摻廢棄陶瓷纖維增強水泥基復合材料抗凍性能

吳立朋 宋建新 馮宇 通星晨

1.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室， 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院， 石家莊 050043

水泥基材料因具有取材方便、造價低、生產工藝成熟等優(yōu)點，被廣泛應用于土木工程領域。我國每年廢棄陶瓷超過1 000萬噸［1］，將廢棄陶瓷應用到水泥基材料制備中具有一定的環(huán)保價值。然而，水泥基材料受凍融循環(huán)影響易開裂［2］，摻入纖維有可能提高水泥基材料的力學性能和耐久性能。

學者們對纖維混凝土的抗凍性能有一些研究。Li等［3］運用微觀和細觀力學方法，通過摻入體積摻量不超過2%的PVA纖維，得到聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料。趙小明等［4］分析不同凍融次數下纖維混凝土試件相對動彈性模量及強度的變化規(guī)律，得出凍融循環(huán)次數相同時纖維摻量與強度正相關；相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數增加而逐漸減小，摻入4%（質量分數）的鋼纖維及0.05%（質量分數）的PVA纖維時，混凝土試件抗凍性能最優(yōu)。李林香等［5］研究了玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維對混凝土耐久性能的影響，發(fā)現三種纖維均可有效提高混凝土抗凍性能。楊才千等［6］對不同聚乙烯醇纖維摻量混凝土進行凍融循環(huán)試驗，得出摻入0.2% ～ 0.4%聚乙烯醇纖維可有效提高混凝土整體密實度和抗凍性能。

除了傳統(tǒng)研究方法外，聲發(fā)射技術［7-8］、X射線CT掃描技術［9-10］等技術也被用于研究纖維增強水泥基材料的抗凍性能。

本文用陶瓷粉替代一部分水泥，陶瓷砂替代普通河砂，在水泥基材料中摻入不同體積摻量的PVA纖維，制成摻PVA纖維和陶瓷粉的水泥基復合材料砂漿試件。通過凍融循環(huán)試驗、電化學阻抗測試和掃描電子顯微鏡觀察研究砂漿試件的凍融損傷規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥為P·I 42.5硅酸鹽水泥；廢棄陶瓷為瓷磚廠加工地板磚時產生的邊角料。將廢棄陶瓷地板磚破碎，用實驗室標準檢驗篩逐層篩選，得到粒徑0.01 ～0.25 mm的陶瓷砂。陶瓷粉為廢棄陶瓷經機械破碎和剛玉球研磨成的粉末，粒徑分布見表1。可見，陶瓷粉中粒徑小于20 μm的顆粒占82.3%。

表1 陶瓷粉粒徑分布

膠凝材料化學成分見表2。可見，陶瓷粉中SiO2和Al2O3含量遠大于水泥中相應含量。PVA纖維物理力學性能指標見表3。減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率為35%。

表2 膠凝材料化學成分

表3 PVA纖維物理力學性能指標

1.2 試件制備

陶瓷粉以等質量替代水泥的方式摻入，摻量分別為0%、5%、10%、20%、30%。PVA纖維摻量為體積摻量，以外摻方式摻入，摻量分別為1.0%、1.3%、1.6%、1.9%、2.2%。

水泥基復合材料砂漿試件（簡稱試件）配合比見表4。其中：P2.2表示PVA纖維摻量為2.2%，FT30表示復摻陶瓷粉和PVA纖維，PVA纖維摻量默認為2.2%，陶瓷粉摻量為30%，其他以此類推。陶瓷砂用作細骨料。本文研究纖維增強水泥基材料，砂膠比在0.3 ～ 0.9［11］。

表4 試件配合比

考慮到陶瓷砂顆粒孔隙率大，吸水性強，試件砂膠比取0.25，水膠比取0.31。

試件分為兩種：①電化學測試采用邊長100 mm的立方體試件；②質量損失率和相對動彈性模量測試采用400 mm（長）× 100 mm（寬）× 100 mm（高）的棱柱體試件。在室溫下養(yǎng)護24 h后拆模，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 d，然后放入（20 ± 2）℃水中浸泡4 d。

