碳化玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸力学性能_赵哲.pdf

复合材料科学与工程：.碳化玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸力学性能赵 哲，李 彬（.河南大学，开封；.河南大学 龙子湖校区建设与管理委员会，郑州）摘要：混凝土建筑物长期暴露于空气中会被空气中的 气体碳化，碳化作用下混凝土的力学性能会发生变化，从而影响混凝土结构使用的安全性。本文基于试验采用快速碳化对碳化作用下素混凝土与玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及抗拉强度进行研究，对两种混凝土进行了 、快速碳化，测量不同碳化龄期下试件碳化深度，采用核磁共振装置测量了两种混凝土在不同碳化龄期下的孔隙结构变化，利用电液压力机对试件开展了静载劈裂拉伸试验。结果表明：素混凝土及纤维混凝土碳化深度均随碳化龄期的增长而增加，玄武岩纤维混凝土碳化深度与速率始终小于素混凝土，玄武岩纤维的掺入降低了混凝土的碳化速率；随着碳化龄期的增加，试件 图谱峰值降低，图谱向左偏移，碳化作用减少了混凝土内部孔隙数目，减小孔隙直径，孔隙率随之降低，碳化龄期与孔隙率间呈良好的指数相关，素混凝土孔隙率始终高于玄武岩纤维混凝土；试件内部微孔、中孔占比在.以上，碳化龄期越长，试件微孔、中孔占比越大，碳化作用生成碳酸盐结晶体充斥于裂隙中，降低试件内部大孔、裂隙的占比；随着碳化龄期的增加，两种混凝土抗拉强度均先增大后减小，前期碳化作用会降低试件孔隙率，增强试件整体，其抗拉强度随之增大，后期碳化作用所产生的膨胀力会对试件造成损伤，试件抗拉强度降低，玄武岩纤维混凝土强度降幅明显低于素混凝土，纤维的掺入增强了混凝土材料的抗碳化能力。关键词：玄武岩纤维混凝土；碳化速率；孔隙结构；图谱；抗拉强度；复合材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；河南省科技计划项目（）作者简介：赵哲（），男，硕士，工程师，主要从事建筑设计、工程项目管理方面的研究，.。，（.，；.，）：，（），年第 期碳化玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸力学性能.，：；前 言混凝土碳化作用是空气中的 气体通过混凝土原生裂隙进入其内部与水泥水化物间发生化学反应生成 的过程，该反应会使混凝土结构中的钢筋发生腐蚀，降低结构的耐久性。一些学者通过改变混凝土中的成分，如添加纤维，来减缓混凝土的碳化速率，研究表明纤维的掺入能够在一定程度上减缓混凝土的碳化速率，对混凝土建筑结构起到保护作用。碳化作用会对钢筋混凝土结构中的钢筋造成腐蚀，从而降低结构的承载能力与耐久性，但对素混凝土整体性及力学性能存在提升。肖婷等使用 比面积和孔径分析仪对碳化后粉煤灰水泥石内部孔径进行测量，结果表明碳化作用会降低试件内部总孔隙率。等、在对碳化后水泥浆成分进行观察中发现碳化过程中生成的晶体会充斥于试件原生裂隙中并将（）覆盖，从而降低试件内部总孔隙率，并降低外界 气体的扩散程度，降低碳化速率。对于碳化后混凝土力学性能变化，周宇等在对碳化后混凝土抗压、抗折强度的研究中发现，碳化作用会增加其峰值应力，减小其极限应变。徐善华等对不同强度等级的混凝土进行了碳化试验，发现随着碳化深度的增加，试件弹性模量与强度均有不同程度的增长。