绿色韧性水泥基复合材料碳化性能试验<span class="superscript">*</span>

摘要：为了研究绿色韧性水泥基复合材料(GCC)的耐久性，进行了快速碳化试验，研究了GCC的抗碳化性能以及水胶比和纤维掺量对抗碳化性能的影响规律.结果表明：随着碳化时间的增加，GCC的碳化深度逐渐增加，但其碳化速率逐渐减小；掺加一定量的纤维可以改善GCC的抗碳化性能，但当纤维掺量超过一定临界值时，GCC的抗碳化性能反而有所降低；水胶比对于GCC的抗碳化性能有明显影响，随着水胶比的增加，GCC材料的抗碳化性能逐渐降低.

关键词：尾矿砂；绿色建材；水泥基复合材料；PVA纤维；纤维掺量；水胶比；碳化试验；碳化深度

绿色韧性水泥基复合材料(green cementitious composite，GCC)是项目组自2010年从节约资源和提高性能两个方面探索研发的新型绿色建筑材料.该材料借鉴美国等发达国家研发的超高韧性水泥基复合材料(engineered cementitious composites，ECC)[1-2]制备技术，且应用矿山开采后废弃的尾矿砂大比例替代ECC中的细骨料，用工业粉煤灰大比例替代水泥，制备的一种具有环保特性的韧性建筑材料[3-6].前期研究工作表明，该绿色建筑材料具有良好的抗压性能和抗拉延性，在拉伸荷载作用下均表现出明显的假应变硬化和多缝开裂特性，其极限拉伸应变可达约3%，是一种具有延性变形特征的水泥基复合材料，具有很强的能量吸收能力，可以显著改善混凝土结构的抗震性能和抗拉变形能力，因此，具有很广泛的应用前景[7].

同普通混凝土材料一样，由GCC制备的钢筋混凝土结构，其钢筋锈蚀仍是造成结构耐久性损伤的主要原因之一.因此，许多学者对于普通混凝土和高性能水泥基复合材料开展了抗碳化性能方面的试验研究[8-9].GCC作为一种新材料，对其耐久性尚不了解.因此，对GCC碳化特性进行研究，为其在结构中的运用提供基本的耐久性参数，有助于深入地了解该材料的物理、化学等性能，正确评估其工程性能和应用范围.本文通过实验室快速碳化试验，对GCC的抗碳化性能进行了研究，讨论了水胶比和纤维掺量二元因素对GCC碳化速率的影响，为其工程应用提供耐久性能参数.

1 试验概况

本文采用50%尾矿砂和54%粉煤灰的大比例替代率，考虑纤维体积率和水胶比这两种因素的影响，对绿色韧性水泥基复合材料GCC开展了碳化试验研究.本文共设计9组试验，其中，PVA纤维分别采用0、1.5%和2.0%三种体积掺量，水胶比采用0.40、0.45和0.50三个配比值，分别用A、B和C表示.试样编号和试验基准配合比方案分别如表1、2所示.

表1试样编号
Tab.1Samplenumbering

表2基准配合比
Tab.2Basicmixproportion

1.1 试验材料

试验用胶凝材料采用标号为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥，细骨料采用粒径为0.150～0.315 mm的铁矿尾矿砂和天然砂混合细骨料，纤维采用长度为12 mm的PVA纤维，粉煤灰采用电厂一级粉煤灰，同时添加掺量为1%的高效减水剂和掺量为0.13%的增稠剂等添加剂.PVA纤维的性能指标如表3所示.

表3PVA纤维性能指标
Tab.3PerformanceindexesofPVAfiber

1.2 试件制备及养护

试验依据《纤维混凝土试验方法》(CECS 13：2009)[10]、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[11]和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)有关规定和要求进行试件的制作与养护.绿色韧性水泥基复合材料的碳化试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块，3个试件为一组，所有试件都按照优化的搅拌制度搅拌，入模后在振动台上振捣1 min，抹平试模上口表面后盖上塑料薄膜防止水分挥发.48 h后拆模，置入湿度90%以上、温度(20±3) ℃的标准养护室中养护.

1.3 试验方法

本文依据《纤维混凝土试验方法》(CECS 13：2009)和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)中相关规定进行：试件标准养护28 d后取出，在60 ℃的烘箱中干燥48 h后进行封蜡处理再放入快速碳化箱中进行碳化试验.碳化箱内湿度控制在(70±5)%，温度控制在(20±2) ℃，二氧化碳浓度控制在(20±3)%.当碳化时间达到3、7、14、28 d时取出试件，将棱柱体试件用劈裂法从一端开始破型.每次切除的厚度为50 mm，切后用石蜡将破型后的试件切断面封好，再放入箱内继续碳化，直到下一个周期，随后用1%的酚酞酒精溶液喷于劈裂面，变色后，从试件表面到变色边每边测定10处距离，以其算术平均值作为碳化深度值.

2 试验结果及分析

2.1 绿色韧性水泥基复合材料GCC碳化结果

绿色韧性水泥基复合材料GCC各碳化龄期的碳化深度结果如表4所示.

按照快速碳化28 d相当于自然碳化50年的深度预测[12]，由表4可知，绿色韧性水泥基复合材料GCC自然碳化50年时，除了配合比为C-0.0组试件的碳化深度达到了27.5 mm，超过一般钢筋混凝土构件厚度为25 mm的保护层，其他组配合比材料则在结构设计使用年限内不会自然碳化到钢筋表面.

表4GCC各碳化龄期的碳化深度
Tab.4CarbonationdepthofGCCateachcarbonizationagemm

2.2 纤维掺量对GCC碳化速率的影响

在同一水胶比、不同纤维掺量条件下，由试验测得GCC试件的碳化深度随碳化时间的变化曲线如图1所示.

