掺废弃陶瓷纤维增强水泥基复合材料抗冻性能

吴立朋 宋建新 冯宇 通星晨

1.石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室， 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 土木工程学院， 石家庄 050043

水泥基材料因具有取材方便、造价低、生产工艺成熟等优点，被广泛应用于土木工程领域。我国每年废弃陶瓷超过1 000万吨［1］，将废弃陶瓷应用到水泥基材料制备中具有一定的环保价值。然而，水泥基材料受冻融循环影响易开裂［2］，掺入纤维有可能提高水泥基材料的力学性能和耐久性能。

学者们对纤维混凝土的抗冻性能有一些研究。Li等［3］运用微观和细观力学方法，通过掺入体积掺量不超过2%的PVA纤维，得到聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料。赵小明等［4］分析不同冻融次数下纤维混凝土试件相对动弹性模量及强度的变化规律，得出冻融循环次数相同时纤维掺量与强度正相关；相对动弹性模量随冻融循环次数增加而逐渐减小，掺入4%（质量分数）的钢纤维及0.05%（质量分数）的PVA纤维时，混凝土试件抗冻性能最优。李林香等［5］研究了玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维对混凝土耐久性能的影响，发现三种纤维均可有效提高混凝土抗冻性能。杨才千等［6］对不同聚乙烯醇纤维掺量混凝土进行冻融循环试验，得出掺入0.2% ～ 0.4%聚乙烯醇纤维可有效提高混凝土整体密实度和抗冻性能。

除了传统研究方法外，声发射技术［7-8］、X射线CT扫描技术［9-10］等技术也被用于研究纤维增强水泥基材料的抗冻性能。

本文用陶瓷粉替代一部分水泥，陶瓷砂替代普通河砂，在水泥基材料中掺入不同体积掺量的PVA纤维，制成掺PVA纤维和陶瓷粉的水泥基复合材料砂浆试件。通过冻融循环试验、电化学阻抗测试和扫描电子显微镜观察研究砂浆试件的冻融损伤规律。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥为P·I 42.5硅酸盐水泥；废弃陶瓷为瓷砖厂加工地板砖时产生的边角料。将废弃陶瓷地板砖破碎，用实验室标准检验筛逐层筛选，得到粒径0.01 ～0.25 mm的陶瓷砂。陶瓷粉为废弃陶瓷经机械破碎和刚玉球研磨成的粉末，粒径分布见表1。可见，陶瓷粉中粒径小于20 μm的颗粒占82.3%。

表1 陶瓷粉粒径分布

胶凝材料化学成分见表2。可见，陶瓷粉中SiO2和Al2O3含量远大于水泥中相应含量。PVA纤维物理力学性能指标见表3。减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为35%。

表2 胶凝材料化学成分

表3 PVA纤维物理力学性能指标

1.2 试件制备

陶瓷粉以等质量替代水泥的方式掺入，掺量分别为0%、5%、10%、20%、30%。PVA纤维掺量为体积掺量，以外掺方式掺入，掺量分别为1.0%、1.3%、1.6%、1.9%、2.2%。

水泥基复合材料砂浆试件（简称试件）配合比见表4。其中：P2.2表示PVA纤维掺量为2.2%，FT30表示复掺陶瓷粉和PVA纤维，PVA纤维掺量默认为2.2%，陶瓷粉掺量为30%，其他以此类推。陶瓷砂用作细骨料。本文研究纤维增强水泥基材料，砂胶比在0.3 ～ 0.9［11］。

表4 试件配合比

考虑到陶瓷砂颗粒孔隙率大，吸水性强，试件砂胶比取0.25，水胶比取0.31。

试件分为两种：①电化学测试采用边长100 mm的立方体试件；②质量损失率和相对动弹性模量测试采用400 mm（长）× 100 mm（宽）× 100 mm（高）的棱柱体试件。在室温下养护24 h后拆模，放入标准养护箱中养护24 d，然后放入（20 ± 2）℃水中浸泡4 d。

1.3 试验方法

1.3.1 冻融循环试验

将试件放置于多功能气候实验室中，按照GB/ T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法进行冻融循环试验。

每隔20次冻融循环称取试件的质量并进行动弹性模量测试。以3个平行试件测试结果的平均值作为该组试验值。

1.3.2 阻抗参数测试

使用HIOKI IM3570精密阻抗分析仪测试。交流电的电压设置为10 mV，频率设置为4 Hz ～ 5 MHz。测试前将试件放入饱和氢氧化钙溶液中进行真空饱水。使用双电极测试各频率下试件阻抗实部和虚部，对测试结果进行拟合，得到阻抗参数。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

不同PVA纤维掺量下试件质量损失率随冻融循环次数变化曲线见图1。其中，试件质量损失率为冻融循环作用下试件质量变化量与未冻融时试件质量的比值，质量损失率为正表示冻融循环过程中因试件表面剥脱质量减小，质量损失率为负表示在冻融循环过程中试件因吸水质量增加。质量损失率越小，试件抗冻性能越好。

图1 不同PVA纤维掺量下试件质量损失率随冻融循环次数变化曲线

由图1可知：①冻融循环20次时，各试件质量损失率为负值，说明在冻融循环初期试件吸入的水量大于所损失的。②冻融循环20 ～ 100次时试件质量损失率不断增大，硬化浆体与陶瓷砂的黏结作用逐渐减弱，试件剥落越来越严重。③冻融循环100次时不同PVA纤维掺量试件质量损失率均未超过3.0%，P2.2试件质量损失率最小，其值为1.97%，这是因为纤维的桥接作用抑制了冻融损伤的扩展，减轻了试件的剥落。

