基金项目:陕西省科技计划项目(2018SF-364); 陕西省交通科技项目(19-10T; 19-28K); 中央高校基本科研业务费专项资金资助(310831153409,300102218502,300102318401)
通信作者:李海滨(1980-),男,山东潍坊人,副教授,硕士生导师,E-mail:lihaibin1212@126.com
(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院,陕西 西安 710054; 2.中北工程设计咨询有限公司,陕西 西安 710068)
(1.CCollege of Civil and Architectural Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 2.Zhongbei Engineering Design Consulting Co.,Ltd.,Xi'an 710068,China)
cement mortar; CaSO4whiskers; mechanical properties; physical properties; enhancement mechanism
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0306
In view of the various requirements of the environment of cement mortar,and the characteristics of calcium sulfate whiskers,the external admixture method is used to add calcium sulfate whiskers to the cement mortar,in order to achieve the purpose of strengthening and toughening.Through experiments, the effects of calcium sulfate whiskers with 2%,4%,6% and 8%(mass percent)on the physical properties and mechanical properties of cement mortar have been analyzed.The calcium sulfate whisker's content and water cement ratio when cement mortar has the best working performance and the mechanical strength is optimal.The strength enhancement mechanism is analyzed by microscopic test.The experimental results show that the setting time of cement mortar is prolonged first and then shortened with the increase of calcium sulfate whisker content.When the content of calcium sulfate whisker is 4%,the cement mortar has the longest setting time; when the water-cement ratio is 0.5,the content of calcium sulfate whisker is 6%,and the cement mortar has the best effect of strengthening the flexural and compressive strength; the calcium sulfate whisker can alleviate the stress concentration at the crack tip of the cement mortar,and hinder the crack development.The bridging effectbetween the whisker and the cement matrix achieves overall reinforcement and toughening.
水泥基材料因为使用范围广泛,被大量用于各种施工,成为现代工程中不可缺少的一种材料[1]。水泥基材料具有诸多优点,如原料来源广、强度高、适应性强、耐久性好及生产成本较低等,在目前施工领域内暂时无法替换[2]。与此同时,其自身的一些缺点也较为明显,如易开裂、脆性大、抗拉强度低、抗冲击韧性差等[3],这些不足使水泥基材料不能向高精尖材料的方向进一步发展。将纤维掺入水泥基材料,以此改善水泥材料性能,是现阶段常用的有效方法,得到的纤维增强水泥基复合材料增强了其耐久性能、力学性能以及韧性[4]。大量研究表明,水泥基材料高性能化的主要途径之一是复合化,其核心是纤维增强。因此,未来水泥基材料在纤维增强基础上的复合化,将是水泥基材料向更高性能发展的重要途径之一[5]。
目前,增强水泥基材料的纤维种类很多,但在应用效果、生产成本、耐久性以及环保性上均存在不足,使纤维增强水泥基材料的发展受到限制,因此,开发高性能、环保型、低成本的纤维成为发展纤维增强水泥基材料的迫切需要[6]。硫酸钙晶须直径极小,尺寸微细,但长径比极大[7],作为单晶体增强材料有许多优点,如生产方式简单,获取材料方便等。将硫酸钙晶须作为矿物微纤维增强水泥基材料是一种新尝试和新探索。此前,张冬梅等进行了硫酸钙晶须对再生混凝土耐久性能的影响研究,结果表明硫酸钙晶须能够有效增强再生混凝土的抗渗性及耐水性等耐久性能[8]; 张弛等分析了硫酸钙晶须对水泥基复合材料影响机理,揭示了在提高水泥基复合材料强度的过程中,硫酸钙晶须与聚丙烯纤维的分工与作用[9]。文中从提高水泥基材料的强度和韧性角度,研究硫酸钙晶须在水泥砂浆中的适应性,并从微观角度分析说明水泥砂浆强度提高的机理,是水泥基材料的纤维增强复合化有益尝试。
实验所采用的硫酸钙晶须外观为白色蓬松状粉末,平均粒径为200 nm,长径比为100,其X射线衍射(XRD)结果及电子显微镜下的微观形貌如图1及图2所示,主要技术指标见表1.水泥为宝鸡生产的海螺牌42.5号普通硅酸盐水泥,表观密度为3.11 g/cm3,比表面积为343 m2/kg.
