玄武岩织物增强碱激发砂浆高温后抗弯力学性能

朱德举，彭卓，任京华，史才军，郭帅成

（1.绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；3.山东天意高科技有限公司，山东 济宁 272000）

碱激发胶凝材料是指使用激发剂（苛性碱、碱性盐）活化铝硅酸盐掺合料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、偏高岭土等）得到的胶凝材料[1].使用碱激发胶凝材料代替硅酸盐水泥可以有效降低能耗和碳排放，实现对工业废渣的有效利用，碱激发材料具有更优异的抗酸腐蚀、硫酸盐侵蚀和氯离子渗透侵蚀能力[2-5].与硅酸盐水泥基材料类似，碱激发材料同样具有较低的抗弯/抗拉强度和较差的抗裂性.织物增强可以有效提升水泥基材料的抗裂性和力学性能[6-8].织物增强水泥基复合材料（Fabric Reinforced Cementitious Matrix Composite，FRCM；或称为Textile Reinforced Mortar，TRM）具有轻质高强的特点[9-10]，已被应用于薄壁构件以及既有结构的加固和修复等[11-12].目前，针对织物增强碱激发材料的研究相对较少，特别是在其耐高温性能方面.TRM 保护层厚度较薄，在高温条件下，基体对纤维的保护作用较为薄弱[13-14]，作为一种应用前景广阔的新型复合材料，织物增强碱激发材料的高温力学性能研究具有重要意义.

文献[15]通过拔出试验系统地研究了100 ℃、150 ℃、200 ℃、400 ℃及600 ℃高温处理后TRM 薄板中碳纤维束与硅酸盐水泥基体之间的界面黏结性能，结果表明，在150 ℃温度作用下，可以观察到涂覆聚合物的碳纤维与基体之间存在聚合物互锁机制，这一机制会显著增大最大拔出力.Xu 等[16]通过三点弯曲试验对碳-玻混编织物增强硅酸盐水泥薄板试件的高温力学性能进行了研究，结果表明，纤维表面的环氧树脂涂层在200 ℃高温下作用90 min 后会发生严重劣化，造成纤维网与基体之间的界面黏结破坏和构件承载力的大幅下降.Rambo 等[17]研究了高温对聚合物涂层玄武岩织物增强高铝水泥力学性能的影响，结果表明，由于涂层的高温分解、玄武岩纤维的劣化以及基体的干燥开裂，导致当温度超过400 ℃时复合材料的承载力急剧下降.

本文研究了高温对玄武岩织物增强碱激发矿渣粉煤灰砂浆试件抗弯力学性能的影响，同时分析了环氧树脂涂层对碱激发基体-玄武岩织物性能的影响，并进一步分析了织物层数、基体类型对涂覆处理后的织物增强试件抗弯力学性能的影响.

1 试验测试

1.1 试件制备

本试验选用的材料：P·I 42.5 型硅酸盐水泥；矿渣，密度2.9 g/cm3，比表面积446 m2/kg；粉煤灰，密度2.3 g/cm3，比表面积290 m2/kg，通过X 射线荧光光谱分析（XRF）测定矿渣、粉煤灰化学组成如表1 所示；99%纯度的NaOH 粉末；硅酸钠溶液，质量组成为9.5%Na2O、28.5%SiO2、62%H2O；水，自来水；砂的粒径分别为0～0.6 mm 和0.6～1.2 mm.玄武岩纤维织物由江苏康达夫新材料科技有限公司生产，采用经纬编织方式，网格尺寸5 mm×5 mm，如图1 所示（采用经向测试）.环氧树脂胶（EP）为湖南固特邦土木技术发展有限公司研发的JN-C3P 改性环氧胶黏剂.根据《碳纤维复丝拉伸试验方法》（GB/T 3362—2005）测得经向纤维束的力学参数如表2 所示.

