聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在长期浸泡作用下抗硫酸盐侵蚀性能_刘曙光(1)

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅｓ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ ０１００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｆｌｙ ａｓｈ ｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ／ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）ｔｏ ｓｕｌｆａｔｅ ａｔｔａｃｋ ｕｎｄｅｒ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｃｈａｎｇｅ， ｑｕａｌｉｔｙ ｃｈａｎｇｅ， ｖｏｌｕｍｅ ｃｈａｎｇｅ， ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｔｅｓｔｅｄ ａｆｔｅｒ ｓｅｖｅｒａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｅｒｉｏｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｓｌｏｗｓ ｄｏｗｎ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ／ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｂｕｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆｌｙ ａｓｈ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｓｏｌｉｄｓ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ／ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ａｎｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ／ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｔｏ ｓｕｌｆａｔｅ ａｔｔａｃｋ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｏｐｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ５０％ ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｆｉｂｅｒｓ；ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｓｕｌｆａｔｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｑｕａｌｉｔｙ ｃｈａｎｇｅ；ｖｏｌｕｍｅ ｃｈａｎｇｅ； ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｈａｎｇｅ
项 目 （ＮＪＺＹ１２０５８；１３１０４）；内 蒙 古 工 业 大 学 科 学 研 究 项 目 （ＺＳ２０１１３７） 通 讯 作 者 ：刘 曙 光 ，硕 士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 混 凝 土 基 本 理 论 与 研 究 工 作 Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｓｇ６０１１＠１２６．ｃｏｍ
刘曙光＊ ，赵晓明，张 菊，闫长旺
（内蒙古工业大学 矿业学院，呼和浩特 ０１００５１）
