掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料抗硫酸盐侵蚀性研究

doi:10.11988/ckyyb.20230603

摘要/Abstract

摘要：

基于钢渣粉的固废再利用,通过掺入不同质量分数的钢渣粉制备PVA-ECC,采用干湿循环加速硫酸盐侵蚀试验、立方体抗压强度试验和轴拉试验,测定分析掺钢渣粉PVA-ECC在Na₂SO₄溶液(质量分数为5%)中的质量变化、抗压强度、拉伸性能等参数的演变规律,并采用微观扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪进行微观形貌与物相分析,探究钢渣粉掺量对PVA-ECC耐硫酸盐侵蚀性能的影响。结果表明:掺钢渣粉PVA-ECC材料中钢渣粉掺量为20%时,质量损失曲线位于基准组以下;低掺量钢渣粉PVA-ECC表现出较好的耐腐蚀性,S20组抗压耐腐蚀系数分别为1.13、1.02、0.96;掺钢渣粉PVA-ECC试件均出现多缝开裂现象,钢渣粉的掺入能在一定程度上提高材料的抗拉强度,S40组最大提高了31.4%;适量钢渣粉的掺入能有效缓解PVA-ECC材料的侵蚀损伤,掺量不超过60%时在研究的龄期范围内材料未出现明显劣化。

关键词: PVA纤维, 钢渣粉, 硫酸盐侵蚀, 干湿循环, 拉伸强度, 耐久性能

Abstract:

To explore the reuse of steel slag powder in PVA-ECC (Polyvinyl Alcohol Engineered Cementitious Composite), we produced PVA-ECC samples by incorporating steel slag powder at various mass fractions. We measured the mass change, compressive strength, and tensile performance of the test samples in Na₂SO₄ solution (with a mass fraction of 5%) during dry-wet cycle accelerated sulfate attack tests, cubic compressive strength tests, and axial tensile tests. By microstructural and phase analysis using scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) meter, we examined the influence of steel slag powder content on the sulfate resistance of PVA-ECC. Results indicate that when the steel slag powder content in PVA-ECC reaches 20%, the mass loss remains lower than that of the reference group. PVA-ECC with a low dosage of steel slag powder demonstrates sound corrosion resistance, with compressive and corrosion resistance coefficients of 1.13, 1.02, and 0.96 for the S20 group, respectively. PVA-ECC specimens containing steel slag powder exhibited multiple cracks; however, the addition of steel slag powder enhanced tensile strength, with a maximum increase of 31.4% observed in the S40 group. The inclusion of an appropriate amount of steel slag powder effectively mitigates corrosion damage, with no significant material deterioration observed within the studied age range when the addition does not exceed 60%.

Key words: PVA fiber, steel slag powder, sulfate attack, dry-wet cycle, tensile strength, durability performance

中图分类号:

TU528混凝土及混凝土制品

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图/表 17

表1 掺钢渣粉PVA-ECC材料配合比

Table 1 Mix proportion of PVA-ECC material mixed with steel slag powder

水胶比	组别	掺量/%					减水剂掺量/%	PVA掺量/%
水胶比	组别	水泥	硅粉	钢渣粉	水	砂	减水剂掺量/%	PVA掺量/%
0.25	S0	98	2	0	25	20	1	2
	S20	78	2	20	25	20	1	2
	S40	58	2	40	25	20	1	2
	S60	38	2	60	25	20	1	2
	S80	18	2	80	25	20	1	2

表2 水泥的化学组成

Table 2 Chemical composition of cement

化学组成	质量分数/%	化学组成	质量分数/%
SiO₂	17.63	Na₂O	0.20
CaO	65.39	MgO	1.43
Fe₂O₃	4.11	P₂O₅	0.16
Al₂O₃	5.35	TiO₂	0.33
K₂O	0.70	SO₃	3.51