在过去几十年中，纤维已被广泛应用于混凝土构件与结构中，常用的纤维包括钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、聚乙烯醇纤维等。纤维的掺入能够提升混凝土的强度与韧性，增强混凝土抵抗外部荷载的能力及其耐久性，在改善试件内部孔隙结构的同时对混凝土的抗碳化能力也存在影响。张春生等发现钢纤维的掺入能有效提高混凝土的抗碳化能力，并在掺量为 时效果最为显著。丁亚红等在再生混凝土中加入玄武岩纤维，结果表明纤维的掺入能有效提高再生混凝土的抗碳化能力。王占海等对钢纤维混凝土及素混凝土碳化深度模型进行了预测，结果表明钢纤维混凝土的碳化速率小于素混凝土。玄武岩纤维造价低廉、力学性能优越，与胶凝材料存在良好的相容性，因此备受青睐。现有研究成果表明，在混凝土中掺入玄武岩纤维能够减小其内部孔隙率，增强混凝土材料的抗拉、抗压、抗冲击能力，提高其塑性变形能力及吸能效果，但对于玄武岩纤维混凝土抗碳化能力及碳化作用后其内部孔径分布、孔隙率变化情况鲜有研究涉及。混凝土内部孔隙结构是影响其宏观物理力学性能的根源，且混凝土抗拉强度远低于抗压强度，建筑物在使用过程中多发生劈裂拉伸破坏，因此研究碳化作用后玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及拉伸力学性能，对长期使用的玄武岩纤维混凝土建筑物安全耐久性具有重要意义。本文基于试验探究玄武岩纤维混凝土的抗碳化能力及碳化作用后其内部微观结构与抗拉伸力学性能，以不同碳化龄期下素混凝土及玄武岩纤维混凝土为研究对象，采用酚酞溶液及核磁共振试验装置测量不同碳化龄期下试件碳化深度及内部孔隙变化规律，利用电液伺服压力机对试件开展静态单轴劈裂拉伸试验，分析玄武岩纤维及不同碳化龄期对混凝土碳化深度、内部孔隙结构及拉伸力学性能的影响，为碳化后玄武岩纤维混凝土工程耐久性及安全性提供试验依据。试验材料与方法.原材料选用八公山牌 .普通硅酸盐水泥，细骨料选用细度模数为.的天然河砂，粗骨料为粒径 年 月复合材料科学与工程小于 的花岗岩碎石，水为自来水，外加剂为聚羧酸高效减水剂，纤维为海宁安捷复合材料有限责任公司生产的长度为 的 型玄武岩纤维。该玄武岩纤维主要力学性能指标如表 所示。表 玄武岩纤维的性能指标 长度 直径 弹性模量 密度（）抗拉强度 .试件设计基准混凝土设计抗压强度为 ，水泥、沙子、石子、水的质量配合比为.，玄武岩纤维体积掺量为胶凝材料的.，浇筑前将纤维置于分散剂中搅拌分开，使其更均匀地分散于混凝土中，按配比浇筑素混凝土与玄武岩纤维混凝土。试验采用搅拌机两次投料法进行拌制，按配合比浇筑成 立方体试块，成型后将混凝土试块用保鲜膜覆盖 后进行拆模，参照相关规范要求将试块放置在养护湿度、温度保持在（）的养护室中进行为期 的标准养护，养护结束后采用标尺与非金属超声波检测仪对试件高度及纵波波速进行测量，剔除离散型较大的试件以减小试验误差。碳化作用在恒温碳化箱中进行，根据相关规范要求，试件在放入碳化箱之前先置于恒温箱内进行烘干处理，冷却至室温后将试件置于碳化箱内，根据 混凝土碳化试验箱要求将 浓度控制在，相对湿度控制在，温度控制在（），每隔一段时间去测定一次碳化箱内的 浓度、相对湿度及温度，以保证碳化环境保持恒定。.试验过程研究表明，在 浓度为 的碳化箱内加速碳化过程中，碳化龄期 、近似相当于自然碳化 、。对素混凝土与玄武岩纤维混凝土进行快速碳化处理，选取两组试件。