表2 玄武岩纤维束性能指标Tab.2 Properties of basalt fiber yarns

图1 玄武岩织物形态Fig.1 Morphology of basalt textile

表1 矿渣和粉煤灰的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical compositions of slag and fly ash（mass fraction） %

制备了工作性能和力学性能均较好满足织物增强基体要求的碱激发砂浆，配合比见表3.碱激发砂浆的高温抗折性能如图2 所示.为提高玄武岩织物耐碱性和织物与基体的黏结强度，制备试件前先用环氧树脂对玄武岩织物浸渍.试件采用了铺网－注浆法制备，其中试件分为2 层织物增强和4 层织物增强两组.如图3（a）所示，首先将织物布置在模具（590 mm×270 mm）内，2 层和4 层织物的间距分别为5 mm 和3 mm，并且每层织物的经向纤维束保持对齐.由图3（b）可知，搅拌后的水泥砂浆基体具有良好的流动性，可以透过织物，并且没有分层离析；由图3（c）可知，浇筑成型的TRM 板表面平整、无明显泌水现象.最后，将浇筑完成的试件轻微振捣，抹平，室温养护24 h 后拆模，放入标准养护室（温度（20±2）℃，湿度不低于95%）继续养护28 d.将养护完成后的薄板切割成230 mm（长）×30 mm（宽）×15 mm（厚）的待测试样.由图3（d）可知，试件切面无明显空洞和破坏情况，基体与纤维编织网的黏结界面较为密实.

图2 高温对碱激发基体抗折强度的影响Fig.2 Effect of elevated temperature on the flexural strength of alkali－activated matrix

图3 玄武岩织物增强砂浆试件的制备Fig.3 Preparation of the basalt textile reinforced mortar specimen

1.2 测试仪器与方法

试件的高温处理采用马弗炉（型号SX－5－12），从室温24 ℃开始，以10 ℃/min 的升温速率分别加热至200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃，恒温60 min，然后关闭马弗炉，待全部试件自然冷后再进行加载试验.

三点弯曲试验采用MTS 万能试验机（型号C43.304），如图4 所示，试验加载过程中采用位移控制，加载速率为0.5 mm/min，跨距为150 mm.采用引伸计测量试样的跨中位移，每组试验测试3 个试件.本试验中试件的编号规则如下：第1 项为基体类型，A 代表碱激发水泥砂浆，P 代表硅酸盐水泥砂浆；第2 项为织物层数L；第3 项为环氧树脂处理，EP 表示织物经环氧浸渍处理，未处理则省去该项；第4 项为高温处理温度T，例如AL4EPT200℃表示经200 ℃高温处理的环氧浸渍4 层玄武岩织物增强碱激发砂浆试件.

图4 弯曲试验装置Fig.4 Setup for the flexural test

2 结果与讨论

2.1 环氧树脂对高温后抗弯力学性能的影响

4 层玄武岩织物增强碱激发矿渣粉煤灰砂浆试件高温处理后的弯曲性能如图5 所示，其中图5（a）和（b）分别表示无环氧树脂浸渍和有环氧树脂浸渍的试件.试件的弯曲应力-应变曲线可以分为3 个阶段，第1 阶段即线性阶段，此阶段砂浆基体未开裂，基体和织物共同承受荷载.第2 阶段即非线性阶段，砂浆基体初次开裂后，织物纤维开始承担受拉区的荷载.第3 阶段即破坏阶段，受拉区的织物逐步断裂.图6 为碱激发矿渣粉煤灰砂浆基体中有无环氧树脂浸渍的玄武岩纤维形态图.

