地聚合物混凝土(GC)是以粉煤灰、偏高岭土等硅铝质材料通过碱性激发形成的聚合物作为胶凝材料的混凝土[1]。与普通混凝土相比,地聚合物混凝土具有早期强度高、渗透性弱、耐化学侵蚀性好、耐火性能好等优点[2-3];此外,地聚合物混凝土采用工业固废粉煤灰、赤泥、煤矸石等作为原材料,无需添加水泥,且制作工艺简单,节能低碳环保[4-5]。然而,地聚合物混凝土存在抗拉强度低、脆性大、延性不足等缺陷[6-7],限制了其工程应用。
为了改善地聚合物混凝土的脆性,国内外学者常采用掺入高性能纤维等多种方式对混凝土进行改性,其中碳纤维具有轻质、高强、耐腐蚀、耐高温等突出优点,被广泛应用于土木工程领域[8]。许金余等[9]将玄武岩纤维和碳纤维分别加入地聚合物混凝土中,比较2种纤维的改性效果,发现碳纤维改善效果优于玄武岩纤维,当碳纤维体积率为0.2%时效果最佳;孟宪建等[10]研究发现当短切碳纤维掺量为0.5%时,高钙粉煤灰地聚合物混凝土的抗压强度最高,当碳纤维掺量高于0.2%时,能有效抑制裂缝的产生与发展;TANG et al[11]研究结果表明碳纤维可提高再生骨料混凝土的抗压强度及极限应变。以上研究表明,受碳纤维几何尺寸、分散程度及地聚合物基体性能等影响,地聚合物混凝土力学性能存在较大差异,而且将碳纤维应用于粉煤灰和偏高岭土地聚合物混凝土的研究并不多见。
本文以粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土为基体,以20 mm短切碳纤维为改性材料制备纤维改性地聚合物混凝土,研究纤维掺量对地聚合物混凝土轴心抗压强度、弹性模量、抗折强度及折压比等力学性能指标的影响,为碳纤维改性粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的深入研究及工程应用提供参考。
1 试验概况
1.1 原材料
试验所用原材料主要包括碳纤维、分散剂、粉煤灰、偏高岭土、碱激发剂、石子、砂子和水等。碳纤维购自山东省威海市,型号规格为TZ300(24K),主要技术参数见表1;分散剂以聚丙烯酰胺(PAM)与聚氧化乙烯(PEO)按照质量比4:1的比例进行混合制成;粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰,主要化学成分及含量见表2;偏高岭土的主要化学成分及含量见表2;碱激发剂由水玻璃与分析纯氢氧化钠以预定比例制成;粗骨料为粒径5～20 mm连续级配碎石;细骨料为最大粒径不大于2.5 mm的河砂;部分试验材料如图1所示。
图1 部分试验材料
Fig.1 Images of some materials
表1 碳纤维的主要技术参数
Table 1 Main technical parameters of carbon fiber
型号抗拉强度/MPa拉伸模量/GPa伸长率/%直径/μm长度/mmTZ300(24 K)3 5302301.5720
表2 粉煤灰与偏高岭土的化学成分质量分数
Table 2 Chemical compositions and their contents of fly ash and metakaolin %
名称SiO2Al2O3CaOFe2O3MgONa2OK2OTiO2SO3偏高岭土52.6245.420.170.450.110.250.130.85-粉煤灰52.5231.624.579.350.73---1.21
1.2 试样制备
为系统研究碳纤维掺量对地聚合物混凝土力学性能的影响,制备了共10种碳纤维体积掺量的地聚合物混凝土如表3所示,混凝土单位体积材料中粉煤灰、偏高岭土、水玻璃、NaOH、砂、石子的用量分别为213.8、267.3、269.2、58.6、591、1 048 kg/m3,水胶比为0.34,不同碳纤维体积掺量对应的混凝土试件编号见表3.文献[12]表明,结合化学分散剂的多级物理分散法形成的碳纤维混凝土中纤维分散性良好如图2所示,因此本文参考该方法进行。碳纤维改性地聚合物混凝土主要制备过程为:首先进行碳纤维的分散,之后将分散好的碳纤维、碱激发剂与粉煤灰、偏高岭土、砂、石子等原材料倒入搅拌机进行搅拌,先慢搅180 s,然后停止搅拌静置20 s,再快速搅拌120 s;最后将搅拌好的浆体倒入所需样件模具中,并放到振动台振动60 s,在浆体成型之后脱模,放入标准养护箱进行养护至28天龄期。
图2 碳纤维在混凝土水泥相中的分散情况
Fig.2 Dispersion of carbon fibers in concrete cement phases
表3 单位体积纤维改性地聚合物混凝土中碳纤维的用量