一组在达到碳化龄期后开展静态劈裂拉伸试验与碳化深度的测量。由于水泥水化物带有碱性，遇酚酞溶液会显示紫色，而碳化作用后碳化区域呈酸性，遇酚酞不变色。到达碳化龄期后对素混凝土及玄武岩纤维混凝土的碳化深度进行测量，碳化长度取三次不同位置深度的平均值。另一组在达到碳化龄期后利用核磁共振装置测量内部孔隙结构变化规律，将碳化试件置于真空饱水仪（.）持续饱水 ，直至无明显气泡出现，饱水作用结束后，将试件表面水分擦拭干净，置于核磁共振仪中测定试件的孔隙结构参数。核磁共振技术可在对试件损伤程度较小的情况下利用 图谱准确地反映出试件内部的孔隙结构分布，通过测量磁化后 质子能量释放速度与数量间的关系计算出试件内部孔隙流体的弛豫时间 分布，得到试件内部孔隙水的储存形式与占比，从而得到试件内部孔隙情况，图谱中横坐标代表孔径大小，波峰面积代表孔隙数目，驰豫时间 越大，孔隙半径越大，驰豫时间和孔隙尺寸可用式（）表示。（）式中：为材料弛豫强度；为孔隙表面积；为孔隙体积。假定孔隙为理想球体，则孔隙半径与 图谱关系可用式（）、式（）表示。（）（）式中：为孔隙形状因子，取；为孔隙半径；为换算系数，取。试验结果与分析.碳化深度的测量试件碳化测量碳化深度外观如图 所示，碳化深度与速率结果如图、图 所示。图 混凝土表面碳化深度外观图.年第 期碳化玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸力学性能图 混凝土的碳化深度.图 混凝土的碳化速率.由图 可以看出，随着碳化龄期的增长，混凝土碳化深度相应增加，且素混凝土碳化深度始终高于纤维混凝土。碳化、时素混凝土碳化深度分别为玄武岩纤维混凝土碳化深度的.、.、.、.倍，说明玄武岩纤维的掺入能有效减小混凝土的碳化深度。结合图 可知素混凝土碳化速率始终高于纤维混凝土碳化速率，且试件前期碳化速率明显较高，随着碳化龄期的增加，试件碳化速率相应降低。研究表明，纤维在混凝土内部的随机分布能够在混凝土内部形成三维空间支撑结构，纤维与基体间存在桥接作用，可以增加试件致密性，降低试件孔隙率，从而在一定程度上降低 气体向试件内部的传输速率，减缓试件碳化程度。随着碳化龄期的增长，试件发生碳化的速率明显减缓，碳化过程中 首先与水反应生成碳酸，之后碳酸会与水化产物反应使其碱性逐步降低，值减小，同时会生成不溶性盐，使混凝土体积略有膨胀，不溶性盐充斥于混凝土中的孔隙、微小裂缝中，试件内部孔隙直径减小，孔隙率降低，使混凝土致密，阻碍 气体向试件内部扩散，碳化速率随之降低。.碳化作用下试件内部孔隙结构不同碳化龄期下素混凝土与玄武岩纤维混凝土图谱变化如图 所示。（）素混凝土 图谱（）纤维混凝土 图谱图 不同碳化龄期下试件 图谱.从图 可以看出试件 图谱呈三峰型，且第一个峰值较大，说明试件在.弛豫时间内孔隙占比最高。随着碳化龄期的增加，素混凝土与玄武岩纤维混凝土 图谱峰值均呈下降趋势，且图谱整体向左偏移，相对于未碳化试件，碳化 、时素混凝土 图谱主峰峰值降幅分别为.、.、.、.，纤维混凝土主峰峰值降幅分别为.、.、.、.，说明碳化作用下混凝土材料内部孔隙数目在减少，孔隙直径减小。相较于素混凝土，玄武岩纤维混凝土 图谱中峰值强度较低，说明纤维的掺入使混凝土内部孔隙数目及孔隙率下降。随着碳化龄期的增长，试件图谱峰值降幅减小，这也说明碳化作用在前期发展比较快；而随着碳化龄期的增加，试件发生碳化速率有所减小。