图1纤维掺量与碳化深度的关系
Fig.1Relationshipbetweenfibercontentandcarbonationdepth

由图1可见，纤维掺量为0、1.5%、2%时，GCC的碳化深度均随着碳化时间逐渐上升，但其碳化速率逐渐降低.随着纤维掺量的增加，GCC材料的抗碳化性能逐渐提高，但纤维掺量增加到一定程度时，GCC材料的抗碳化性能反而有所降低.三种纤维掺量相比较，纤维掺量为1.5%时，GCC材料的抗碳化性能最好；纤维掺量为2%时，GCC材料的抗碳化性能较好.

GCC试样在试验中的碳化深度与纤维掺量之所以呈现图1的变化规律，主要原因如下：

1) 在碳化初期，影响材料碳化速率的主要原因是CO2向材料内扩散的速度.在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等多种原因，在GCC内部产生很多大小不同的毛细管、孔隙和气泡等，大气中的CO2通过这些孔隙向材料内部快速扩散，并溶解于孔隙内的液相，在孔隙溶液中与水泥水化过程中产生的可碳化物质发生反应，因此在碳化初期，碳化速率最大.随着碳化进程的持续，一方面，由于碳化反应的主要产物碳酸钙属非溶解性盐，比原反应物的体积膨胀，GCC材料中的凝胶孔隙和部分毛细孔隙将被碳化产物堵塞，使GCC材料的密实度和强度有所提高，一定程度上阻碍了CO2向材料内部的扩散，使GCC材料的碳化速率减缓；另一方面，GCC材料中掺加了大量的粉煤灰，在碳化的中后期过程中，粉煤灰的二次反应开始发挥作用，粉煤灰中的活性SiO2开始与Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙，水化产物填充原有孔隙，逐步使得材料趋于密实，从而使材料碳化速率减慢.因此，无论何种情况，GCC材料的碳化速率总的趋势是随着碳化进程的发展而减缓.

2) 在GCC材料中掺加一定量的纤维，可以改变水泥基体内部结构，当纤维分散较好时，可以在水泥基体中形成致密的网状结构，改善水泥基体内部结构，提高材料的抗碳化性能.但随着纤维掺量增多，纤维分散的均匀性降低，局部出现结团的机率增加，反而会使水泥基体产生更多细小孔隙，加速材料的碳化进程，减弱材料的抗碳化性能.

2.3 水胶比对GCC碳化速率的影响

在同一纤维掺量、不同水胶比条件下，由试验测得的GCC试件碳化深度随碳化时间的变化曲线如图2所示.

图2水胶比与碳化深度的关系
Fig.2Relationshipbetweenwaterbinderratioandcarbonationdepth

由图2可见，水胶比为0.40、0.45、0.50时，GCC的碳化深度均随着碳化时间的增加而增加，尽管B-2.0组(即水胶比为0.45、纤维掺量为2%的试样)碳化速率出现了跳跃，但并不影响碳化深度随碳化时间增加而逐渐上升的趋势.B-2.0组试样碳化速率呈现突增，可能是B-2.0组试块纤维分散不均匀而在水泥基体中产生较多微小孔隙，致使其碳化速率突然加快所致.

随着水胶比的增加，试样碳化深度明显增加，表明GCC材料的抗碳化性能逐渐降低.这一结果也与其他学者研究水灰比对水泥基复合材料碳化性能的影响结论一致[13].出现这一变化规律的原因是因为水胶比是决定GCC材料孔结构与孔隙率的主要因素，其中游离水的多少关系着孔隙饱和度的大小，而材料碳化反应就是发生在孔隙溶液中，当水胶比增大时，材料的密实性显著降低，致使GCC材料的碳化深度随着水胶比增加而增加，减弱了材料的抗碳化性能.

3 结论

通过对绿色韧性水泥基复合材料GCC的抗碳化性能试验，研究了纤维掺量和水胶比二元因素对材料抗碳化性能的影响规律，得出以下结论：

1) 绿色韧性水泥基复合材料GCC随着碳化时间的增大，碳化深度逐渐增加，但碳化速率逐渐减小.一般情况下，材料的碳化深度在结构设计使用年限内不会到达钢筋表面.

2) 掺加一定量的纤维改善了GCC材料的抗碳化性能，但超过一定临界值时，GCC材料的抗碳化性能反而有所降低.本文中纤维掺量为1.5%时，GCC材料抗碳化性能较好.

3) 水胶比影响水泥基复合材料的抗碳化性能，随着水胶比的增加，GCC材料的抗碳化性能逐渐降低.

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Experimentoncarbonationpropertiesofgreenductilecementitiouscomposite

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Abstract：In order to study the durability of green ductile cementitious composite (GCC), a quick carbonization test was carried out.The carbonation resistant performance of GCC as well as the influence rule of water binder ratio and fiber content on the carbonation performance were studied.The results show that with increasing the carbonization time, the carbonization depth of GCC gradually increases, but the carbonization rate gradually decreases.The carbonation resistant performance of GCC can be improved by adding a certain amount of fiber.However, the carbonation resistant performance of GCC decreases when the fiber content is more than a critical value.The water binder ratio has significant effect on the carbonation resistant performance of GCC.The carbonation resistant performance of GCC gradually reduces with increasing the water binder ratio.

Key words：tailings sand; green building material; cementitious composite; PVA fiber; fiber content; water binder ratio; carbonation test; carbonation depth

基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究计划项目(LGD2016007).

作者简介：鲍文博(1958-)，男，辽宁大连人，教授，博士，主要从事结构动力学及新型建筑材料等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶12在中国知网优先数字出版.网络出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2112.016.html

绿色韧性水泥基复合材料碳化性能试验*