我校交通與土木建筑學(xué)院21級(jí)碩士研究生張雨在國(guó)際知名刊物《Journal of Materials Research and Technology》（TOP一區(qū)，IF=6.4）上發(fā)表了題為“Sulfate Resistance and Degradation Mechanism of Basalt Fiber Modified Graphite Tailings Cement-Based Materials”的學(xué)術(shù)論文。我校交通與土木建筑學(xué)院21級(jí)碩士研究生張雨為論文第一作者，李犇特聘教授為通訊作者，我校為第一署名單位；深圳大學(xué)與哈爾濱工程大學(xué)為合作單位。

Yu Zhang, Ben Li, Ying Yu, Chen Zhang, Hu Xu, Kaihang Li, Canhao Zhao, Jize Mao, Yuqing Liu. Sulfate Resistance and Degradation Mechanism of Basalt Fiber Modified Graphite Tailings Cement-Based Materials. Journal of Materials Research and Technology. 26 (2023) 8757-8775.

原文鏈接：https ://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.196

研究?jī)?nèi)容

我國(guó)西北鹽堿地區(qū)建筑物由于長(zhǎng)期處于較高濃度的硫酸鹽與季節(jié)性干濕循環(huán)的耦合環(huán)境中，引發(fā)了嚴(yán)重的耐久性劣化問(wèn)題。添加固廢基活性凝膠材料可以增強(qiáng)水泥基材料的抗硫酸侵蝕性能，但這些方法仍然具有局限性，無(wú)法有效阻礙硫酸鹽離子的擴(kuò)散。石墨尾礦是一種Al2O3含量較低、顆粒分布合理、顆粒強(qiáng)度較大的固廢材料。同時(shí)，石墨尾礦具有火山灰活性，利用其制備水泥基材料能夠促進(jìn)CH消耗而生成C-S-H凝膠，增強(qiáng)材料力學(xué)強(qiáng)度。由于石墨尾礦的物理性能與天然河砂相似，因此，采用部分石墨尾礦代替河砂制備抗硫酸鹽侵蝕水泥基材料具有可行性，石墨尾礦能否通過(guò)消耗CH從而降低腐蝕產(chǎn)物的生成速率成為研究的關(guān)鍵點(diǎn)。然而，石墨尾礦的摻入無(wú)法有效緩解水泥材料在特殊復(fù)雜服役環(huán)境下的微裂紋生長(zhǎng)與擴(kuò)展，外加纖維是提升材料韌性的有效途徑之一。玄武巖纖維作為一種高抗拉、低成本、良好的增韌性能、較高的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性的綠色纖維材料脫穎而出。因此，通過(guò)結(jié)合玄武巖纖維與石墨尾礦的材料特性與優(yōu)勢(shì)制備水泥基材料成為提高其抗硫酸鹽侵蝕性能的可行方法之一。目前，關(guān)于玄武巖纖維增強(qiáng)石墨尾礦水泥基材料的抗硫酸鹽耐久性研究還處于起步階段，需要開(kāi)展進(jìn)一步地、深入地研究，為豐富其材料體系設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。

本文開(kāi)展硫酸鹽干濕循環(huán)作用下玄武巖纖維增強(qiáng)石墨尾礦水泥砂漿（BFM-GTCM）的試驗(yàn)研究，通過(guò)表觀變化、吸水率、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)參數(shù)探究BF和GT對(duì)水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響規(guī)律，同時(shí)，結(jié)合微觀測(cè)試手段闡釋化學(xué)產(chǎn)物、孔結(jié)構(gòu)演變特征和微觀力學(xué)性能對(duì)BFM-GTCM抗硫酸鹽侵蝕能力的影響機(jī)制，并建立腐蝕系數(shù)與孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系模型，最終明晰BF與GT對(duì)水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)理，并提出考慮復(fù)雜環(huán)服役環(huán)境下的最佳BFM-GTCM配比設(shè)計(jì)。

結(jié)果解讀

1、硫酸鹽干濕循環(huán)作用下BFM-GTCM水化產(chǎn)物分析

硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物主要有鈣礬石和石膏，硫酸鹽侵蝕初期（0N~30N），腐蝕產(chǎn)物對(duì)水泥基體的填充導(dǎo)致其致密性以及孔隙結(jié)構(gòu)有所改善，石墨尾礦與玄武巖纖維的摻入能夠進(jìn)一步提高基體的致密程度，從而顯著改善BFR-GTCM的宏觀性能。隨著硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的增加，硫酸鹽侵蝕中后期（60N~120N）大量腐蝕產(chǎn)物的生成導(dǎo)致砂漿內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)晶壓力會(huì)加劇砂漿的劣化，從而使得BFR-GTCM的宏觀性能降低。然而，石墨尾礦與玄武巖纖維的摻入能夠顯著降低砂漿孔隙率并緩解裂紋擴(kuò)展，減緩硫酸鹽侵蝕后期BFR-GTCM耐久性能的劣化速率。

