第24卷 第6期2002年6月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYV ol.24 No.6 Jun.2002文章编号:1671-4431(2002)06-0015-04高性能纤维增强水泥基复合材料的研究王悦辉 谢永贤 林宗寿 涂成厚(武汉理工大学)摘 要: 介绍了在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维制备出高性能水泥基复合材料的研究结果。
研究了水灰比(W/C)、砂灰比(S/C)、钢纤维掺量对水泥基复合材料性能的影响;并用XRD 、SEM 分析其微观结构和形貌。
试验结果表明:将钢纤维掺入到高性能蒸养水泥中并采用适当的工艺,可制备出抗压强度达133M Pa ,抗折强度达24.5M Pa 的高性能水泥基复合材料。
关键词: 高性能蒸养水泥; 钢纤维; 复合材料中图分类号: T U 5文献标识码: A收稿日期:2001-11-20.作者简介:王悦辉(1974-),女,硕士;武汉,武汉理工大学材料学院(430070).高性能混凝土是当今混凝土材料的发展趋势,降低混凝土结构物能源、资源的消耗,减少污染以获得可持续发展的环境,也正成为混凝土界关注的热点。
虽然高性能混凝土的抗压强度比普通混凝土成倍提高,但抗折强度却提高很少,表现为脆性显著增大。
为了改善混凝土的脆性,通常在混凝土中掺入钢纤维,制成钢纤维混凝土,改善混凝土的脆性。
钢纤维混凝土具有抗拉、抗折强度高,弯曲韧性、抗冲击耐疲劳、阻裂限缩能力优异等特点,在工程中得到广泛的应用,取得了良好的技术经济效果。
钢纤维混凝土是以混凝土为基体,非连续的短纤维作为增强材料所构成的水泥基复合材料,钢纤维在混凝土中各向随机分布,跨越混凝土中存在的微细裂隙,并对裂隙产生约束作用,阻止裂隙扩展,从而达到增强的作用。
其增强效果主要取决于钢纤维的尺寸,基体的粘结强度及掺量。
前两者可由选用的钢纤维原材料来确定,钢纤维的掺量太小增强效果不明显,太大则不易搅拌分散。
钢纤维虽然能大大提高混凝土的抗拉强度和韧性,但对混凝土的抗压强度影响较小。
而由本试验制得的高性能水泥基材料,在水泥中掺入超细矿渣,具有良好的火山灰效应和微粒充填效应,能改善混凝土的密实性,提高抗压强度和抗渗性。
在实验中应用以下基本原理配制超高性能混凝土:(1)去除混凝土中原有的粗骨料,从而消除粗骨料和水泥浆体之间的薄弱界面,增加了整个基体的均质性;(2)以多元粉体细颗粒优化级配,提高整个基体的堆积密度;(3)通过掺加微细的钢纤维,增强韧性;(4)优化搅拌、成型和养护制度;(5)采用外掺硬石膏的蒸养水泥,进一步提高制品强度。
1 试验研究1.1 试验原材料(1)水泥 试验用水泥采用作者已研究开发的高性能蒸养水泥[1]。
其最佳配比如表1所示。
(2)细集料 标准砂,粒径0.25～0.65mm 。
(3)减水剂 采用UNF5高效减水剂,掺量为1.0%。
(4)钢纤维 选用东洲钢纤维发展公司生产的冷板型钢纤维,见表2。
试验用配比见表3、表4、表5、表6。
1.2 试件制备钢纤维在水泥砂浆中的分散、搅拌工艺:采用先干后湿的搅拌工艺,水和高效减水剂混合均匀,按配比将水泥、砂、钢纤维加入到水泥胶砂搅拌机内干搅2min;加入水和高效减水剂湿拌10min,达到钢纤维在水泥砂浆中均匀分散的目的。
这种方法可避免钢纤维尚未分散即被水泥砂浆包裹成钢纤球现象。
表1 高性能蒸养水泥配比 %水泥矿渣硬石膏39556表2 钢纤维的性能名称规格杨氏模量/G Pa抗压强度/GPa 冷板切削异型0.5×0.7×3043.1≥550表3 空白试验配比编号水泥U NF5/%砂灰比水灰比钢纤维/% K11 1.0 1.20.20——K21 1.0 1.50.20——K31 1.0 1.20.22——K41 1.0 1.50.22——表4 砂灰比试验配比编号水泥U N F5/%砂灰比水灰比钢纤维/% S11 1.0 1.00.22 1.8S21 1.0 1.20.22 1.8S31 1.0 1.50.22 1.8S41 1.0 1.80.22 1.8S51 1.0 2.00.22 1.8表5 钢纤维掺量试验配比编号水泥U NF5/%砂灰比水灰比钢纤维/% G11 1.0 1.50.22 1.2G21 1.0 1.50.22 1.5G31 1.0 1.50.22 1.8G41 1.0 1.50.22 2.0表6 水灰比试验配比编号水泥U N F/%砂灰比水灰比钢纤维/% W11 1.0 1.50.20 1.8W21 1.0 1.50.22 1.8W31 1.0 1.50.24 1.8W41 1.0 1.50.25 1.8 注:钢纤维掺量为钢纤维体积分数。
成型工艺:水泥砂浆搅拌完毕,立即在振动台上振动成型,成型4cm×4cm×16cm试件,以测定抗压强度和抗折强度。
养护工艺:试件成型后先在空气中预养7h,然后通蒸汽以15℃・h-1的升温速度至65℃,保温4h,后自然冷却至室温20℃,脱模,再放入20℃水中养护至规定龄期。
1.3 试验方法1)流动度试验:按GB3419-81《水泥胶砂流动度测定方法》进行;2)抗压强度试验:按GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》进行;3)抗折强度试验:按GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》进行。
