关键词：
水泥基材料
碳化环境
盐雾环境
力学性能
耐久性能
摘要：
我国有大量的盐湖,主要分布在西北地区。各盐湖的主要含盐量和盐成分也不尽相同。一般地,根据盐湖中盐水的化学成分可以将盐湖分为四类,即:氯化物型、碳酸盐型、硫酸盐型和硝酸盐型。近年来,随着社会发展和盐湖地区的开发,以混凝土为主要材料的工程结构也飞速增加,相应材料的力学性能和耐久性研究日趋重要。为此,本文在课题组已有研究结果的基础上,通过在铁尾矿水泥基材料中掺入不同掺量的PVA纤维和碳纤维等,设计制作了不同掺量的混杂纤维性能增强铁尾矿水泥基材料试块,通过试验和分析,研究了碳化/盐雾环境下铁尾矿纤维增强水泥基材料的力学性能和耐久性,主要研究工作如下:(1)以替代率为40%的铁尾矿水泥基材料为基础,通过掺入1.5%体积掺量的PVA纤维,同时分别掺入0.3%、0.6%和0.9%体积掺量的碳纤维,设计并制作了270个混杂纤维性能增强铁尾矿水泥基材料试块,进行了龄期分别为0d、7d、14d、28d和56d的模拟碳化试验和力学性能试验,研究了纤维掺量和碳化龄期对水泥基材料主要力学性能的影响。结果表明,在龄期为0d,40%铁尾矿替代率和1.5%PVA体积掺量下,随着碳纤维掺量的增加,材料的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度等均表现为先增大后减小。相对来说,0.6%碳纤维掺量的混杂纤维性能增强铁尾矿水泥基材料的力学性能比其他组更好,与不加纤维的铁尾矿水泥基材料相比,其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别增加了24.6%、33.9%、11.7%;与单掺PVA纤维的铁尾矿水泥基材料相比,其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别增加了10.9%、10.2%、6.1%;与混掺1.5%PVA体积掺量和0.3%、0.9%体积掺量碳纤维的混杂纤维铁尾矿水泥基材料相比,其抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别增加了6.1%、14.9%、8.1%和5.6%、12.1%、8.4%。此外,随着碳化龄期的增加,材料的主要力学性能也随之增加,一般来说,碳化龄期为56d时材料的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度较高。(2)设计并制作了270个与上述材料工况相同的混杂纤维性能增强铁尾矿水泥基材料试块,分别通过龄期为0d、7d、14d、28d、90d的盐雾环境模拟和力学性能试验,研究了不同纤维掺量和盐雾龄期对铁尾矿水泥基材料主要力学性能的影响,同时基于Weibull概率分布和试验结果,建立了盐雾环境下混杂纤维铁尾矿水泥基材料的损伤演化方程。结果表明,在龄期为14d,随着碳纤维掺量的增加,材料的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度等均表现为先增大后减小。相对来说,0.6%碳纤维掺量的混杂纤维性能增强铁尾矿水泥基材料的力学性能比其他组更好,与不加纤维的铁尾矿水泥基材料相比,其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别增加了26.4%、20.2%、38.8%;与单掺PVA纤维的铁尾矿水泥基材料相比,其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别增加了10.4%、18.3%、12.1%;与混掺1.5%PVA体积掺量和0.3%、0.9%体积掺量碳纤维的混杂纤维铁尾矿水泥基材料相比,其抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别增加了6.5%、10.1%、6.4%和5.5%、17.5%、8.9%。此外,随着盐雾龄期的增加,材料的主要力学性能呈现出先增大后减小,一般来说,多数配合比力学性能在14d达到峰值少数在28d达到顶峰。(3)采用扫描电镜的方法,分析了不同纤维掺量、不同碳化和盐雾龄期下,纤维铁尾矿水泥基材料的微观组织特征,结合宏观力学性能试验现象,解释了微观组织结构变化对宏观力学性能的影响。研究结果表明,材料在碳化过程中,水泥基材料中的Ca(OH)与CO不断发生化学反应,生成新的Ca CO,而Ca CO材料的微观结构更为密实,强度更高,碳纤维、PVA纤维与水泥基材料粘结较好好,碳纤维的拔出效应以及PVA纤维固有的韧性和延展性,导致了混杂纤维增强铁尾矿水泥基材料的强度和韧性更好,从而提高了这种材料的主要力学性能。此外,材料在盐雾环境下产生的化学反应,可生成Friedel盐等一些没有胶凝作用的新物质,这种新物质颗粒较小时,可部分填充水泥基材料中的孔隙,致使材料内部结构更为密实,从而提高了材料的强度;但当新颗粒体积不断增大时,则会导致原孔隙破裂并产生部分应力集中,降低了材料的力学性能,而混掺合理数量的不同纤维后,可减少孔隙的破坏和微裂缝的延伸,提高材料的力学性能。
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