不同陶瓷粉掺量下试件质量损失率随冻融循环次数变化曲线见图2。

图2 不同陶瓷粉掺量下试件质量损失率随冻融循环次数变化曲线

由图2可知：①随冻融循环次数增加，试件质量损失率在-0.38% ～ 1.97%。冻融循环20次时随陶瓷粉掺量增加，试件质量损失率变化幅度小。原因是陶瓷粉中SiO2和Al2O3含量较高，且粒径小于20 μm的颗粒占82.3%，陶瓷粉火山灰效应和微集料效应改善了试件的密实度，降低了渗透性和吸水性。与陶瓷粉掺量少的试件相比，掺量多的试件吸水量更少。②试件冻融循环100次时陶瓷掺量为30%试件质量损失率最小，试件的抗冻性能最好。随陶瓷粉掺量减小，质量损失率增长缓慢。

2.2 相对动弹性模量

相对动弹性模量可用于表征试件抗冻性能。相对动弹性模量越大，试件抗冻性能越好。

不同PVA纤维掺量下试件相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线见图3。

图3 不同PVA纤维掺量下试件相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线

由图3可知：①随PVA纤维掺量降低，试件的相对动弹性模量下降幅度逐渐增大。②冻融循环20次前，试件的相对动弹性模量下降趋势较缓和，20次后试件的相对动弹性模量下降幅度较明显。③冻融100次时P2.2试件的相对动弹性模量最大，P1.0试件的相对动弹性模量最小，说明增加PVA纤维掺量可提升试件抗冻性能。

PVA纤维掺量2.2%，不同陶瓷粉掺量下试件的相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线见图4。可知：冻融循环过程中不同陶瓷粉掺量试件的相对动弹性模量均大于未掺陶瓷粉试件。随着陶瓷粉掺量增加，相对动弹性模量略有增加。这说明在PVA纤维掺量不变的情况下，随着陶瓷粉掺量增加，试件抗冻性能有所提升。

图4 不同陶瓷粉掺量下试件相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线

2.3 阻抗参数分析

水泥基砂浆试件内部存在三种交流电导电路径，即连续导电路径（Continuous Conductive Path，CCP）、不连续导电路径（Discontinuous Conductive Path，DCP）和“绝缘体”导电路径（Insulator Conductive Path，ICP）［12］。连续导电路径为连通孔，孔中有溶液；不连续导电路径上有间断点（水化产物颗粒或未水化颗粒）和被这些间断点隔开的连通孔，孔中有溶液；“绝缘体”导电路径上有电极间试件，试件通过电容传导交流电。

考虑以上三种路径并联，可以得到试件的等效电路，见图5。其中：RCCP为连续导电路径上的电阻；RCP为不连续导电路径上孔溶液电阻；CDP为不连续导电路径上间断点电容；CICP为“绝缘体”导电路径上的电容。

图5 试件等效电路

对测试的阻抗参数进行拟合，得到试件RCCP值随冻融循环次数变化曲线，见图6。

图6 试件RCCP值随冻融循环次数变化曲线

由图6可知：①RCCP值随冻融次数增加而减小，这是由于冻融会导致部分非连通处贯通。②PVA纤维掺量从2.2%降至1.0%时RCCP值逐渐减小。这是由于随PVA纤维掺量减小，其桥接作用降低，冻胀力导致的新增孔隙增多。冻融循环100次时，P2.2试件RCCP值最大。③PVA纤维掺量固定，陶瓷粉从0增至30%时，RCCP值总体上逐渐上升。这是由于陶瓷粉的微集料效应和火山灰效应改善了试件密实度，孔隙率下降。

冻融循环后试件内部损伤情况见图7。

图7 冻融循环后试件内部微观形貌

由图7可见：①PVA纤维有脱落现象。虽然PVA纤维能够和水泥基材料形成较强的黏结，但PVA纤维与基体的接触面仍是抗冻薄弱部位。②随着PVA纤维脱落，桥接作用失效，基体内部出现裂缝，微观结构变得松散。

假定冻融过程中试件长度和面积恒定，孔隙溶液的特性没有变化，即导电溶液的电导率不发生变化［13］。基于此假定，试件电阻变化反映出材料发生的损伤与孔隙结构发生的改变。试件抗冻性能用冻融损伤值（D）表征。D越小，试件抗冻性能越好。D的计算式为

式中：Dn为冻融循环n次时试件冻融损伤值；Rv，0、Rv，n分别为未冻融和冻融循环n次时试件体积电阻。

冻融循环n次时试件体积电阻（Rv，n）计算式为

将各试件不同冻融循环次数下RCCP值和RCP值代入式（2）和式（1），得到不同冻融循环次数下各试件的D。

D随冻融循环次数变化曲线见图8。可知：①相同冻融循环次数下D总体上随PVA纤维掺量减小而增大。冻融循环100次时，P2.2试件的D最小。②PVA纤维掺量固定，冻融循环100次时不掺、陶瓷粉掺量30%时D分别为22.13%、11.89%，说明采用陶瓷粉替代部分水泥可以提高试件的抗冻性能。

图8 D随冻融循环次数变化曲线

3 结论

1）陶瓷粉中SiO2和Al2O3含量远大于水泥中相应含量，且粒径小于20 μm的颗粒占82.3%，火山灰效应和微集料效应可改善试件密实度，使该复合材料的抗冻性能得以提升。

2）PVA纤维掺量为2.2%，陶瓷粉掺量为30%，冻融循环100次时试件质量损失率最小，相对动弹性模量最大，连续导电路径电阻最大，冻融损伤程度最小。

3）PVA纤维和基体的接触面是该复合材料抗冻薄弱部位，遭受冻融循环作用时易破坏。