2、硫酸鹽干濕循環(huán)作用下微觀力學(xué)性能分析

為了進(jìn)一步探究微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能變化，選取120N硫酸鹽侵蝕作用下BF-GTCM斷裂面的位置進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)。摻入BF和GT后，試樣的納米壓痕表征參數(shù)出現(xiàn)不同程度的回彈現(xiàn)象，其中，BFGT020的壓痕硬度為2.72，對(duì)比基準(zhǔn)組（2.00）有所提升，但提升作用不明顯。然而，當(dāng)BF外加量為0.3%，GT替代率為20%時(shí)，BFGT320的壓痕硬度達(dá)到3.78，比基準(zhǔn)組提升了89.00%。同時(shí)，彈性模量也存在相似的變化規(guī)律。總的來(lái)說(shuō)，適量的BF和GT能夠優(yōu)化硫酸鹽干濕循環(huán)后水泥砂漿空間微結(jié)構(gòu)，改善水泥砂漿的微觀力學(xué)性能，進(jìn)一步減緩硫酸鹽侵蝕作用后的耐久性劣化程度。

3、基于孔結(jié)構(gòu)的腐蝕系數(shù)預(yù)測(cè)模型

基于對(duì)硫酸鹽侵蝕后BFR-GTCM宏觀和微觀的研究后發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物的不斷積累以及CH和C-S-H等水化物的消耗導(dǎo)致水泥砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，新裂紋產(chǎn)生和舊裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致微觀力學(xué)性能下降，最終腐蝕系數(shù)降低，耐久性劣化嚴(yán)重。利用線性公式分別將孔隙率、最可幾孔徑、平均孔徑、總孔體積、總孔面積與腐蝕系數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，孔隙率(P)和最可幾孔徑(M)的相關(guān)性系數(shù)最高。因此，選擇孔隙率和最可幾孔徑作為代表參數(shù)，與腐蝕系數(shù)進(jìn)行多元回歸分析，所建立的BFR-GTCM腐蝕系數(shù)-孔結(jié)構(gòu)模型有較高的預(yù)測(cè)精度。

4、BFM-GTCM抗硫酸鹽侵蝕機(jī)理分析

BF和GT的適當(dāng)組合對(duì)材料的抗硫酸鹽侵蝕性能有顯著的積極影響，一方面，GT的填充作用能夠有效地優(yōu)化水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)分布，從而降低膨脹應(yīng)力導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)劣化與損失程度；另一方面，基體中處于三維多向分布狀態(tài)的BF不僅能夠充分發(fā)揮其高抗裂與增韌的特性，有效抵抗膨脹應(yīng)力，還可以有效的遏制內(nèi)部舊裂紋的快速擴(kuò)展和新裂紋的大量生成，提高BFR-GTCM致密程度。同時(shí)，BF和GT有機(jī)結(jié)合顯著降低了C-S-H的分解，使其附著在BF上，由于BF與水泥基體的黏結(jié)性能被增強(qiáng)，其優(yōu)勢(shì)性能被充分發(fā)揮。另外，適量的BF和GT能夠有效控制鈣礬石和石膏的生成量，首先，其能夠促進(jìn)基體中CH的消耗并轉(zhuǎn)化為C-S-H，在減少初始缺陷的同時(shí)也降低了硫酸根離子與水泥基體的反應(yīng)速率，同時(shí)，BF和GT最大程度阻礙硫酸鹽溶液對(duì)基體的滲透作用，進(jìn)一步降低腐蝕產(chǎn)物的生成速率，最終改善BFR-GTCM的抗硫酸鹽耐久性。因此，結(jié)合BFR-GTCM的宏觀性能試驗(yàn)結(jié)果及微觀機(jī)理分析綜合考慮，選擇0.3%玄武巖纖維摻量和20%石墨尾礦替代率為BFR-GTCM抗硫酸鹽侵蝕性能的最佳摻量。

5、BFR-GTCM的工程應(yīng)用

當(dāng)BF摻量為0.3%，GT替代率為20%時(shí)，BF和GT通過(guò)調(diào)控化合物含量、阻裂和填充作用協(xié)同工作，從而有效阻斷硫酸鹽侵蝕路徑，最大程度改善水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能。中國(guó)西北鹽堿地區(qū)土壤富含鹽分，降水中硫酸鹽含量較高，在道路、橋梁和水利工程中采用BFR-GTCM新型材料可以延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，減少由于硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致的損壞和復(fù)修頻率，從而減少水泥用量，為減少建筑業(yè)中的碳排放量做出一定的貢獻(xiàn)。另外，中國(guó)2023年7月公布得原材料平均市場(chǎng)價(jià)格中，水泥、GT和BF的價(jià)格分別為24.93USD·ton^-1、0 USD·ton^-1和2.21 USD·kg^-1（1美元≈7.16人民幣），因此，采用BFR-GTCM能夠大幅度降低成本，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

張雨是李犇特聘教授團(tuán)隊(duì)（ASIM團(tuán)隊(duì)）的碩士研究生，李犇特聘教授團(tuán)隊(duì)近5年以來(lái)，在鋼管–高性能混凝土結(jié)構(gòu)服役性能與工程應(yīng)用研究、綠色高性能混凝土材料–結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究、智能與自感知結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵技術(shù)研究等方面開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究工作。團(tuán)隊(duì)成員主持和參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目/青年基金項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省教育廳科技創(chuàng)新課題等縱向項(xiàng)目20多項(xiàng)，在Construction and Building Materials、Reviews on Advanced Materials Science、Journal of Materials Research and Technology-JMRT等期刊發(fā)表SCI論文40余篇。