Table 3 Amount of materials in 1 m3fiber modified geopolymeric concrete kg/m3
试件编号C0C1C2C3C4C5C6C7C8C9碳纤维/%00.20.40.60.81.01.21.41.61.8
轴心抗压强度测试采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件,抗折强度测试采用150 mm×150 mm×600 mm的棱柱体试件,每组制备3个试块,共计60个试块。
1.3 试验方法
试验依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)[13],采用SHT4605微机控制电液伺服万能试验机如图3所示进行轴心抗压强度与抗折强度的测试,轴心抗压强度、弹性模量、抗折强度、折压比分别按照下列公式进行计算:
图3 试验所用设备
Fig.3 Equipment used in the test
轴心抗压强度:
弹性模量:
抗折强度:
折压比:
式中:fcp为轴心抗压强度,MPa;F为样件破坏荷载,N;A为承压面面积,mm2;Ec为弹性模量,MPa;Fa为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载,N;L为测量标距,mm;F0为应力为0.5 MPa时的载荷,N;εa为Fa对应的平均应变;ε0为F0对应的平均应变;ff为混凝土的抗折强度,MPa;Fu为破坏荷载,N;l为支座间跨度,mm;b为截面宽度,mm;h为截面高度,mm;α为折压比。
2 结果与讨论
2.1 轴心抗压强度
图4为地聚合物混凝土轴心抗压强度随碳纤维掺量的变化规律。从图中可看出,掺入碳纤维可不同程度地提高地聚合物混凝土的轴心抗压强度,即碳纤维对地聚合物混凝土具有增强效应。随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土轴心抗压强度呈先增加后减小的变化趋势:当碳纤维掺入量为0.2%～0.8%时,混凝土的轴心抗压强度随碳纤维掺量增加而提高,当碳纤维掺入量为0.8%时达到最大值53.95 MPa,与不掺碳纤维的地聚合物混凝土相比,轴心抗压强度提高了25.06%;随着碳纤维掺入量的进一步增加,地聚合物混凝土的轴心抗压强度逐渐降低。从本文的试验结果分析,建议粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的最佳碳纤维掺量可取0.8%～1.0%,此时地聚合物混凝土轴心抗压强度可提升约22%.
图4 轴心抗压强度随碳纤维掺量的变化
Fig.4 Changes of axial compressive strength with carbon fiber content
2.2 弹性模量
图5为地聚合物混凝土的弹性模量随碳纤维掺量的变化规律。与轴心抗压强度变化规律类似,地聚合物混凝土的弹性模量随碳纤维掺量的增加呈先增加后减小的变化趋势,当碳纤维掺量为0.8%时,弹性模量达到最大值25.66 GPa,与未掺碳纤维的混凝土相比提高了约30%.当碳纤维掺量大于1.4%时,地聚合物混凝土的弹性模量反而低于未掺碳纤维的混凝土。从本文的试验结果分析,建议粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的最佳碳纤维掺量可取0.8%～1.0%,此时混凝土弹性模量可提升约27%.
图5 弹性模量随碳纤维掺量的变化
Fig.5 Changes of elasticitywith modulus carbon fiber content
2.3 抗折强度
图6为地聚合物混凝土抗折强度随碳纤维掺量的变化规律。从图中可看出,掺入碳纤维可不同程度地提高地聚合物混凝土的抗折强度。随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土抗折强度呈先增加后减小的变化趋势:当碳纤维掺量为0.2%～1.0%时,混凝土的抗折强度随碳纤维掺量增加而提高,当碳纤维掺量为1.0%时达到最大值7.46 MPa,与不掺碳纤维的地聚合物混凝土相比,抗折强度提高了43.44%;随着碳纤维掺量的进一步增加,地聚合物混凝土的抗折强度逐渐降低。抗折强度的变化一定程度上反映了地聚合物混凝土抗拉性能及抗裂性能的变化,从本文试验结果可推断,掺入碳纤维使地聚合物混凝土的抗拉性能及抗裂性能得到了改善,最佳的碳纤维掺量可取0.8%～1.0%,此时地聚合物混凝土的抗折强度可提升约42%.
