低温对GFRC改性的力学性能低碳水泥

文摘

玻璃纤维增强水泥(GFRC)是一种复合材料的延性,但经历了严重的强度和延性与衰老退化。钙sulfoaluminate (CSA)水泥低碳水泥,更重要的是,它表现出巨大潜力产生更多的韧性和耐用GFRC。本研究着重于机械性能,如抗压强度、应力-应变曲线,耐冻融CSA / GFRC以及低温下的微观结构特征。应用XRD研究CSA水泥的水化机理下−5°C, 0°C,和5°C。这是发现低温环境很少影响水化产物的类型,和水化CSA水泥主要水化产物治愈在低温下钙矾石。此外,慢干温度有不利影响的抗压强度发展CSA / GFRC但强度差异相比20°C下逐渐减少与增加固化。的弯曲性能,极限抗拉强度和极限应变值显示低温下相当大的退化和老化后14 d。极限应变值降低至0.34%−5°C, 0.39%在0°C, 0.44%在5°C为0.51%治愈20°C 28 d。样品的抗拉强度治愈−5°C 28 d只有15.2 MPa,占用只有40%的,在20°C。CSA / GFRC antifreeze-thaw性能还演示了伟大的能力,和相应的力量仍然是95.9%,94.7%,94.2%,和94.3%,分别为治愈20°C以下,5°C, 0°C, 50个冻融循环后−5°C。 Microstructural studies reveal that densification of the interfilamentary space with intermixtures of C-A-S-H and ettringite is the main reason that causes the degradation of CSA/GFRC, which may result in loss on flexibility when forces are applied, therefore reducing the post-peak toughness to some extent.

1。介绍

玻璃纤维增强水泥(GFRC)是广泛应用于实际工程,例如,正面面板和路面过去二十年;这可以归因于其优越的延性是玻璃纤维的桥接作用[1- - - - - -3]。然而,据报道,可能发生严重的减少抗压强度和延性与老化GFRC [4,5),已成为一个共同关心工程的使用寿命由GFRC成员。相对应的内在微观结构原因这退化通常与化学腐蚀纤维孔隙溶液的碱度的6)和严重的CH致密化和在纤维之间导致损失的灵活性(7]。与此同时,在全球的背景低碳排放,水泥行业面临着巨大的挑战,因为它约占全球的6%人为有限公司₂每年排放(8,9]。因此,为了生产更多的环保,韧性,耐用GFRC,应努力研究改性水泥碳排放较低的矩阵,降低CH形成,减少孔隙溶液的碱度。

钙sulfoaluminate (CSA)水泥的特点是作为一种低碳胶凝材料由于原材料和低钙含量较低的燃烧温度为1250°C,约为200°C低于硅酸盐水泥的生产。更重要的是,CSA水泥抗冻性能优异,抗压强度高,耐久性[10- - - - - -12]。此外,极低的孔隙溶液的碱度也可以发现CSA水泥水化过程中由于缺乏CH (13),它可以提供一个不那么咄咄逼人的环境的耐久性嵌入式玻璃纤维。因此,CSA水泥具有巨大潜力产生更多的环保,韧性,耐用GFRC。

GFRC修改CSA水泥(CSA / GFRC)已经引起研究人员的极大关注,很多研究已开展调查其力学性能和微观结构特征在不同养护制度下(14- - - - - -16]。P的研究ra和Ambroise17]表明,CSA / GFRC展出断裂模量的快速发展,达到8 MPa在3 h, 9.3 MPa在24小时和20.5 MPa在28 d。歌等。15]表明,CSA / GFRC仍然保留大部分韧性衰老十年后25°C。有无关紧要的复合强度的变化与未老化的样品相比,和纤维仍表现出极大的吸收能量的能力,可以通过遮蔽作用控制裂纹增长。相应的极限应变减少到约0.5%与0.8%的价值未老化的样品。显微结构的研究表明,和周围的玻璃纤维之间的空间是相当空和多孔。珀内尔和Beddows的研究(5)报道,在50°C 140 d加速老化,抗拉强度和极限应变的CSA / GFRC仍然几乎不变。然而,在一个更长的年龄相同的政权下的316 d,相应的极限抗拉强度表现出减少介质从30 MPa 22 MPa但玻璃纤维提供的遮蔽作用还是显而易见的。