将硫酸钙晶须掺量按照0%,2%,4%,6%,8%的比例掺入水泥砂浆,水灰比根据既有经验拟定为0.45,0.50,0.55,采用外掺法将硫酸钙晶须分别加入水泥砂浆,通过改变晶须的掺量,对水泥砂浆的流动性、凝结时间、抗折及抗压强度进行测试,考察晶须对水泥砂浆物理和力学性能的影响。物理性能方面,主要研究晶须对水泥砂浆的流动性和对水泥砂浆凝结时间的影响。力学性能方面,主要考察晶须对砂浆抗压强度和抗折强度的改善,从而推荐适宜的水灰比,以及晶须的最适宜掺量,并通过微观测试对晶须改善水泥砂浆性能的作用机理进行分析。
按照水灰比0.45,0.5,0.55,灰砂比0.33,硫酸钙晶须掺量0,2%,4%,6%,8%的比例,分别配制水泥砂浆,探究各因素对流动度的影响。实验结果如图3所示。
由图3可知,在水灰比确定的情况下,随着硫酸钙晶须掺量的增加,砂浆的扩散直径随之变小即流动度呈下降趋势。当晶须掺量由0%增加到2%时,流动度小幅降低,平均降幅为6%; 当晶须掺量由2%升到4%时,砂浆流动度降低的幅度变大,平均降幅为11%; 当晶须掺量由6%增加到8%时,此时砂浆的流动度降低幅度很小,平均仅为5%.由测试结果可知,在水灰比一定的情况下,当硫酸钙晶须掺量2%时,砂浆流动度变化不大,其流动性没有显著的劣化现象,这主要是因为硫酸钙晶须超细的针状结构和较高的弹性模量[10]能够使晶须在水泥浆体中保持均匀分布,且晶须间相互缠绕现象比较少,在砂浆中也不会缠绕成团[11]。由于硫酸钙晶须表面光洁,一定程度上可以减少水泥砂浆基体的内部流动和剪切阻力[12],降低流动度损失。但当硫酸钙晶须掺量过多后,单位体积的砂浆晶须表面积和分布密度会随之增加[13],裹覆晶须表面所需要的水泥砂浆也随之增大,因此,当水泥浆数量不变时,砂浆的连续性降低,进而流动性降低[14]。
当硫酸钙晶须掺量确定时,随着水灰比的增大,单位体积水泥的用水量变多,流动度数值随之增大。水灰比由0.45增大到0.5时,流动度数值平均增大约25%; 当水灰比由0.5增大为0.55时,流动度平均增大约30%,因此,随着水灰比的增大,水泥砂浆的流动度增大趋势也在逐渐变大。
在标准用水量的前提下,掺加0%,2%,4%,6%,8%这5个不同掺量的硫酸钙晶须,分别进行凝结时间测定,分析硫酸钙晶须对水泥砂浆初凝及终凝时间的影响。
由图4可知,水泥中加入硫酸钙晶须可起到缓凝的作用,延长水泥的初凝和终凝时间,但如果硫酸钙晶须掺量过高,会使水泥砂浆的凝结时间变短。硫酸钙晶须的掺量在4%以下时可起到缓凝效果,但当掺量大于4%后,将不再起到缓凝效果,导致凝结时间缩短。
这主要是由于硫酸钙晶须在水泥浆中会部分溶解,可以延缓凝结时间[15],但硫酸钙晶须的溶解需要消耗水,且在水泥浆中呈杂向分布,水泥浆对晶须的包裹,增大了水泥浆的稠度[16]。当硫酸钙晶须的掺量较小,可以起到缓凝的作用,而当硫酸钙晶须的掺量过高,超过临界值时,水泥浆体稠度过高,导致维卡仪试杆下降距离变短,凝结时间缩短[17]。
以水灰比0.45,0.5,0.55,硫酸钙晶须掺量为水泥质量的0%,2%,4%,6%,8%,灰砂比为0.33分别制备水泥砂浆三联模试件(图5),试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm.制备好试件后,将试件放至养护室,在温度为20±1 ℃和湿度大于90%的养护箱中进行养护。在规定的时间(3,7,28 d)取出试件,按照《水泥胶砂强度试验方法》进行力学测试。试验结果如图6所示。