1.3 試驗方法

1.3.1 凍融循環(huán)試驗

將試件放置于多功能氣候實驗室中，按照GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法進行凍融循環(huán)試驗。

每隔20次凍融循環(huán)稱取試件的質量并進行動彈性模量測試。以3個平行試件測試結果的平均值作為該組試驗值。

1.3.2 阻抗參數測試

使用HIOKI IM3570精密阻抗分析儀測試。交流電的電壓設置為10 mV，頻率設置為4 Hz ～ 5 MHz。測試前將試件放入飽和氫氧化鈣溶液中進行真空飽水。使用雙電極測試各頻率下試件阻抗實部和虛部，對測試結果進行擬合，得到阻抗參數。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率

不同PVA纖維摻量下試件質量損失率隨凍融循環(huán)次數變化曲線見圖1。其中，試件質量損失率為凍融循環(huán)作用下試件質量變化量與未凍融時試件質量的比值，質量損失率為正表示凍融循環(huán)過程中因試件表面剝脫質量減小，質量損失率為負表示在凍融循環(huán)過程中試件因吸水質量增加。質量損失率越小，試件抗凍性能越好。

圖1 不同PVA纖維摻量下試件質量損失率隨凍融循環(huán)次數變化曲線

由圖1可知：①凍融循環(huán)20次時，各試件質量損失率為負值，說明在凍融循環(huán)初期試件吸入的水量大于所損失的。②凍融循環(huán)20 ～ 100次時試件質量損失率不斷增大，硬化漿體與陶瓷砂的黏結作用逐漸減弱，試件剝落越來越嚴重。③凍融循環(huán)100次時不同PVA纖維摻量試件質量損失率均未超過3.0%，P2.2試件質量損失率最小，其值為1.97%，這是因為纖維的橋接作用抑制了凍融損傷的擴展，減輕了試件的剝落。

不同陶瓷粉摻量下試件質量損失率隨凍融循環(huán)次數變化曲線見圖2。

圖2 不同陶瓷粉摻量下試件質量損失率隨凍融循環(huán)次數變化曲線

由圖2可知：①隨凍融循環(huán)次數增加，試件質量損失率在-0.38% ～ 1.97%。凍融循環(huán)20次時隨陶瓷粉摻量增加，試件質量損失率變化幅度小。原因是陶瓷粉中SiO2和Al2O3含量較高，且粒徑小于20 μm的顆粒占82.3%，陶瓷粉火山灰效應和微集料效應改善了試件的密實度，降低了滲透性和吸水性。與陶瓷粉摻量少的試件相比，摻量多的試件吸水量更少。②試件凍融循環(huán)100次時陶瓷摻量為30%試件質量損失率最小，試件的抗凍性能最好。隨陶瓷粉摻量減小，質量損失率增長緩慢。

2.2 相對動彈性模量

相對動彈性模量可用于表征試件抗凍性能。相對動彈性模量越大，試件抗凍性能越好。

不同PVA纖維摻量下試件相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數變化曲線見圖3。

圖3 不同PVA纖維摻量下試件相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數變化曲線

由圖3可知：①隨PVA纖維摻量降低，試件的相對動彈性模量下降幅度逐漸增大。②凍融循環(huán)20次前，試件的相對動彈性模量下降趨勢較緩和，20次后試件的相對動彈性模量下降幅度較明顯。③凍融100次時P2.2試件的相對動彈性模量最大，P1.0試件的相對動彈性模量最小，說明增加PVA纖維摻量可提升試件抗凍性能。

PVA纖維摻量2.2%，不同陶瓷粉摻量下試件的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數變化曲線見圖4。可知：凍融循環(huán)過程中不同陶瓷粉摻量試件的相對動彈性模量均大于未摻陶瓷粉試件。隨著陶瓷粉摻量增加，相對動彈性模量略有增加。這說明在PVA纖維摻量不變的情況下，隨著陶瓷粉摻量增加，試件抗凍性能有所提升。