图6 抗折强度随碳纤维掺量的变化
Fig.6 Changes of flexural strength with carbon fiber content
对比图6和图4可知,掺入碳纤维使地聚合物混凝土抗折强度的提升幅度显著大于抗压强度的提升幅度,以掺入0.4%～1.2%碳纤维为例,抗压强度提升幅度为15.58%～25.06%,而对应的抗折强度提升幅度可达29.28%～43.44%。由此推断,碳纤维对地聚合物混凝土抗折强度的提升效能大于抗压强度。
2.4 折压比
折压比是混凝土抗折强度与抗压强度的比值,常用来分析混凝土材料的抗裂性与韧性,折压比大说明材料的抗裂性及韧性好;反之,抗裂性及韧性较差[14]。图7为地聚合物混凝土折压比随碳纤维掺量的变化规律。从图中可看出,不掺碳纤维的地聚合物混凝土折压比为0.121,掺入碳纤维使地聚合物混凝土的折压比提升至0.131～0.142,说明碳纤维对地聚合物混凝土具有增韧作用。随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土折压比呈先增加后减小的变化趋势:当碳纤维掺量为0.2%～1.0%时,地聚合物混凝土的抗折强度随碳纤维掺量增加而提高,当碳纤维掺量为1.0%时达到最大值0.142,与不掺碳纤维的地聚合物混凝土相比,折压比提高了17.36%;随着碳纤维掺量的进一步增加,地聚合物混凝土的折压比逐渐降低。从本文试验结果可推断,掺入碳纤维使地聚合物混凝土的抗裂性及韧性得到了改善,最佳的碳纤维掺量可取0.8%～1.0%,此时地聚合物混凝土的折压比可提升约16%.
图7 折压比随碳纤维掺量的变化
Fig.7 Changes of compression ratio with carbon fiber content
3 讨论
以上试验结果表明,掺入碳纤维后地聚合物混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、抗折强度及折压比表现出相似的变化规律,即随着碳纤维掺量的增加地聚合物混凝土的力学性能先提升后降低,最优的碳纤维掺量为0.8%～1.0%.出现这种现象的原因可能与混凝土凝结硬化及受力过程中产生的微细观变化相关。
3.1 碳纤维在地聚合物混凝土凝结硬化过程中的作用效应
地聚合物混凝土凝结硬化过程中伴随着孔隙水蒸发产生的干燥收缩、温度变化产生的体积收缩及泌水产生的塑性收缩,由于混凝土中骨料和凝胶体变形存在差异,因此体积收缩要受到混凝土自身的约束,这些约束使混凝土内部产生拉应力,当拉应力超过混凝上的抗拉强度时混凝土就会产生微细裂纹,随着收缩的进一步加剧微细裂纹向周边扩展,使地聚合物混凝土形成初始裂缝。当地聚合物混凝土中掺入均匀分散的碳纤维时,呈乱向随机分布状态的碳纤维与地聚合物基质相互交叉,形成一个三维网络结构,纤维可承受较大拉应力,阻碍了混凝土的收缩,从而减少了初始裂缝,如图8所示;此外,微细的碳纤维可以切断混凝土内部的泌水通道,减少混凝土内部和表层裂缝的产生。碳纤维的以上效应减少了混凝土中裂缝的产生,使混凝土的初始结构得到显著改善。
图8 碳纤维的阻裂作用示意图
Fig.8 Schematic diagram of carbon fiber crack resistance
3.2 碳纤维在地聚合物混凝土受力过程中的作用效应
当地聚合物混凝土受到轴向压力时,由于碳纤维的弹性模量高于地聚合物混凝土,一方面均匀分布的碳纤维可承受更大的荷载,另一方面当混凝土受到竖向压力产生微细裂纹时,微裂纹的两端可能与碳纤维相交,碳纤维可通过桥接作用促使混凝土内部应力场趋向均匀,裂纹一端的应力集中现象得到缓解,微裂纹的进一步扩展受到抑制,如图9所示,从而提高混凝土的抗压强度及弹性模量。
图9 掺碳纤维前后地聚合物混凝土的微观结构
Fig.9 Microstructure of geopolymer concrete before and after carbon fiber blending
当试块受到弯曲压力时,在跨中附近试块底面产生拉应力,均匀分散的碳纤维承受了大部分拉应力,一定程度上抑制了裂纹的发展和延伸,因此抗折强度提高,试块的抗裂性及韧性提升,如图10所示。
图10 碳纤维应力传递过程
Fig.10 Carbon fiber stress transfer process
当碳纤维掺量超过临界掺量时,尽管采用改进的6步分散法,仍难以保证碳纤维在混凝土中均匀分散,碳纤维出现团聚现象。根据姚鑫[15]的计算结果,纤维束与混凝土基体接触面积与纤维含量呈反比,因此当碳纤维掺量超过均匀分散最大限度时,随着碳纤维含量增加,成团现象加剧,碳纤维与混凝土基质黏结面积减小,在碳纤维与混凝土黏结面处形成孔洞薄弱面,降低了碳纤维与基质之间的桥接应力[16];此外,由于碳纤维的疏水性,使碳纤维与骨料之间产生更多气泡从而降低了混凝土的密实程度,因此抗压强度、弹性模量、抗折强度及折压比均降低。
4 结论
1) 掺入适量碳纤维可同时对地聚合物混凝土产生增强、增韧的效应:当碳纤维掺量小于0.8%时,随着碳纤维掺量的增加,地聚合物混凝土轴心抗压强度、弹性模量、抗折强度及折压比均呈逐渐增加的趋势,当碳纤维掺量为0.8%～1.0%时,碳纤维对地聚合物混凝土的增强、增韧效应达到最优。
2) 碳纤维对地聚合物混凝土抗折强度的提升效能大于抗压强度,当碳纤维掺量为0.8%～1.0%时,地聚合物混凝土轴心抗压强度提升幅度约22%,相应的抗折强度提升幅度可达到42%.