摘 要： 为了研究纤维和粉煤灰对长 期 浸 泡 作 用 下 聚 乙 烯 醇 纤 维 增 强 水 泥 基 复 合 材 料 （ＰＶＡ 纤 维／水 泥 复 合 材 料 ）抗 硫 酸 钠 侵 蚀 的 影 响 ，对 多 次 试 验 周 期 后 的 试 件 表 观 形 貌 变 化 、质 量 变 化 、体 积 变 化 、抗 压 强 度 和 微 观 结 构 进 行分析研究。试验结果表明，纤维的掺入及良好的分 散，在 水 泥 基 体 中 形 成 了 良 好 的 网 络 分 布 结 构 ，使 ＰＶＡ 纤 维／水泥复合材料在硫酸钠溶液中的侵蚀速度减缓，但纤维 掺 量 有 一 个 最 佳 值；粉 煤 灰 的 掺 入 在 一 定 程 度 上 密 实 了 ＰＶＡ 纤维／水泥复合材料，使其抗硫酸钠侵蚀性能得 到 改 善，质 量 分 数 在 ５０％ 之 内 时 随 着 掺 量 的 增 加 而 更 加 明显。 关 键 词 ： 聚 乙 烯 醇 纤 维 ；水 泥 基 复 合 材 料 ；抗 硫 酸 盐 侵 蚀 ；质 量 变 化 ；体 积 变 化 ；强 度 变 化 中 图 分 类 号 ： ＴＢ３３２ 文 献 标 志 码 ： Ａ
第 ２、４、１１、１８、２５ 次 周 期 结 束 后，参 照 ＧＢ／Ｔ ５００８１－２００２［１１］进 行 抗 压 强 度 测 试。 对 ２５ 周 期 结 束后的试件取样，进行扫描电镜（ＳＥＭ）观 测，对 硫 酸盐损伤 ＰＶＡ 纤 维／水 泥 复 合 材 料 的 微 观 结 构 进 行分析。
１ 实 验 方 法
１．１ 原 材 料 与 配 比 试验所采用的基本材料如下：ＰＶＡ 纤维：日本
Ｋｕｒａｒａｙ公司生产的 Ｋ－ Ⅱ可乐纶，具 体 参 数 如 表 １ 所示。水 泥：唐 山 冀 东 水 泥 厂 生 产 的 Ｐ．Ｏ４２．５ 级 普通硅酸盐水泥；石英砂：精 选 １００～２００μｍ 优 质 石英砂；减水剂：大连 西 卡 建 筑 材 料 有 限 公 司 生 产 的改性 聚 羧 酸 盐 类 高 效 减 水 剂 （Ｓｉｋａ Ｖｉｓｃｏ Ｃｒｅｔｅ ３３１０Ｅ）；粉煤灰：内蒙古达拉特旗华宇环保建材 有 限公司生产的Ⅰ 级 粉 煤 灰；增 稠 剂：湖 州 展 望 天 明 药业有限责任公司生产的羟丙基甲基纤维素。
遭受环境因素的侵蚀是导致水泥基材料性能退 化 的 直 接 原 因 之 一 ，硫 酸 盐 侵 蚀 是 水 泥 基 材 料 受 环 境因素作用而发生损伤累积破坏的重要形 式 。 ［１］ 硫 酸 根 离 子 与 水 泥 水 化 产 物 的 化 学 反 应 、侵 蚀 产 物 的 结 晶 析 出 与 膨 胀 可 对 水 泥 基 材 料 造 成 严 重 破 坏 ，表 现为 膨 胀、开 裂、剥 落 以 及 强 度 损 失 等，这 是 一 个 十分复杂的 物 理 化 学 力 学 变 化 过 程［２］。Ａｌ－Ｄｕｌａｉ－ ｊａｎ等 研 ［３］ 究 了 混 凝 土 在 不 同 浓 度 硫 酸 钠 溶 液 中 的
０ ０ ０ ０ ０ ０．１ ０．３ ０．５
０．４ ０．６ ０．４ ０．６ ０．４ ０．６ ０．４ ０பைடு நூலகம்６ ０．４ ０．６ ０．４ ０．６ ０．４ ０．６ ０．４ ０．６
Ｆｉｂｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ／％ ０ ０．５ １ １．５ ２ １．５ １．５ １．５
表２ ＰＶＡ 纤维／水泥复合材料质量比 Ｔａｂｌｅ ２ Ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｆｏｒ ＰＶＡ ｆｉｂｅｒ／ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
Ｎｕｍｂｅｒ Ｃｅｍｅｎｔ Ｆｌｙ ａｓｈ Ｗａｔｅｒ Ｑｕａｒｔｚ ｓａｎｄ
Ｆ０ Ｆ０．５ Ｆ１ Ｆ１．５ Ｆ２ ＦＡ１ ＦＡ３ ＦＡ５
１ １ １ １ １ ０．９ ０．７ ０．５
Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｔｏ ｓｕｌｆａｔｅ ａｔｔａｃｋ ｕｎｄｅｒ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ
ＬＩＵ Ｓｈｕｇｕａｎｇ＊ ，ＺＨＡＯ Ｘｉａｏｍｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕ，ＹＡＮＧ Ｃｈａｎｇｗａｎｇ
酸 钠 溶 液 中 浸 泡 ，并 使 溶 液 液 面 没 过 试 块 上 表 面 不
小于５ｃｍ，以１４天 为 一 个 周 期。 每 两 个 周 期 更 换 一次溶液，在２、４、８、１１、１５、１８、２２、２５ 周 期 结 束 后 ，对 试 块 进 行 外 观 拍 照 、质 量 测 量 、体 积 测 量 。
表 １ 聚 乙 烯 醇 （ＰＶＡ）纤 维 的 基 本 特 性
Ｔａｂｌｅ １ Ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｆｉｂｅｒ
Ｄｅｎｓｉｔｙ／ Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ／ Ｔｅｎｓｉｌｅ
Ｅｌａｓｔｉｃ
Ｔｙｐｅ
（ｇ·ｃｍ－３） ％
ｓｔｒｅｎｇｔｈ／ＭＰａ ｍｏｄｕｌｕｓ／ＧＰａ
