 的模具中成型,表面覆蓋保鮮膜以防止水分蒸發,放置在環境溫度為(20±1)℃室內養護24 h后拆模,然后用保鮮膜密封,置于溫度為(20±1)℃,濕度≥98%的環境中養護至規定齡期以備抗壓強度測試。抗壓強度采用全自動壓力機測試,加載速率為50 N/s,每一組配比制備三個試樣,測試結果取平均值。

流動性測試試驗參照國家標準GB/T 2419—2005的方法進行,將新拌漿體分兩次裝入截錐圓模(上口直徑70 mm,下口直徑100 mm,高度60 mm)中,并用搗棒搗壓,最后置于跳桌上跳動25次,利用卡尺測量底面相互垂直的兩個方向直徑,結果取平均值。

耐久性測試包括:抗氯離子滲透性能參照國家標準GB/T50082—2009的RCM 法；UHPC 的干燥收縮性能參照國家標準JC/T 603—2004。抗硫酸鹽侵蝕性能參照國家標準JGJ/T193—2009,選用質量濃度為10%的硫酸鈉溶液作為侵蝕溶液,將成型的試樣分別置于清水、硫酸鈉侵蝕溶液,測試其在60 d、105 d、150 d的抗壓強度變化,并計算試樣的抗蝕系數。抗侵蝕系數K 計算公式如下所示

其中,M 1,M 2分別為試塊在清水與侵蝕溶液中的抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

如圖1所示,與空白組相比(3 d強度為77.6 MPa,28 d強度為121.9 MPa),單摻0.03%的GO 可以明顯提高UHPC 的抗壓強度,其中3 d、28 d強度分別增加了9%、5%。原因是因為GO 的摻入將會細化孔徑,降低混凝土的孔隙率,增加結構的致密性；同時GO在水泥水化過程中起晶核效應,促進水化產物(Ca(OH)2,C-S-H gel)的生成,并作為模板調控水化產物晶體形貌,形成花朵狀晶體,這些花朵狀晶體可以在水泥孔隙處形成相互交聯的空間結構[3]。復摻0.02%與4.3%的鋼纖維可以進一步提高UHPC 的抗壓強度,與空白組相比,3 d、28 d 的抗壓強度分別增加了17%、14.5%。原因是因為鋼纖維的加入能夠在水泥基體中形成網狀結構,增加硬化水泥漿體的粘結力,減少裂縫,從而提高UHPC 的強度。保持GO 的摻量不變,增加鋼纖維的摻量,UHPC 的強度繼續增加,28 d的強度達到154 MPa。以上結果說明,GO 復摻鋼纖維對超高性能混凝土強度具有更好的增強作用。

2.2 流動度

圖2為摻入GO 及鋼纖維的UHPC 流動度。從圖2可以看出,與空白組相比(285 mm),單摻GO 的UHPC流動性明顯降低(降低8%)。原因是由于GO 顆粒粒徑較小,比表面積較大,它的加入會吸附大量的水分子,減少水泥漿體中自由水的含量,使得漿體的粘度和屈服應力增加,導致漿體流動度降低。另一方面,GO 中含有羥基、環氧基和羧基等活性和親水性官能團,將會加速水泥凝固,起到增稠促凝的作用,降低漿體的流動性。復摻鋼纖維將會繼續降低UHPC的流動度,原因是因為纖維的加入會在水泥漿體內部搭接成緊密的網狀結構[4],阻礙了漿體的自由流動,造成漿體流動度急劇下降。

2.3 UHPC抗氯離子滲透性能

表3為A1、A2和A3試樣的氯離子擴散系數。從表3可以看出,空白組的氯離子擴散系數為2.48×10-13m2/s,具有良好的抗氯離子滲透性能。一方面是因為UHPC采用的水膠比(0.2)較低,而且摻入大量由硅灰、超細礦粉、粉煤灰等組成的混合礦物摻合料,可以填充孔隙,同時火山灰效應可以消耗大量的Ca(OH)2,增加水化產物中C-S-H 凝膠的含量,改善界面過渡區,從而降低內部孔隙率,提高UHPC 抗滲透性。與空白組相比,單摻GO 可以降低UHPC的氯離子擴散系數,提高抗滲性。原因主要是GO 將會細化孔徑,降低混凝土的孔隙率,增加結構的致密性；同時GO 在水泥水化過程中起晶核效應,促進Ca(OH)2與C-S-H 的生成。復摻鋼纖維進一步降低UHPC氯離子滲透系數,因為鋼纖維的加入可以抑制UHPC早期收縮開裂,進一步提高混凝土的密實度,從而降低氯離子滲透系數。

表3 氯離子擴散系數

2.4 收縮性能

圖3為A1、A2和A3試樣的干縮率。從圖3中可以看出,28 d之前,三組試樣的干縮率均隨著齡期的增加呈現近似線性增長,而到28 d之后,試樣干縮率增加幅度減小并逐漸趨于平衡,這是因為UHPC 早期水化慢,內部結構不夠致密,導致毛細孔中的水分擴散到混凝土表面,然后被蒸發到空氣中。隨著水化時間的延長,水泥水化程度增加,孔隙率降低,結構致密,毛細孔中水分的擴散被抑制,收縮率降低。相對于空白組,單摻GO 可以降低UHPC的干燥收縮,原因在于GO 的加入細化硬化水泥漿體內部的孔結構,降低孔隙率,增加密實度,從而減少材料內部水分的蒸發。復摻鋼纖維進一步降低UHPC 的干燥收縮,這是由于鋼纖維可以在UHPC內部形成亂向分布的三維結構,阻礙了材料內部的水分流動,且鋼纖維的橋接阻裂作用可以抑制UHPC 收縮[5]。從結果可以得出,GO 復摻鋼纖維對抑制UHPC干縮率是有利的。

2.5 抗硫酸鹽侵蝕性能

A1、A2和A3試樣在不同侵蝕介質中的抗壓強度、侵蝕系數如表4所示。從表中可以看出,在Na2SO4侵蝕溶液中養護的純UHPC試樣抗壓強度隨著養護齡期的增加呈現先增長后降低的趨勢,但都高于在水中養護的強度,原因是因為Na2SO4的引入可以激發礦粉、硅灰、粉煤灰的火山灰反應,從而產生大量網狀C-S-H凝膠,促進強度進一步增加。然而,侵蝕5個月后空白試樣強度降低,這是由于溶液中的SO2-4水化產生的Ca(OH)2反應,生成無膠結能力的石膏,導致強度降低。復摻GO 與鋼纖維明顯提高UHPC在硫酸鈉溶液中的抗壓強度,并且隨著齡期的增加,抗壓強度也逐漸增加,在5個月后未出現降低的趨勢。結合抗氯離子滲透性試驗可知,GO 及鋼纖維可以降低混凝土的孔隙率,提高抗滲性,從而抑制了SO2-4的侵入,提高UHPC抗硫酸鹽侵蝕。同時,從表4中可以看出,單摻GO、復摻GO 與鋼纖維試樣的抗蝕系數均高于空白組,表明GO 及鋼纖維的摻入對改善UHPC的抗硫酸鹽侵蝕性能是有利的。

表4 A1、A2和A3在不同侵蝕介質中的抗壓強度和侵蝕系數

3 結 論

a.GO 與鋼纖維復摻能夠提高UHPC的力學性能,但是會降低漿體的流動度,且隨著鋼纖維摻量的增加,流動度明顯降低。

b.復摻GO 及鋼纖維可以提高UHPC抗滲性,降低干燥收縮,提高抗硫酸鹽侵蝕能力。