在寒冷的环境中,当冷冻水造成的水压超过GFRC的抗拉强度,局部开裂可能启动显著威胁GFRC结构的安全和使用寿命。更重要的是,冻融循环产生的冷环境下可能导致多相损害媒体的水,冰,水泥,骨料,随后可能导致不均匀冻胀力和变形开裂传播。据报道,CSA水泥有良好的防冻剂属性矩阵内由于密实度较高,有利于抵制冻结压力和膨胀压力在某种程度上(12]。李等人的研究。18)表明,CSA水泥砂浆的抗折强度进行了56个冻融循环后保持95%。Janotka和Krajei19)表明,CSA水泥砂浆的动态弹性模量保持95% 34冻融循环后,表面和裂纹扩展也观察到CSA水泥砂浆。

总之,CSA水泥有良好的防冻剂属性和显示巨大的潜力产生持久GFRC在低温下。CSA / GFRC但是,先前的研究主要集中在其力学性能和微观结构特征在标准养护或热水加速老化而CSA / GFRC的性能在低温下仍不完全清楚;这是具有重要意义的广泛应用CSA / GFRC在低温下。本研究旨在探讨低温水化机理的影响,应力-应变性能,和冻融循环产权CSA / GFRC和底层的微观结构变化也调查了关联macroproperties的变化。

2。材料和方法

2.1。材料

生产CSA / GFRC商业CSA水泥由Dengdian水泥集团在中国被使用在目前的研究中,如图1。CSA水泥和OPC喜忧参半的比例3:7,和石英砂添加砂灰比为1:1。水灰比0.3是在这项研究中应用。CSA水泥和普通硅酸盐水泥的化学成分(OPC)用于本研究中列出表1。为了提高胶结材料的脆性,增加了0.5 wt %玻璃纤维。在干混法生产CSA / GFRC复合材料。玻璃纤维是切碎和面向随机包的形式。表中列出的详细的混合设计2。

2.2。实验工作

2.2.1。XRD分析

准备相应的水泥粘贴XRD分析研究基于csa水泥的水化产物在低温下。XRD是由力量使用CuK D8α1辐射,粉末样品的x射线衍射数据收集在一个2θ一系列5°~ 60°的步长0.02°。铸造24 h后,标本被治愈水浴的温度设定在201°C。在养护7岁d,样本磨成细粉,然后应用XRD测试设备。

2.2.2。机械测试

CSA / GFRC是在两个不同的尺寸,即。,一个薄板(250毫米大小50毫米10毫米)应力-应变性能测试和立方大小(100毫米100毫米100毫米)抗压强度和抗冻剂测试。铸造24 h后,他们demolded和不同温度下继续被治愈(−5°C, 0°C, 5°C,和20°C) 1、3、7、14和28 d。

四点弯曲试验是Tinius奥尔森H25KS 200毫米的主要跨度和荷载率在1.8毫米/分钟;相对实验装置如图2。在这项研究中,应力-应变性能的CSA / GFRC−5°C, 0°C, 5°C,和20°C为1、3、7、14和28 d测试,分别。为了调查CSA的耐久性/ GFRC寒冷气候下,防冻剂测试也进行根据中国标准GB / t50082 - 2009(标准的普通混凝土长期性能和耐久性试验方法)。在测试之前,参考样本仍然保持在标准养护条件下,但防冻剂的标本测试被取出,然后恢复水20±1°C 4 d。然后,CSA / GFRC在冻融称重,然后把测试样品室(设置在−5°C, 0°C和5°C) 6 h。

2.2.3。微观结构分析

SEM是JEOL地产- 5800 lv配备EDX。背散射电子成像模式被选中的抛光表面形态特征CSA / GFRC。元素映射应用于调查中的化学元素的排列矩阵。为了研究的化学成分interfilamentary空间,三个代表点在interfilamentary空间选择给纤维之间的水化阶段的整体信息。