碳化过程中，气体通过原生裂隙进入混凝土内部，与水及碱性物质（）和 凝胶材料等发生反应，生成大量结晶体 年 月复合材料科学与工程充斥于原生裂隙中，使试件总孔隙率减低；同时，结晶体堵塞了气体向试件内部传输的通道，气体无法达到部分封闭孔隙内，碳化速率随之降低；并且，玄武岩纤维的掺入本身就会改变混凝土的内部结构，减少试件内部孔隙数目，降低孔隙率，从而阻止气体向试件内部传输，降低材料碳化程度；而碳化作用会进一步减小纤维混凝土内部孔隙率，试件在相同时间下发生碳化的速度与深度随之降低。为进一步探究素混凝土及玄武岩纤维混凝土在不同碳化龄期下内部孔隙孔径占比及总孔隙率变化，根据相关研究成果，将试件内部孔隙按孔径分布分为微孔（.，为孔隙半径）、中孔（.）、大孔（.）、裂隙（）四种类型区间，玄武岩纤维混凝土孔径分布如图 所示，碳化 后其内部孔径划分如图 所示，不同碳化龄期下试件内部孔隙率变化如图 所示。试件孔隙率及内部孔隙分布情况如表 所示。图 不同碳化龄期下玄武岩纤维混凝土孔径分布.图 碳化 素混凝土内部孔径划分.图 碳化后试件内部孔隙率变化规律.表 不同碳化龄期下混凝土试件内部孔隙结构变化规律 试件碳化龄期 孔隙率 微孔 中孔 大孔 裂隙 素混凝土玄武岩纤维混凝土 由图 可以更直观看出，随着碳化龄期的增加，试件内部孔隙度降低，孔隙直径减小，孔径分布图像与 图谱整体趋势保持一致。相较于未碳化试件，碳化 、时主峰峰值分别降低.、.、.、.，其内部孔隙率变化如图 和表 所示，可知随着碳化龄期的增加，试件孔隙降低，降幅逐渐减小，且玄武岩纤维混凝土孔隙率一直低于素混凝土孔隙率，碳化龄期与孔隙率间呈良好的指数相关。根据图 所示孔隙直径对试件内部孔径进行划分，不同碳化龄期下两种混凝土内部各孔隙占比如表 所示。由表 可知混凝土内部孔隙以微孔和中孔为主，两者占试件总孔隙率的.以上，且与纤维混凝土相比，素混凝土大孔、裂隙占比明显更高，这也说明玄武岩纤维的掺入能够有效减小混凝土内部孔隙直径，从而有效提高混凝土抗碳化能力。随着碳化龄期的增长，两种混凝土内部微孔与小孔 年第 期碳化玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸力学性能占比均相应增大，而大孔与裂隙占比减小。碳化 、时素混凝土微孔、中孔占比和分别为.、.、.、.、.，玄武岩纤维混凝土微孔、中孔占比之和分别为.、.、.、.。碳化作用下纤维的掺入使混凝土孔径直径减小且占比增加，孔径的减小使孔隙间不能形成联汇贯通，有效阻止了外部向试件内部的传播，在一定程度上也会减缓试件碳化速率，因此纤维的掺入对混凝土的抗碳化能力存在提升。结合图 可以看出碳化龄期的增加会降低两种混凝土内部孔隙率，且碳化前期孔隙率降幅明显大于后期，前期碳化作用会减缓混凝土的碳化速率，通过拟合曲线可预测不同碳化龄期下试件内部孔隙率大小。.碳化作用下两种混凝土劈裂拉伸力学性能混凝土在使用过程中经常发生开裂，其本身抗拉强度远低于抗压强度，纤维的掺入能够有效增强混凝土的抗拉力学性能。为进一步探究碳化作用对两种混凝土抗拉力学性能的影响，利用电液伺服压力机对不同碳化龄期试件开展静态单轴抗拉试验，每组三个试件，不同碳化龄期下试件抗拉强度变化如图 所示。（）素混凝土抗拉强度（）玄武岩纤维混凝土抗拉强度图 碳化后试件抗拉强度.从图 可以看出，与素混凝土相比，玄武岩纤维混凝土抗拉强度整体更大，在外荷载作用下其延展性明显更高，纤维的掺入在一定程度上增加了混凝土的抗拉强度与延性，这与现有的研究成果表现出一致性。