碳纤维复合浆液水化过程微观结构分析

高书文　　杨　坪，2

(1．同济大学土木工程学院，上海　200092;　2．岩土及地下工程教育部重点实验室，上海　200092)



·建筑材料及应用·

碳纤维复合浆液水化过程微观结构分析

高书文1杨坪1，2

(1．同济大学土木工程学院，上海200092;2．岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092)

摘要:按一定比例配制了碳纤维复合浆液，并对不同龄期的结石体进行扫描电镜试验，研究了其水化过程微观结构，试验结果表明，碳纤维在浆液中的分布具有随机性，随着龄期增加其水化程度更高、水化产物含量增加。

关键词:碳纤维，复合浆液，扫描电镜，微观结构

水泥作为注浆材料具有来源广泛、价格低廉等优点被广泛的应用于注浆工程中。由于纯水泥浆液的初凝时间较长，且会在注浆过程中因为析水而影响注浆的效果，因此需要配制速凝的水泥浆液从而能够应对更多的工况。添加剂能够改变浆液的流动性、初凝时间及其凝结后的强度，其中铝酸钠、硅酸钠、氯化钙能够促进浆液的水化从而起到速凝和早强的效果［1］。纤维素则有增稠的作用能够改变浆液的初始粘度和析水特性，增加浆液的稠度使其流动性降低［2，3］。碳纤维具有质量轻、高强度、高比模和耐腐蚀性能等特点［4］，能够增强混凝土的强度和韧性［5，6］。杜宁等［7］为了比较清水混凝土的耐久性，在清水混凝土中加上不同掺合料进行电镜扫描，研究不同原材料对清水混凝土使用性能的影响。吕鹏等［8］采用扫描电镜对硅酸盐水泥的早期水化过程进行研究，对其早期水化过程进行分析。王刚等［9］在灌浆材料中加入碳纤维对浆液的流动性和结石体的强度进行了研究，试验表明碳纤维对结石体的强度起到增强的作用。王胜等［10］对密闭条件下的硅酸盐水泥的凝固特性进行研究，研究分析其不同龄期的水化产物。本文基于普通水泥浆液加入添加剂(铝酸钠、硅酸钠、氯化钙)、纤维素和碳纤维配制碳纤维复合浆液，碳纤维复合浆液具有速凝、早强的作用，能够满足更多的注浆工程。通过扫描电子显微镜，从微观的角度研究碳纤维在浆液中的分布情况，并研究复合浆液在水化过程的微结构变化。

1　试验材料和试验方案

试验材料为水泥(海螺牌42．5R)、短切碳纤维(4 mm～6 mm)。通过对比试验的方法研究碳纤维复合浆液在不同龄期的产物种类及其晶体生长情况，以及碳纤维对浆液加固效果。由于速凝剂、纤维素对水泥基浆液的水化效果有一定的影响，同时碳纤维对凝结体有一定的加固效果，因此设计了3组试验并配制碳纤维复合浆液和水泥浆液，具体方案如表1所示。其中添加剂主要成分为铝酸钠、硅酸钠、氯化钙和纤维素，其配比为铝酸钠60%、硅酸钠20%、氯化钙6%、纤维素14%，这一配比可以使浆液水灰比在0．6～1．2的范围内初凝时间从几十秒到几个小时。

表1　浆液配比方案

2　试验步骤

2．1配制浆液

根据试验方案进行浆液的配制，然后等待其初凝后进行水养护。加入速凝剂的浆液可以在半小时内初凝，而未加入速凝剂的试样需要1 d～3 d的时间才能初凝，由于水灰比较大为0．7，在拿放时需要注意防止对试样有扰动。

2．2制样

用美工刀将凝胶体削成长宽高为14 mm，6 mm，5 mm大小的试样，选样过程中要在试块的不同区位选取多个样品，并小心制作。

2．3样品脱水和干燥

样品一般采用烘干的方式去水，由于考虑到烘干会对试样水化产生影响，故对其采用低温干燥的方法。利用低温干燥设备，

2．4扫描电镜试验

根据扫描电子显微镜的操作步骤进行操作，将试样待观察面喷金粉，然后放入到仪器样品台进行扫描电镜试验。试验中选取合适的点并放大到一定倍数，从而获得需要的电镜扫描图片。