表3 钢渣粉的基本性能

Table 3 Basic properties of steel slag powder

来源	密度/ (g·cm^-3)	比表面积/ (m²·kg^-1)	活性指数/%
来源	密度/ (g·cm^-3)	比表面积/ (m²·kg^-1)	7 d	28 d
本文	5.3	400	71.6	84.2
《用于水泥和混凝土中的钢渣粉标准》(GB/T 20491—2006)	≥3.2	—	≥65	≥80

表4 钢渣粉XRF检测结果

Table 4 XRF detection result for steel slag powder

化学组成	质量分数/%	化学组成	质量分数/%
CaO	43.55	MgO	4.34
SiO₂	14.22	MnO	2.98
Fe₂O₃	24.26	SO₃	1.39
Al₂O₃	2.86	P₂O₅	1.24

图1 钢渣粉XRD图谱

Fig.1 XRD spectrum of steel slag powder

表5 PVA纤维物理性能指标

Table 5 Physical performance indicators of PVA fibers

长度/ mm	直径/ mm	长径比	抗拉强度/MPa	延伸率/%	抗拉弹性模量/GPa	密度/ (g·cm^-3)
12	40	300	1 600	7	42	1.3

图2 试验设备

Fig.2 Test equipment

图3 水泥基复合材料质量损失率变化

Fig.3 Change of mass loss rate of cementitious composite material

图4 硫酸盐侵蚀立方体试块表观形态

Fig.4 Apparent morphology of sulfate-corroded test cubes

表6 掺钢渣粉PVA-ECC胶砂强度

Table 6 Strength of PVA-ECC adhesive sand mixed with steel slag powder

组别	立方体抗压强度/MPa
组别	3 d	7 d	28 d
S0	45.39	48.72	50.17
S20	42.56	46.73	57.30
S40	27.46	40.39	48.51
S60	24.35	34.42	43.29
S80	10.46	20.79	29.87

图5 掺钢渣粉PVA-ECC抗压强度耐腐蚀系数变化规律

Fig.5 Changes in compressive strength and corrosion resistance coefficient of PVA-ECC mixed with steel slag powder

图6 不同侵蚀龄期下掺钢渣粉PVA-ECC试件轴拉破坏

Fig.6 Axial tensile failure of PVA-ECC specimens mixed with steel slag powder at different corrosion ages

图7 各组试件不同龄期下的拉伸应力-应变曲线

Fig.7 Tensile stress-strain curves of each group of specimens at different ages

表7 掺钢渣粉PVA-ECC材料拉伸强度耐腐蚀系数 K t

Table 7 Tensile strength and corrosion resistance coefficient Kt of PVA-ECC material mixed with steel slag powder

组别	耐腐蚀系数 $K t$
组别	30次干湿循环	60次干湿循环	120次干湿循环
S0	1.25	1.16	1.10
S20	1.46	1.28	1.37
S40	0.92	1.10	1.10
S60	0.93	1.28	1.27
S80	0.95	1.07	1.07

表7 掺钢渣粉PVA-ECC材料拉伸强度耐腐蚀系数 K t

Table 7 Tensile strength and corrosion resistance coefficient Kt of PVA-ECC material mixed with steel slag powder

组别	耐腐蚀系数 $K t$
组别	30次干湿循环	60次干湿循环	120次干湿循环
S0	1.25	1.16	1.10
S20	1.46	1.28	1.37
S40	0.92	1.10	1.10
S60	0.93	1.28	1.27
S80	0.95	1.07	1.07

图8 掺钢渣粉PVA-ECC的极限拉应力和极限拉应变变化

Fig.8 Changes in ultimate tensile properties of PVA-ECC mixed with steel slag powder

图9 不同侵蚀龄期下掺钢渣粉PVA-ECC微观结构

Fig.9 Microstructure of PVA-ECC with steel slag powder at different corrosion ages

图10 不同钢渣粉掺量PVA-ECC侵蚀前后的XRD图谱

Fig.10 XRD patterns of PVA-ECC with different amounts of steel slag powder before and after corrosion

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