两种混凝土的抗拉强度均随着碳化龄期的增长先增大后降低，相较于未碳化试件，碳化、时素混凝土抗拉强度平均值增幅分别为.、.、.、.，玄武岩纤维混凝土抗拉强度平均值增幅分别为.、.、.、.，素混凝土抗拉强度增幅明显更高。在碳化作用前期，碳化反应会生成碳酸盐结晶体充斥于试件内部原生裂隙，使试件整体性增加，抗拉强度随之增大。素混凝土强度增幅明显高于纤维混凝土强度增幅，这是由于素混凝土本身孔隙率较高，在前期碳化速率高于纤维混凝土，其强度提升也更加明显。加速碳化 时两种混凝土强度均有所降低，这是由于随着碳化程度的加深，碳化产物增多在试件内部形成膨胀力，使试件本身发生损伤。其中玄武岩纤维混凝土降幅相对较小，一方面是由于其本身碳化速率较低，形成的结晶体的量较少，在试件内部所形成的膨胀力较小，对试件造成损伤量相应较小；另一方面纤维的掺入在一定程度上分担了试件本身所产生的膨胀力，减小试件损伤量，导致抗拉强度降幅较小。结 论（）碳化龄期越长，混凝土碳化深度越大，碳化、时素混凝土碳化深度分别为玄武岩纤维混凝土碳化深度的.、.、.、.倍，纤维的掺入减小了混凝土的碳化速率。（）试件 图谱呈三峰型，随着碳化龄期的增加，两种混凝土 图谱峰值均呈下降趋势，且图谱整体向左偏移，试件内部孔隙数目减少，直径减小，纤维的掺入与碳化作用均会降低试件孔隙率。（）混凝土内部孔隙以微孔和中孔为主，两者占试件总孔隙率的.以上，随着碳化龄期的增长，两种混凝土内部微孔与小孔占比均相应增大，孔与裂隙占比减小，碳化龄期与孔隙率间呈良好的指数负相关。（）玄武岩纤维的掺入可以增强混凝土的抗拉强度，随着碳化龄期的增长，两种混凝土的抗拉强度均先增大后减小，玄武岩纤维混凝土强度变幅低于 年 月复合材料科学与工程素混凝土强度变幅，纤维的掺入增强了混凝土的抗碳化能力。参考文献 陈树亮 混凝土碳化机理、影响因素及预测模型 华北水利水电学院报，（）：张成维 碳化对混凝土超声波检测参数的影响 秦皇岛：燕山大学，刘志勇，孙伟 多因素作用下混凝土碳化模型及寿命预测混凝土，（）：王建超，裘子铭，陆佳韦，等 废弃纤维再生混凝土碳化深度预测模型研究 硅酸盐通报，（）：，王建超，周静海，王新栋，等 废弃纤维再生混凝土碳化深度预测模型试验研究 工业建筑，（）：，王艳，牛荻涛，苗元耀，等 弯曲荷载作用下钢纤维混凝土碳化性能 西安建筑科技大学学报（自然科学版），（）：肖婷，方永浩，章凯，等 碳化对粉煤灰水泥石比表面积和孔径的影响 建筑材料学报，（）：，（）：，（）：周宇，张皓 混凝土碳化后的力学性能研究 佳木斯大学学报（自然科学版），（）：，徐善华，李安邦，崔焕平，等 反复荷载作用下碳化混凝土应力应变关系试验 哈尔滨工业大学学报，（）：陆俊，王建苗，李静，等 纤维增强再生混凝土抗拉性能的研究进展 建材技术与应用，（）：高真，曹鹏，孙新建，等 玄武岩纤维混凝土抗压强度分析与微观表征 水力发电学报，（）：张春生，孟令其，纪安业，等 钢纤维掺量对高性能混凝土碳化性能影响机理研究 硅酸盐通报，（）：丁亚红，郭书奇，张向冈，等 玄武岩纤维对再生混凝土抗碳化性能的影响 复合材料学报，（）：王占海，杨德健 钢纤维混凝土碳化深度影响因素及预测模型研究 天津城建大学学报，（）：贺晶晶，师俊平，张勇，等 玄武岩纤维改善混凝土拉伸性能分析 复合材料科学与工程，（）：李德超，赵晨曦 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