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疏水工业用水泥基复合材料在公路施工中的应用
Scott Muzenski, Ismael Flores-Vivian, Konstantin Sobolev
University of Wisconsin-Milwaukee, Department of Civil Engineering and Mechanics, 3200 N. Cramer Street, Milwaukee, WI 53211, USA b Massachusetts Institute of Technology, Concrete Sustainability Hub, 77 Massachusetts Ave, 1-382, Cambridge, MA 02139, USA
摘要：美国的高速公路，尤其是在环境恶劣的地区，基础设施急须修复。北方地区的冻融循环更是严重损害桥梁的耐久性，这些都需要尽早的进行修理或者更换。而在工程中有效的使用含有聚乙烯醇（PVA）的水泥基复合材料（ECC）则能够设计出一种高耐久性的混凝土，这种混凝土可以承受由于荷载以及冻融循环所产生的温度变化引起的较大的变形。而由于ECC材料的抗裂性以及应变硬化的特性，路面的寿命也会随之提升。ECC材料与超疏水材料相结合，超疏水混合物会产生一种可控制的、均匀的气孔。从而改善了抗裂性。在超疏水工程水泥基复合材料(SECC)中，小的气孔可以当作认为产生的空隙，从而促进裂缝的形成同时可以维持更高的延性和强度。这项研究表明：ECC材料具有更高的延性以及更强的胶凝基质。
关键词：疏水，超疏水，机械性能，孔径分布，纤维加固
1.绪论
整个美国北部的公路基础设施，都面临着严重的盐垢问题以及冻融循环问题。并且这个地区许多的高速公路都急需修理或者替换，钢筋混凝土桥更易受到侵蚀，随着氯化物的渗入混凝土和钢筋，从而加速了腐蚀的过程。随着进一步的腐蚀作用，如果钢筋混凝土桥梁不能得到有效的替换，将面临大修。在饱和混凝土中，水充斥于毛细管中，毛孔的扩张、冻结，随之产生内部的压力，这些应力将造成混凝土产生裂纹，此外，冻融循环将进一步导致裂缝的产生和扩大，从而促进氯化物的进入，产生更严重的危害。
混凝土路面板，是桥梁结构两边处重要的结构构件，非常容易受到危害。这些路面板被用来作为一个平滑的过渡元素，连接已经加固的桥梁上部结构和未被加固的水泥基，比如说，在绝大多数情况下，指的就是沥青混凝土路面。由于各种原因，这种过渡是很难观察到的。由于混凝土路面板和相邻的路面的沉降差异，会产生一个凹凸不平的区域，并且，重型卡车的冲击力也会在这个区域产生裂缝，两个车道不同的车辙也同样会产生这种现象。热胀冷缩也有可能产生类似的情形。而一旦出现这种现象，氯化物和水便会进入，如果钢筋暴露在外，便会加速了公路的腐蚀过程。除此之外，未支承端路面板之间的沉降差以及桥台支座的倾斜均会产生高弯曲应力和裂缝。而一种能够抵抗这类高弯曲应力而不至于失效的路面板的应用，便可以显著的提高该类路面的耐久性。
路面采用高耐久性、抗冲击的建筑材料可以显著提高其耐久性，并有助于整个结构的使用寿命。聚乙烯醇纤维的工程胶凝复合材料(PVA-ECC)已被证明是一种比传统混凝土更好的选择。这些材料在类似于钢筋的拉伸试验中，展现出了较好的弹性韧性性能，然而，研究证明了为了取得更高的耐久性和抗压能力，水泥基的强度必须受到限制，使得最大抗拉强度不至于超过最大纤维桥接强度。这个设计要求限制了高性能水泥基材料的应用。
混凝土通过空气夹带（AE）的处理，其抵抗冻融循环的能力是相当不错的，通过提供一个额外的在冰冻下的膨胀区域，减少了内部的应力。然而，许多传统的空气外加剂的应用，经常会导致空气孔隙加大和不均匀，而这种分散的不均匀孔隙往往会导致混凝土强度下降。由于混合或者振动所导致的损失往往也被考虑到了。超疏水外加剂的使用，可以显著地改善空气孔隙的结构，在高孔隙率下，我们采用如图1所示的ASTM C457快速空气检测方法测量空气孔隙结构的改善效果。
在胶凝材料（通常被称为超疏水材料）中加入疏水的或者是超疏水的混合物，往往效果是比较显著的。超疏水混凝土综合交叉了多个学科，比如仿生学、化学和纳米技术的运用用以解决混凝土的诸如耐久性和腐蚀的问题。在纤维增强混凝土中，超疏水改良剂可以被用来改变材料中气孔的体积、大小和分布，减小与PVA纤维的粘结，实现控制拉拔。这些工程缺陷是由于疏水产生的，外加剂可以在高强度条件下引起裂缝的产生。一旦纤维桥接捕捉到了裂缝的形成，气孔便会导致产生新的裂缝，并且这一过程反复促进裂缝的产生以及应变硬化行为。有人提议使用可控的孔隙结构可以获得更好的结构模式。
超疏水表面，与水接触的表面夹角超过150°或者疏水表面与水之间夹角在120°到150°之间（图1），将会产生较大较好的工业性能。例如，自我清洁能力。但这还没被投入正式使用中用以提高混凝土的耐久性。这种自然方法可以改善疏水材料的性能，从而提高混凝土的耐久性。制造超疏水和疏水外加剂：含氢硅氧烷化合物(如:聚乙基羟基硅氧烷、PEHSO或poly甲基，水硅氧烷，PMHS)结合少量亚微米或纳米颗粒(图2)。