图5 4 层织物增强碱激发砂浆试件高温后的弯曲应力-应变曲线Fig.5 Flexural stress-strain curves of 4-layer textile reinforced alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

图6 高温后碱激发矿渣粉煤灰砂浆基体中的玄武岩纤维形态图Fig.6 Basalt textile embedded in alkali-activated slag fly ash mortar matrix after exposure to elevated temperatures

基于高温处理后弯曲试验获得的力学性能参数如表4 所示，包括开裂应力、开裂应变、抗弯强度和峰值应变.随着温度升高，AL4 试件的抗弯强度呈下降趋势，其抗弯强度在200 ℃，400 ℃，600 ℃和800℃条件下分别降至室温下的81.40%、55.73%、39.29%和11.25%.由图6（a）可知，碱激发基体会随着温度升高出现剥落，至800 ℃时基体稀疏多孔并且细骨料颗粒暴露.玄武岩纤维束会随着温度升高变得松散，至800 ℃时容易发生脆性断裂.由于基体和纤维性能严重劣化，致使经800 ℃高温处理1 h 时试件出现单一裂缝破坏并且基本丧失了承载力.

表4 4 层织物增强碱激发砂浆试件高温后的弯曲力学参数Tab.4 Flexural mechanical properties of 4-layer textile reinforced alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

浸渍环氧树脂可以增强纤维束的整体性，增加其协调受力能力，从而提高试件的抗弯承载力.由表4 可知，常温下AL4EP 试件的抗弯强度相对于AL4试件提高了20.49%.AL4EP 试件的抗弯强度同样会随着温度升高而下降，其抗弯强度在200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃条件下分别降至室温下的79.31%、55.93%、17.84%和5.82%.与AL4 试件比较，在T<600 ℃时，AL4EP 试件的抗弯强度高于AL4 试件的抗弯强度；当T≥600 ℃，AL4EP 试件的抗弯强度开始低于AL4 试件的抗弯强度.随温度升高，AL4EP试件的峰值应变与AL4 试件的变化趋势不同，呈增大趋势，至600 ℃达到最大；800 ℃时处理后试件的抗弯强度和峰值应变都近乎为0.

环氧树脂浸渍的玄武岩织物形态如图6（b）所示，结果表明环氧树脂涂层会随着温度升高逐渐分解，在温度达到600 ℃时完全挥发，导致纤维松散不成束.这一结果同上述AL4EP 试件抗弯性能测试结果一致，在温度达到600 ℃时由于环氧树脂完全分解破坏了玄武岩纤维与基体的黏结，导致承载力出现大幅下降，开始低于AL4 试件的强度.由于环氧树脂的逐步分解，界面黏结力随着温度的升高逐步变差，纤维与基体在受力时的相对滑移逐渐增大，因此在600 ℃温度范围内AL4EP 试件的峰值应变呈增大趋势.同时温度升高会导致环氧树脂浸渍纤维表面颜色改变，在200 ℃时由乳蓝色变成透明的蓝色，而400 ℃时涂覆环氧树脂的纤维表面呈红褐色.

图7 为4 层玄武岩织物增强碱激发矿渣粉煤灰砂浆试件的破坏形态.在弯曲荷载作用下，有无环氧树脂浸渍的TRM 试件都表现出多裂缝扩展的特征.随着温度升高，AL4 和AL4EP 试件的裂缝数目均会减少.到800 ℃时，由于纤维束和基体黏结力的丧失，TRM 试件呈现单一裂缝破坏特征，且随着温度升高，AL4EP 试件的主裂缝宽度逐渐变大，并且裂缝间距增加，这一现象与界面黏结性能下降、相对滑移增大相符.

图7 高温后AL4 和AL4EP 试件的裂缝Fig.7 Crack patterns of AL4 and AL4EP specimens after exposure to elevated temperatures

2.2 基体类型对高温后抗弯力学性能的影响

图8（a）和（b）分别为2 层环氧树脂浸渍玄武岩织物增强硅酸盐水泥砂浆和碱激发砂浆试件高温后的弯曲应力-应变曲线.由2.1 节可知800 ℃高温时试件承载力已基本丧失，因而后续研究中最高温度限定为600 ℃.表5 汇总了弯曲荷载作用下试样的力学性能参数.