图6 水灰比0.45,0.50及0.55时试件的抗折抗压强度
Fig.6 Flexural strength and compressive strength of specimens when water-cement ratio is 0.45,0.50 and 0.55
水灰比为0.55时,随着硫酸钙晶须掺量的增加,水泥砂浆的抗压及抗折强度都随之提高,但由于水灰比过高,其强度最大时仍然较低,故不再研究。当水灰比由0.45增大至0.5时,同等晶须掺量下硫酸钙晶须水泥砂浆的3 d抗折和抗压强度都出现不同程度的下降,但较28 d强度,水灰比为0.5时更大,理论上水灰比越小水泥砂浆的强度越大,但如果水灰比过小,水泥砂浆中水的含量过低,砂浆的和易性必定变差,进而影响流动性,致使工作性能降低[18],强度反而会出现下降现象。水泥砂浆中加入硫酸钙晶须,会使水泥砂浆的稠度变大,流动性变小,且硫酸钙晶须也需要水分才能溶解,因此,水灰比为0.5时更有利于水泥砂浆强度的形成和发展。
选取力学强度最大时的水灰比0.5,在此比例下分别加入硫酸钙晶须0和6%,对2种硫酸钙晶须水泥砂浆进行扫描电子显微镜测试,在微观条件下分析硫酸钙晶须增强水泥砂浆的机理,测试结果如图7所示。
硫酸钙晶须属于矿物微纤维,能够均匀分布在砂浆基体中。图7(a)中可清楚地看到形貌为针状,长径比极大的硫酸钙晶须大部分被水泥浆体包裹,且与水泥浆体基体界面的黏结性较好[19]。当受到外界载荷时,水泥胶体中加入的硫酸钙晶须,可以在较小尺度范围内减缓和阻止基体的破坏进程[20],从而达到增强与增韧的目的,防止水泥砂浆基体出现微裂纹、裂纹扩展和基体失稳破坏的现象[21]。当砂浆内部受到初应力时,其基体内微裂纹数量较多,尺寸较小,此时晶须在裂纹区域内通过对裂纹两端施加闭合应力,尖端的应力集中程度可得到一定程度的缓解[22],从而阻碍微裂纹的的扩展; 随着内部拉应力的不断增加,晶须基体界面上的剪切应力也随之增大,在裂纹尖端区域,晶须拔出数量逐渐增多[23],拔出效应在裂纹扩展的最后阶段已占据主导地位,在晶须拔出的过程中,每根晶须都可以看作是一个微小的耗能机构[24],导致裂缝传递的能量随着晶须滑动时与水泥基体界面的解离和摩擦而被消耗,从而减缓了裂纹的扩展进程[25]。且破坏断面中的晶须数量以拔出为主,这也是基体增韧得以实现的主要原因。
1)硫酸钙晶须将影响水泥砂浆的流动性和凝结时间。当硫酸钙晶须掺量大于2%时,水泥砂浆的流动度降低幅度明显变大; 硫酸钙晶须的掺量为4%时,水泥砂浆的凝结时间最大; 当晶须掺量小于4%时,水泥砂浆凝结时间随晶须掺量增大而增大,当晶须掺量大于4%时,水泥砂浆凝结时间开始逐渐变小。
2)当水泥砂浆的水灰比为0.45,硫酸钙晶须掺量为4%时,水泥砂浆的力学强度达到极值,抗折强度和抗压强度分别增加8.7%和8.8%; 当硫酸钙晶须掺量大于4%后,其力学强度开始降低。
3)当水泥砂浆的水灰比为0.5,硫酸钙晶须的掺量为6%时,水泥砂浆的力学强度达到极值,水泥砂浆的抗折强度和抗压强度分别提高8%和14%,当晶须掺量大于6%后,其力学强度开始下降。此时6%的硫酸钙晶须掺量可以实现水泥砂浆的力学强度最优。
4)硫酸钙晶须水泥砂浆中的水泥浆体裹覆长径比极大的针状硫酸钙晶须,实现空间网状的交联结构,缓解了裂纹尖端的应力集中程度,内部裂纹扩展时,硫酸钙晶须的“门栓”效应,有效消耗了裂纹的扩展能,减缓了裂纹的发展,实现了水泥砂浆的增强和增韧效果。