圖4 不同陶瓷粉摻量下試件相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數變化曲線

2.3 阻抗參數分析

水泥基砂漿試件內部存在三種交流電導電路徑，即連續(xù)導電路徑（Continuous Conductive Path，CCP）、不連續(xù)導電路徑（Discontinuous Conductive Path，DCP）和“絕緣體”導電路徑（Insulator Conductive Path，ICP）［12］。連續(xù)導電路徑為連通孔，孔中有溶液；不連續(xù)導電路徑上有間斷點（水化產物顆粒或未水化顆粒）和被這些間斷點隔開的連通孔，孔中有溶液；“絕緣體”導電路徑上有電極間試件，試件通過電容傳導交流電。

考慮以上三種路徑并聯，可以得到試件的等效電路，見圖5。其中：RCCP為連續(xù)導電路徑上的電阻；RCP為不連續(xù)導電路徑上孔溶液電阻；CDP為不連續(xù)導電路徑上間斷點電容；CICP為“絕緣體”導電路徑上的電容。

圖5 試件等效電路

對測試的阻抗參數進行擬合，得到試件RCCP值隨凍融循環(huán)次數變化曲線，見圖6。

圖6 試件RCCP值隨凍融循環(huán)次數變化曲線

由圖6可知：①RCCP值隨凍融次數增加而減小，這是由于凍融會導致部分非連通處貫通。②PVA纖維摻量從2.2%降至1.0%時RCCP值逐漸減小。這是由于隨PVA纖維摻量減小，其橋接作用降低，凍脹力導致的新增孔隙增多。凍融循環(huán)100次時，P2.2試件RCCP值最大。③PVA纖維摻量固定，陶瓷粉從0增至30%時，RCCP值總體上逐漸上升。這是由于陶瓷粉的微集料效應和火山灰效應改善了試件密實度，孔隙率下降。

凍融循環(huán)后試件內部損傷情況見圖7。

圖7 凍融循環(huán)后試件內部微觀形貌

由圖7可見：①PVA纖維有脫落現象。雖然PVA纖維能夠和水泥基材料形成較強的黏結，但PVA纖維與基體的接觸面仍是抗凍薄弱部位。②隨著PVA纖維脫落，橋接作用失效，基體內部出現裂縫，微觀結構變得松散。

假定凍融過程中試件長度和面積恒定，孔隙溶液的特性沒有變化，即導電溶液的電導率不發(fā)生變化［13］。基于此假定，試件電阻變化反映出材料發(fā)生的損傷與孔隙結構發(fā)生的改變。試件抗凍性能用凍融損傷值（D）表征。D越小，試件抗凍性能越好。D的計算式為

式中：Dn為凍融循環(huán)n次時試件凍融損傷值；Rv，0、Rv，n分別為未凍融和凍融循環(huán)n次時試件體積電阻。

凍融循環(huán)n次時試件體積電阻（Rv，n）計算式為

將各試件不同凍融循環(huán)次數下RCCP值和RCP值代入式（2）和式（1），得到不同凍融循環(huán)次數下各試件的D。

D隨凍融循環(huán)次數變化曲線見圖8。可知：①相同凍融循環(huán)次數下D總體上隨PVA纖維摻量減小而增大。凍融循環(huán)100次時，P2.2試件的D最小。②PVA纖維摻量固定，凍融循環(huán)100次時不摻、陶瓷粉摻量30%時D分別為22.13%、11.89%，說明采用陶瓷粉替代部分水泥可以提高試件的抗凍性能。

圖8 D隨凍融循環(huán)次數變化曲線

3 結論

1）陶瓷粉中SiO2和Al2O3含量遠大于水泥中相應含量，且粒徑小于20 μm的顆粒占82.3%，火山灰效應和微集料效應可改善試件密實度，使該復合材料的抗凍性能得以提升。

2）PVA纖維摻量為2.2%，陶瓷粉摻量為30%，凍融循環(huán)100次時試件質量損失率最小，相對動彈性模量最大，連續(xù)導電路徑電阻最大，凍融損傷程度最小。

3）PVA纖維和基體的接觸面是該復合材料抗凍薄弱部位，遭受凍融循環(huán)作用時易破壞。