3所示。结果与讨论

3.1。XRD分析

XRD结果相应的CSA水泥贴治愈−5 0 5、20°C 7 d如图3。它可以发现低温环境影响甚微CSA改性水泥的水化产物的类型。水晶CH依然缺席,和大量的钙矾石可以追溯到CSA水泥改性的所有标本在慢干的温度,与先前的研究在协议(14,16]。钙矾石的顶点在CSA膏治愈−5°C表明CSA水泥的水化仍然在较低的温度,这是有利于强度和强化微观结构的发展。据报道,钙矾石的形成是极其敏感的固化温度和减少生成钙矾石的水平在低温下(12]。这是因为低固化温度不利于打破化学键,从而可能导致钙矾石的成核速率较慢,尤其是对于那些低于0°C (16]。此外,广泛的峰值约为32°表明残余未水化二钙硅酸盐熟料在所有的标本。这可以解释说,水化钙sulfoaluminate迅速启动一次接触水,继续在前1 - 2天容易;因此,水不足将依然斜硅钙石的水化早期(20.]。特别是广大的峰值二钙硅酸盐残余在CSA膏治愈−5°C表明CSA水泥的水化程度在一定程度上是有限的在较低的温度(21]。

3.2。抗压强度

抗压强度的CSA / GFRC治愈−5 0,5日和20°C 1 d, 3 d, 7 d, 28 d如图4。它可以发现慢干的温度,尤其是0°C以下,有不利影响的抗压强度发展CSA / GFRC。在早期的1 d、CSA / GFRC较低的温度下表现出极低的抗压强度与治愈20°C。相应的抗压强度只有8.2 MPa, 10.5 MPa,和16.7 MPa下−5°C, 0°C和5°C, 35.8%, 45.8%,和72.9%的治愈20°C。这是因为钙矾石的主要贡献CSA水泥的早期强度,减少在低固化温度下生成钙矾石拥有降低成核率(12]。随着治疗年龄、CSA / GFRC获得快速低温下的强度发展,和强度差异与20°C下逐渐减小。详细,抗压强度达到40.3 MPa, 47.2 MPa,和50.2 MPa下−5°C, 0°C和5°C 28 d,它占据了67.7%,79.3%,和84.4%的20°C。CSA / GFRC相对快速强度发展慢干温度显示,冬天可以确保施工的基本要求,并进一步需要研究力学性能广泛应用之前。

3.3。应力-应变性能

低温下应力-应变性能CSA / GFRC治愈1 d, 7 d, 14 d, 28 d见图5。可以观察到有无关紧要的极限应变值的变化在低温下1 d, 0.67%−5°C, 0.78% 0°C和0.87% 5°C,分别为0.82% 20°C。然而,慢干温度的极限抗拉强度有不利影响CSA / GFRC在早期的年龄。它减少了∼25 MPa在5°C, 23 MPa在0°C,和18 MPa−5°C,它是83.3%,76.7%,60.0%,在20°C。

随着年龄逐渐固化,直到14 d, CSA / GFRC演示了轻微下降的压力,但仍表现出伟大的延性性质。更长的养护28岁d,有明显减少极限应变值和极限抗拉强度。例如,极限应变值降低至0.34%−5°C, 0.39%在0°C, 0.44%在5°C为0.51%治愈20°C。样品的抗拉强度在5°C治愈28 d只有15.2 MPa,占用只有40%的,在20°C。

它可以得出结论,减少慢干温度对CSA的延性性能的影响在早期年龄/ GFRC;然而,极限抗拉强度和极限应变值表明中等降解后14 d。这种退化过程类似于前面的结果CSA / GFRC [5,16),CSA / GFRC表示渐进和中等强度和延性降低加速老化。