图8 2 层玄武岩织物增强硅酸盐水泥砂浆和碱激发砂浆试件高温后的弯曲应力-应变曲线Fig.8 Flexural stress-strain curves of 2-layer basalt textile reinforced portland cement mortar and alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

由表5 可知，温度分别升高至200 ℃，400 ℃和600 ℃时，PL2EP 试件的抗弯强度分别降至室温下的83.90%、59.17%和12.80%，而AL2EP 试件抗弯强度分别降至室温下的87.19%、77.53%和33.18%.这表明碱激发基织物增强材料的耐高温性能优于硅酸盐水泥基织物增强材料.高温处理后AL2EP 和PL2EP的破坏形态如图9 所示，结果表明，高温会导致水泥基体的开裂和表面剥落，造成力学性能劣化，出现如图9（e）所示的纵向裂缝.硅酸盐水泥基体的开裂会降低其对玄武岩织物的保护效果，在600 ℃高温作用后，由于织物的劣化造成试件抗弯强度显著降低.而碱激发砂浆具有良好的耐高温性能，高温处理后试件完整性保持较好，均没有出现界面剥离现象，如图9（b）（d）（f）所示.碱激发基体可以提升高温时对玄武岩织物的保护，使其600 ℃高温处理后残余抗弯强度依然高于原始强度的30%.

表5 2 层织物增强硅酸盐水泥砂浆和碱激发砂浆试件高温后的弯曲力学参数Tab.5 Flexural mechanical properties of 2-layer textile reinforced portland cement mortar and alkali-activated mortar specimens after exposure to elevated temperatures

图9 AL2EP 和PL2EP 试件高温后的破坏形态Fig.9 Failure patterns of AL2EP and PL2EP specimens after exposure to elevated temperatures

2.3 织物层数对高温后抗弯力学性能的影响

由图7 和图9 可知，织物层数会影响试件的抗弯破坏形态.在400 ℃高温处理后，4 层织物增强试件依然保持多重开裂的破坏模式，而2 层织物增强试件呈现单一裂缝破坏特征；并且4 层织物试件的极限应变要高于2 层织物试件，原因在于2 层织物对基体加固效果不足，受弯加载时出现脆性断裂的特征.比较表4 和表5 可知，常温下，AL4EP 试件的抗弯强度比AL2EP 试件高9.29 MPa；经高温处理后，在温度分别为200 ℃、400 ℃和600 ℃时，AL4EP试件的抗弯强度比AL2EP 试件的抗弯强度分别高6.69 MPa、3.34 MPa 和0.34 MPa.随温度升高，增加织物层数对试件的抗弯强度的增强作用逐渐下降，主要原因是纤维束力学性能退化和环氧树脂的挥发导致纤维束-基体黏结强度劣化，在600 ℃高温情况下，增加层数对抗弯强度的影响基本可以忽略不计.

3 结论

通过本文的试验研究可以得到以下结论：

1）高温会降低玄武岩织物增强碱激发矿渣粉煤灰砂浆试件的抗弯力学性能，并影响其破坏形态，由常温状态下的多裂缝扩展、经800 ℃高温处理后转变为单一裂缝破坏.

2）环氧浸渍在600 ℃以下时有助于提升织物增强试件的抗弯强度；而在600℃以上，由于改性环氧胶的分解导致界面性能劣化，会使得试件强度大幅下降.

3）碱激发矿渣粉煤灰基试件的耐高温性能优于硅酸盐水泥基试件，在高温时没有出现明显开裂剥落情况，可以为环氧浸渍玄武岩织物提供更好的保护作用.

4）增加织物层数在一定程度上能提高TRM 试件高温后的力学性能，但提升效果随温度升高逐渐减弱.温度达到600 ℃时，由于纤维力学性能的劣化和环氧树脂的分解，增加织物层数对试件抗弯承载力几乎没有影响.