一种改性的PEHSO/PMHS混合剂(用量介于0.01%和0.1%的水泥重量之间)释放大小在10微米到200微米之间的氢，气孔均匀的分布在其中。气孔孔隙的体积、大小和分布在水泥硬化阶段可以通过主要成分是水的PMHS乳状滴液来调整。为了达到最佳性能。超过70%的PMHS乳剂必须分散到液滴大小小于10微米的液滴上。孔隙的表面涂上了一层PEHSO/PHMS层用以提供一定程度的疏水性，当微观纳米大小的粒子与PMHS结合并分布在孔隙表面时，便可以达到要求的表面粗糙度和SOH效果。与传统的空气掺合料相比，采用基于PMHS的乳液提供了一种可控的孔隙结构，在压实过程中，由于孔隙是PMHS与Ca(OH)2反应产生的，所以直到整个过程的结束，都没有空气的损失。（图3）
图1
图2
图3
2.实验过程
2.1材料
本次试验采用的RECS 15times;12 mm Kuralon K-II PVA纤维直径为0.04mm，这些纤维的杨氏模量为40Gpa，拉力为1.6Gpa，ECC混合物的其他成分包括：I型硅酸盐水泥和标准分级硅砂。表哥一显示了这类纤维的化学和物理性质。由制造商测试的I型硅酸盐水泥，并通过Bogue方程计算(按ASTM C150计算)。试验过程中使用的高程减水剂为商用聚羧酸酯醚超增塑剂(PCE/SP)浓度为31%。
表格1
Ⅰ型水泥的化学物理性质
|
Leimu |
Spec. limit |
测试结果 |
|
SiO2, % |
– |
20.6 |
|
Al2O3, % |
– |
4.7 |
|
Fe2O3, % |
– |
2.7 |
|
CaO, % |
– |
63.9 |
|
MgO, % |
6.0 max |
2.3 |
|
SO3, % |
3.0 max |
2.4 |
|
Ignition loss, % |
3.0 max |
2.1 |
|
Ins. residue, % |
0.75 max |
0.36 |
|
Free lime, % |
– |
1.1 |
|
CO2, % |
– |
1.3 |
|
Limestone, % |
– |
3.4 |
|
CaCO3 in LS, % |
– |
93.0 |
|
Potential, % C3S |
– |
56.8 |
|
C2S |
– |
16.2 |
|
C3A |
– |
7.9 |
|
C4AF |
– |
8.2 |
|
C4AF 2(C3A) |
– |
24.2 |
|
C3S 4.75(C3A) |
– |
93.0 |
|
Na2Oequi |
0.6 max |
0.55 |
|
Air content, % (C-185) |
12 max |
7.5 |
|
Blaine fineness, m2/kg (C-204) |
260 min |
380 |
|
Autoclave expansion, % (C-151) |
0.8 max |
0.02 |
2.1.1 氢聚硅氧烷外加剂
疏水、超疏水外加剂以聚乙烯醇表面活性剂(PVAS)和PMHS为主要原料，除此之外，准备足够的水。表面活性剂是98%的水解PVAS，分子量为16000。试验过程中使用的聚甲基氢硅氧烷液(PMHS)，重力为0.997 (25c)，粘度为30 cSt，偏高岭土含有粗糙的大小在0.8到12 微米的微粒子在表面生成微硬粒子来改善超疏水混合物的疏水性。假设认为偏高岭土颗粒不会和SECC有任何的火山灰反应，因为它们在HA/SHA内悬浮，数量相当少(少于总混合物的0.01%)。混合物的成分组成如表2所示。
2.2 试验设计
本试验对不同类型的PMHS外加剂进行了弯曲和压缩的影响对比。对所有的试样，使用的纤维体积为3.0%。水-胶凝材料比(W/CM) 为0.3，砂胶-胶凝材料比(S/CM) 为0.5。PCE / SP含量保持在0.125%。每一种疏水混合物都是单独使用的。双剂量当量，相当于一个加了0.25 g的混合物。0.50 g PMHS / 1l超疏水工程水泥。实验设计如表3所示。
2.3 准备
2.3.1 混合物准备
在23plusmn;3℃环境下将PVAS去离子化，生成PMHS外加剂。用磁力搅拌器在室温下搅拌溶液，加热10分钟，温度随之升高至90plusmn;5℃。之后溶液冷却到23plusmn;3℃，此时缓慢的加入PMHS然后使用转速达到10000RPM高速搅拌混合十分钟。前后记录溶液的质量，以确保不会因为蒸发造成溶液的损失。最后一个步骤为加入疏水乳剂，然而，对于加入偏高岭颗粒的混合物，在最后一个阶段，缓慢的加入粉末，再以500RPM的转速搅拌混合10分钟。
表格 2
PMHS混合物的组成成分
|
混合物ID |
混合物 |
硅氧烷 (%) |
PVA 活性剂 (%) |
偏高岭石 (%) |
|
H |
PMHS |
25 |
4.4 |
0 |
|
H_MK |
PMHS-M |
25 |
4.4 |
0.5 |
表格 3
ECC和PMHS混合物的试验设计
|
MIX ID |
W/CM <!--全文共7342字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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