3.4。冻融性能

CSA / GFRC冻融袭击的抗压强度呈现在图6。可以发现,随着冻融循环增加,抗压强度CSA / GFRC表明逐渐减少,这固化温度较低强度降低更明显。有益的冻融性属性中可以观察到CSA / GFRC,和相应的力量仍然是95.9%,94.7%,94.2%,和94.3%,分别为治愈20°C以下,5°C, 0°C, 50个冻融循环后−5°C。这是在一致性与先前的研究[18,19),这表明减少挠曲强度和动态CSA水泥砂浆的弹性模量小于5%,超过30冻融循环。良好的耐冻融CSA / GFRC提供极大的信心在其应用在低温下。

3.5。微结构Interfilamental太空

微结构的CSA / GFRC治愈−5°C 28 d呈现在图7。从图可以看出7(一)interfilamentary空间的部分被水化产物,偶尔一些空纤维之间的空隙。这封严interfilamentary空间在部队时可能导致损失的灵活性应用(22,23),随后减少高峰后韧性CSA / GFRC在某种程度上。与先前的研究结论,这是在协议部分致密化的纤维间的空隙水化产品可能成为决定GFRC退化的微观结构因素(3,13,14]。这一研究获得的元素映射也调查Ca的空间分布,年代,如图7 (b)。它可以得出结论,Ca的元素,如果,和S interfilamentary积累的空间。

为了研究水化阶段的化学成分,发现分析三个代表点位于纤维之间列在图7 (c)。点1点分析结果显示中积累的Ca和S interfilamentary区,涉及26.1 wt % Ca和10.0 wt % S,少量的Al和Si包括。相应的铝/ Ca是0.36和S / Ca比率是0.48点1,这被认为是ettringite-type阶段(Al / Ca = 0.33 S / Ca = 0.5)的小型夹杂物C-A-S-H凝胶。点2和3的铝/ Ca达到0.54和0.55,分别与相应的S / Ca的0.17和0.14。这表明增加水平的铝夹杂物和减少水平的年代相比,点1。它可以推测主要水化阶段这两个点是钙矾石与更大数量的C-A-S-H混杂在一起。因此,可以得出结论,水化阶段CSA / GFRC治愈的interfilamentary空间低温主要是钙矾石相精细C-A-S-H凝胶在不同比例混在一起。

4所示。结论

它可以得出的结论是,低温环境影响很小在水化CSA水泥水化产品的类型。水分的主要水化产物CSA水泥固化在低温下钙矾石这表明CSA水泥的水化仍然在更低的温度。

也可以发现慢干温度有不利影响的强度发展CSA / GFRC,但强度差异相比20°C下逐渐减少与增加固化。相应的抗压强度为40.3 MPa, 47.2 MPa,和50.2 MPa下−5°C, 0°C和5°C 28 d,它占据了67.7%,79.3%,和84.4%的20°C。

的弯曲性能,有无关紧要的极限应变值的变化在低温下在早期的年龄,然而,但极限抗拉强度和极限应变值显示低温下相当大的退化和老化后14 d。极限应变值降低至0.34%−5°C, 0.39%在0°C, 0.44%在5°C为0.51%治愈20°C 28 d。样品的抗拉强度治愈−5°C 28°d只有15.2 MPa,占用只有40%的,在20°C。

CSA / GFRC还演示了antifreeze-thaw性能的能力。相应的力量仍然是95.9%,94.7%,94.2%,和94.3%,分别为治愈20°C以下,5°C, 0°C, 50个冻融循环后−5°C。

显微结构的研究表明,interfilamentary空间在一定程度上被水化产品,偶尔一些空纤维之间的空隙。点分析三个代表点在interfilamentary空间表明水化阶段CSA / GFRC治愈的interfilamentary空间低温主要是钙矾石相精细C-A-S-H凝胶在不同比例混在一起。这种致密化可能导致损失的灵活性,当部队应用,因此在一定程度上减少高峰后韧性。因此,研究如何优化interfilamentary空间和更大的灵活性是必要的耐用CSA / GFRC之前可以创建并应用于低温下字段。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(51674199),重点实验室的结构和风洞广东高等教育机构开放基金(编号202002),陕西省自然科学基础研究项目(2021号金桥- 605)。

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