3) 碳纤维对混凝土性能的提升效应为凝结硬化阶段对体积收缩裂缝的抑制及受力阶段直接受拉、桥接作用、对受力体系产生围压等综合效应共同作用的结果。
4) 碳纤维可有效改善改性粉煤灰-偏高岭土地聚合物混凝土的抗裂性差、韧性差等实际问题,为其进一步的工程应用提供数据支持和理论参考。
[1] 张大旺,王栋民.地质聚合物混凝土研究现状[J].材料导报,2018,32(9):1519-1527.
ZHANG D W,WANG D M.Research status of geopolymer concrete[J].Materials Reports,2018,32(9):1519-1527.
[2] 赵建伟,崔潮,戈娅萍,等.地质聚合物的土木工程耐久性能的研究进展[J].硅酸盐通报,2016,35(9):2832-2840.
ZHAO J W,CUI C,GE Y P,et al.Recent development of research on durability of geopolymer for civil structural applications[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2016,35(9):2832-2840.
[3] 丁琴,陶明,李响.地聚合物混凝土配比及力学性能研究[J].黄金科学技术,2022,30(2):243-253.
DING Q,TAO M,LI X.Study on proportion and mechanical properties of geopolymer concrete[J].Gold Science and Technology,2022,30(2):243-253.
[4] HABERT G,DE LACAILLERIE J B D E,ROUSSEL N.An environmental evaluation of geopolymer based concrete production:reviewing current research trends[J].Journal of Cleaner Production,2011,19(11):1229-1238.
[5] MCLELLAN B C,WILLIAMS R P,LAY J.Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary portland cement(Article)[J].Journal of Cleaner Production,2011,19(9/10):1080-1090.
[6] RANJBAR N,ZHANG M.Fiber-reinforced geopolymer composites:a review[J].Cement and Concrete Composites,2020(107):103498.
[7] 杨达,卢明阳,宋迪,等.地质聚合物水泥的研究进展[J].材料导报,2021,35(Z1):644-649.
YANG D,LU M Y,SONG D,et al.Research progress of geopolymer cement[J].2021,35(Z1):644-649.
[8] 许金余,李为民,范飞林,等.碳纤维增强地聚合物混凝土的SHPB试验研究[J].建筑材料学报,2010,13(4):435-440.
XU J Y,LI W M,FAN F L,et al.Experimental study on impact properties of carbon fiber reinforced geopolymeric concrete using a SHPB[J].Journal of Building Materials,2010,13(4):435-440.
[9] 许金余,李为民,杨进勇,等.纤维增强地质聚合物混凝土的动态力学性能[J].土木工程学报,2010,43(2):127-132.
XU J Y,LI W M,YANG J Y,et al.Dynamic properties of fiber reinforced geopolymeric concrete[J].China Civil Engineering Journal,2010,43(2):127-132.
[10] 孟宪建.碳纤维对粉煤灰地聚物复合材料性能的影响[J].非金属矿,2018,41(2):51-54.
MENG X J.Effects of carbon fiber on performances of fly ash-based geopolymer composites[J].Non-Metallic Mines,2018,41(2):51-54.
[11] TANG Z,LI W,TAM V W Y.Mechanical performance of CFRP-confined sustainable geopolymeric recycled concrete under axial compression[J].Engineering Structures,2020(224):111246.
[12] 王卓然.碳纤维增强混凝土梁的抗冲击性能研究[D].太原:太原理工大学,2021.
[13] 中华人民共和国建设部,国家质量监督检验检疫总局.普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2002[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[14] 曹瑞东.碳/PVA纤维高强混凝土高温性能及爆裂问题研究[D].太原:太原理工大学,2020.
[15] 姚鑫.黄麻/PVA纤维水泥土力学及抗裂性能研究[D].太原:太原理工大学,2021.
[16] 孟文华.碳纤维增强混凝土基本力学性能及单轴受压本构关系研究[J].新型建筑材料,2017,44(9):23-25,43.
MENG W H.Study on basic mechanics and constitutive relation of uniaxial compression of carbon fiber reinforced concrete[J].New Building Materials,2017,44(9):23-25,43.