2 试验结果及分析2.1 强度试验试件的强度见表7。
2.2 结果分析1)砂灰比的影响 由表7可见,当水灰比和钢纤维含量不变时,随着砂灰比增加,钢纤维水泥砂浆的流动度减小。
但在砂灰比小于1.5时,砂灰比增加对流动度影响不大;在砂灰比大于1.5时,砂灰比增加,流动表7 蒸养钢纤维水泥砂浆各龄期强度编号流动度/mm抗压强度/M Pa抗折强度/M Pa3d28d3d28d K11759810517.819.8 K216210511418.720.1 K3187859715.117.4 K41719010216.918.8 S116011513322.924.5 S215711413022.723.6 S315011012822.023.0 S412910812020.521.4 S511210611420.519.9 G116711012320.821.4 G216011112621.722.0 G315011312822.023.0 G413911412822.523.3 W114110711921.322.4 W215011012622.023.0 W316910912021.022.4 W418210511420.422.1度迅速减小,砂灰比对流动度的影响较大。
随砂灰比增加,钢纤维水泥砂浆的抗压强度、抗折强度减小。
在砂灰比小于1.8时,减小的幅度不大。
但砂灰比大于1.8时,钢纤维砂浆的强度减小幅度较大,尤其是28d抗折强度。
2)钢纤维掺量的影响 由表7可见,随着钢纤维掺量的增加,水泥砂浆的流动度减小;水泥砂浆的抗折强度和抗压强度均增加,但抗压强度增长幅度不大。
16 武 汉 理 工 大 学 学 报 2002年6月3)水灰比的影响 由表7可见,随着水灰比增加,水泥砂浆的流动度增加。
当水灰比大于0.24时,流动度急剧增加,而水泥砂浆的抗压强度和抗折强度均随水灰比的增加而减小。
图1 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆XRD 图▲—Aft ■—Ca(OH)2 △—C 3S ○—SiO 2 □—C 4A 13H图2 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆的SEM 图象2.3 钢纤维增强水泥砂浆机理分析从表7中见到与未掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆相比,掺入钢纤维的水泥砂浆的力学性能有明显提高,尤其抗折强度增长幅度较大。
由于钢纤维的阻裂效应和抵抗变形的能力,在一定范围内使钢纤维水泥砂浆抗压强度和抗折强度随钢纤维掺量的增加而提高。
充分反映了钢纤维对水泥砂浆的增强作用。
在水泥基复合材料中界面粘结是关键问题。
现在认为集料——水泥石界面粘结是其最薄弱的环节,这是由于在界面区水灰比局部升高,因而使Ca (OH )2晶体和钙钒石晶体密集,两者形成的晶体都较大,Ca (OH )2晶体有取向性,致使孔隙率较大和结构疏松,使裂缝容易形成并扩展。
而在试验中,开发研究的高性能蒸养水17第24卷 第6期 王悦辉等:高性能纤维增强水泥基复合材料的研究 18 武 汉 理 工 大 学 学 报 2002年6月泥利用超细矿渣替代部分水泥,并用硬石膏做硫酸盐激发剂,在水化过程中,矿渣与水泥空隙中的离子起化学反应,使C-S-H凝胶增加,导致水泥石中大孔减少,凝胶孔和过渡孔增加,结构变得致密。
同时超细矿渣的掺入,改善了钢纤维水泥浆体与集料、钢纤维界面区的结构,使界面区的Ca(OH)2取向性明显降低,数量减少,晶粒细化,从而使界面过渡区弱点变浅,加强了界面粘结,提高了钢纤维水泥砂浆的强度。
图1为几种不同配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的X射线衍射图。
从图中可看到,Ca(OH)2衍射峰较弱,而钙钒石等晶相的量较多。
说明掺入超细矿渣消耗了大量Ca(OH)2,加速水泥石水化,减少Ca(OH)2晶体在界面的富集。
正是由于火山灰效应能够吸收大量Ca(OH)2,降低液相中Ca(OH)2浓度,使Ca(OH)2晶体减少变小,对改善界面区性能有一定的作用。
图2为与图1相应配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的SEM图像。
从图像中见到水化产物中有大量的水化硅酸钙及其凝胶和钙钒石晶体,还有明显发育较好的类托贝莫来石晶体和针状、短柱状的钙钒石晶体。
这些结晶度较高的晶体穿插在水泥硅酸钙凝胶中,形成网络状的致密结构。
3 结 论通过试验,可得如下结论:a.采用在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维,用振动成型方法,可制备出抗压强度达133MPa,抗折强度达24.5M Pa的高强抗冲击水泥基材料。
b.砂灰比、水灰比、钢纤维掺量均对钢纤维蒸养水泥砂浆的力学性能有显著的影响。
随砂灰比、水灰比掺量增加,其抗压强度和抗折强度均降低;随钢纤维掺量的增加,其抗压强度和抗折强度增加。
c.通过以上试验,认为通过优化水泥组成、选择优质集料、采用适当的工艺,改善钢纤维与水泥砂浆界面性质,能够制备出优质的水泥基复合材料。
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