侵蚀 性 能，结 果 表 明，浓 度 越 高，硫 酸 盐 对 混 凝 土 的腐蚀越严重。梁咏宁等 探 ［４］ 索了硫酸钠和硫 酸 镁 溶 液 对 混 凝 土 的 腐 蚀 破 坏 机 制 ，认 为 两 种 溶 液 对 混 凝 土 侵 蚀 机 制 相 似 ，但 硫 酸 钠 溶 液 对 混 凝 土 的 侵 蚀 更严重。杨 全 兵 等 的 ［５］ 试 验 结 果 表 明，经 Ｎａ２ＳＯ４ 溶 液 干 湿 循 环 后 ，盐 结 晶 产 生 的 混 凝 土 膨 胀 和 剥 蚀 破坏随着盐浓度和干湿循 环 次数 的 增 加 而增加。 Ｓｉｌｄｅｒｉｓ等 探 ［６］ 索了 矿 物 掺 和 料 对 混 凝 土 抗 硫 酸 盐
收 到 初 稿 日 期 ：２０１２－１２－１８；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１３－０５－３０；网 络 出 版 时 间 ：２０１３－０６－２１ １１：１２：００ 网 络 出 版 地 址 ：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１８０１．ＴＢ．２０１３０６２１．１１１２．００８．ｈｔｍｌ 基金项目：国家自然科学基金（５０９６８０１１；５１１６８０３３）；内蒙古自然 科 学 基 金（２０１２ＭＳ０７０６；２０１３ＭＳ０７０９）；内 蒙 古 自 治 区 高 等 学 校 科 学 研 究
Ｋ－ Ⅱ １．３
６
１６００
４０
ＰＶＡ 纤维／水泥复合材料配合比设计如表 ２ 所 示 ，共 设 计 ８ 种 配 比 ，１４４ 个 试 件 。 １．２ 试 件 制 作 及 试 验 方 法
试验均采用１００ｍｍ×１００ ｍｍ×１００ ｍｍ 立 方 体 试 件 。 试 件 全 部 在 实 验 室 制 备 ，采 用 强 制 式 搅 拌 机搅拌，振动 台 上 完 成 振 捣。 试 件 成 型 ２４ｈ 后 拆 模 ，在 标 准 养 护 室 （温 度 为 （２０±３）℃ ，相 对 湿 度 为 ９０％ 以 上 ）中 养 护 ２８ 天 后 进 行 试 验 。
Ｆ－Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｆｉｂｅｒ；Ａ－ Ｆｌｙ ａｓｈ．
参 考 文 献 ［１０］中 的 试 验 方 法 ，侵 蚀 溶 液 选 用 质 量分数为５％的硫酸 钠 溶 液，采 用 长 期 浸 泡 的 方 法 进 行 硫 酸 盐 侵 蚀 试 验 。 具 体 方 法 是 ：将 试 块 置 于 硫
刘 曙 光 ，等 ：聚 乙 烯 醇 纤 维 增 强 水 泥 基 复 合 材 料 在 长 期 浸 泡 作 用 下 抗 硫 酸 盐 侵 蚀 性 能
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侵 蚀 性 能 的 影 响 ，发 现 掺 质 量 分 数３０％ 的 粉 煤 灰 能 提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。
聚乙 烯 醇 （ＰＶＡ）纤 维 增 强 水 泥 基 复 合 材 料 （ＰＶＡ 纤维／水泥复合材料）是一种新型水泥基复合 材料，该 材 料 在 拉 伸、弯 曲、压 缩 等 力 学 性 能 方 面 表现出良好 的 韧 性 和 优 异 的 裂 缝 控 制 能 力［７－９］，这 将在一定程度上改善普通混凝土易裂导致的外界有 害物 质 的 侵 入，如 水、氧 气、二 氧 化 碳 以 及 氯 离 子 等较容易进入 混 凝 土 结 构 内 部，引 发 混 凝 土 碳 化、 钢筋锈 蚀，进 而 影 响 钢 筋 混 凝 土 的 寿 命。 目 前， ＰＶＡ 纤维／水泥复合材料的抗硫酸盐长期浸泡侵蚀 性 能 尚 不 清 楚 ，本 文 中 采 用 不 同 纤 维 掺 量 和 不 同 粉 煤灰掺量的 ＰＶＡ 纤维／水泥复合材料，研究其经长 期 浸 泡 后 的 质 量 变 化 、体 积 变 化 及 抗 压 强 度 退 化 规 律，并分析了 ＰＶＡ 纤维／水泥复合材料的抗硫酸盐 长期浸泡侵蚀性能。
复合材料学报 Ａｃｔａ Ｍａｔｅｒｉａｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔａｅ Ｓｉｎｉｃａ
文 章 编 号 ：１０００－３８５１（２０１３）０６－００６０－０７
第３０卷 第６期 １２月 ２０１３年 Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１３
聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在长期浸泡 作用下抗硫酸盐侵蚀性能