3　试验结果和讨论

3．1碳纤维的分布情况

图1　试验组1-7 d-200倍

图2　试验组2-7 d-200倍

碳纤维在加入水泥基浆液后进行了充分的搅拌，分散在了浆液的各个部分，其分布具有随机性，如图1和图2所示，其中碳纤维的长度为4 mm～6 mm。如图1，图2所示，两组图片都是放大200倍的扫描电镜图片，可以看出碳纤维的分布具有随机性，每一根碳纤维的朝向都不相同。

3．2碳纤维复合浆液不同龄期水化产物

浆液在加入速凝剂后能够快速凝结，生成微细针状钙矾石和六角板状晶体氢氧化钙，这些晶体生长并分布于水泥颗粒间，交叉连成网状结构，从而导致水泥浆速凝。通过对水化1 d，7 d，14 d，28 d的试样进行电镜扫描，得到放大3 000倍的扫描电镜图片，见图3～图6。

图3　试验组3-1 d-3 000倍

图4　试验组3-7 d-3 000倍

如图3所示，加入速凝剂的水泥浆液在1 d的时候就已经有较高的水化程度，形成了少量针状的钙矾石、片状的氢氧化钙晶体以及C-S-H凝胶体，但其空间结构较为松散。如图4所示，加入速凝剂的浆液经过7 d的水化反应较为彻底，C-S-H凝胶体增多且试样内部更加致密，并且可以看到细针状的钙矾石连在微小孔隙之间。当水化进行14 d的时候，试样内形成较大的氢氧化钙晶体，同时C-S-H凝胶体的增加使得试样较7 d更加致密。28 d龄期时，除了较小的氢氧化钙晶体其他的空间都被C-S-H凝胶占据，使得混凝土更加密实。总的来说，随着龄期的增加，浆液的水化作用越来越充分，从而使混凝土形成了更多的晶体和C-S-H凝胶，最终孔隙被水化产物填充使混凝土的强度不断提高。

图5　试验组3-14 d-3 000倍

图6　试验组3-28 d-3 000倍

4　结语

1)碳纤维在复合浆液中的分布具有随机性，每一根碳纤维的朝向都不相同。2)加入速凝剂的水泥浆液能够快速水化形成针状的钙矾石、片状的氢氧化钙晶体以及C-S-H凝胶体，随着龄期的增加，浆液的水化作用越来越充分，从而使得混凝土形成了更多的晶体和C-S-H凝胶，最终孔隙被水化产物填充使得混凝土的强度不断地提高。

参考文献:

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［2］ 唐明，李晓明．羟丙基甲基纤维素对水泥基材料的改善效应［J］．混凝土，2009(10):50-52．

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［7］ 杜宁，徐伟．不同配合比清水混凝土的微观分析［J］．建筑施工，2005(4):61-64．

［8］ 吕鹏，翟建平，聂荣，等．环境扫描电镜用于硅酸盐水泥早期水化的研究［J］．硅酸盐学报，2004(4):530-536．

［9］ 王刚，裴向军，杨珂．碳纤维增强型灌浆材料实验研究［J］．地质灾害与环境保护，2013(3):109-112．

［10］ 王胜，陈礼仪，汪彦枢，等．密闭条件下硅酸盐水泥凝固特性［J］．成都理工大学学报(自然科学版)，2014(2):237-242．

中图分类号:TU528．58

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0106-02

收稿日期:2016-04-09

作者简介:高书文(1991-)，男，在读硕士将样品内的水分升华进行干燥，能够解决烘干过程中的水化作用，同时也不会因为冷冻产生的冰晶对样品的结构造成破坏。待样品低温真空干燥后，将其放入到干燥箱内，保证样品处于干燥状态。

Analysis of microstructure on carbon fiber composite grouts in process of hydration

Gao Shuwen1Yang Ping1，2
(1．Civil Engineering College of Tongji University，Shanghai 200092，China; 2．Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry Education，Shanghai 200092，China)

Abstract:The paper prepares carbon fiber composite seriflux according to certain ratio，carries out scanning electron microscopy test for the consolidation body with different ages，and studies its hydration process microstructure．The testing results show that:the carbon fiber distribution in the seriflux is random，with the age growing，the hydration degree will be higher and higher，the hydration products content will increase too．

Key words:carbon fiber，composite seriflux，scanning electron microscopy，microstructure