纤维改性磷石膏基胶凝材料及阻裂作用机理分析

何玉鑫，万建东，刘小全，华苏东

纤维改性磷石膏基胶凝材料及阻裂作用机理分析

何玉鑫1，万建东1，刘小全1，华苏东2

在磷石膏基胶凝材料（PGS）中加入纤维改善PGS的抗裂性能，通过评价不同龄期样品的抗冲击功、抗折强度、抗冻融性能和分析断口形貌等表征纤维对PGS固化体的抗裂效果。结果表明：化纤对PGS固化体增韧和抗裂性能优于矿纤和玻纤。在20℃（湿度＞90%）条件下，化纤掺量为0.7%时，PGS固化体28d的抗冲击功和抗折强度分别较净浆试块提高了389.5%和50.6%；在冻融循环15次后掺化纤的PGS固化体抗冲击功、抗折强度和质量损失率较PGS净浆固化体分别降低了87.4%、71.4%和86.0%；化纤穿插于PGS固化体内部，形成一种三维的网状包裹状态，起桥联搭接作用，抗裂效果显著。

磷石膏；胶凝材料；纤维；抗裂；抗冻性能

磷石膏（PG）是工业生产磷肥的副产物，每年产生PG近5000万吨，其中仅有20%左右PG被利用，大量未处理的PG堆积、填埋和直接排放，污染土地和水资源，因此充分利用PG不仅可以保护环境、实现资源再利用，而且能促进经济发展[1-5]。

磷石膏基胶凝材料（PGS）易受气候和钙矾石含量过多等因素影响，从而造成PGS开裂、力学性能下降等现象[6]，制约其在建材领域中的使用。纤维现已广泛用于改善水泥基胶凝材料的性能，主要起增韧、增强和阻裂的作用，如钢纤维增强水泥砂浆、碳纤维增强混凝土、复合纤维增韧油井水泥等[7-10]。目前纤维改性PGS的研究较少，笔者对PG煅烧改性后制备含磷建筑石膏，掺入工业矿渣粉以及不同种类和掺量的纤维，在碱激发剂、缓凝剂作用下制备了PGS，通过评价其抗冲击功、抗折强度、抗冻性能和分析内部结构显微形貌来表征纤维改性PGS的抗裂效果，以期为制备高性能PGS提供技术支持。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

图1 PG和含磷建筑石膏的成分

表1 PG和矿渣的化学组成，%*

表2 纤维的物理性能

表3 含磷建筑石膏的基本性能（20℃）

PG（四川绵竹），灰色粉末状，过120目筛，主要成分是CaSO4·2H2O（见图1）；矿渣（江苏南京），粉末状，比表面积为410m2/kg（两种原材料的化学组成见表1）；特种钙材料市售，氧化钙含量为89.8%以上；碱激发剂（自制），水玻璃和氢氧化钠溶液；缓凝剂（NM）市售；纤维选用矿纤、玻纤和化纤，各纤维物理性能见表2。

1.2 实验方法

将PG在140℃条件下热活化4h后，制含磷建筑石膏，其主要成分为CaSO4·0.5H2O（见图1），基本性能（见表3）达到国家标准优等品要求。

PGS按含磷建筑石膏：矿渣：生石灰=60:40:4（质量比）配制粉料，水胶质量比为0.6，碱激发剂3%，缓凝剂0.2%（外加剂均外掺法），掺入不同种纤维制备PGS，利用KZY-30电动抗折仪和XJJ-5型抗冲击仪器测试抗折强度和抗冲击功，并利用JSM-5900型扫描电子显微镜，对试块的断面形貌进行分析。

2 结果与讨论

PGS固化体抗冻融性能分析：抗折强度和抗冲击功均可有效地评价纤维对PGS固化体的增韧作用，抗折强度和抗冲击功越大，韧性越高（所需的断裂能也越高）。抗冻融性能可有效地评价纤维对PGS固化体的阻裂作用，抗冻融性能越优，抗裂效果越明显。纤维以拔出、拉伸、拉断三种方式（任何一种方式都需要更高的断裂量）阻止PGS固化体的开裂。在冻融循环过程中，进入内部孔隙的水使材料不断产生膨胀收缩应力,导致结构破坏，力学性能下降。在15次冻融循环过程中掺不同种类纤维的PGS固化体的性能能见表4。

由表4可知，PGS固化体的抗冲击功和抗折强度随着矿纤和玻纤掺量的增加呈增大的趋势，且掺量为1.5%时最大，但两者对PGS固化体的增韧作用不明显。当化纤掺量为0.7%时，PGS固化体增韧作用（抗冲击功和抗折强度分别较PGS净浆固化体提高了389.5%和50.6%）最佳。在冻融循环过程中，PGS固化体的抗冲击功损失率和抗折强度损失率随着矿纤和玻纤掺量的增加呈减小的趋势，且掺量为1.5%时最小。化纤对PGS固化体的抗裂作用较矿纤和玻纤明显，PGS固化体28d的抗冲击功损失率、抗折强度损失率和质量损失率分别较净浆试块降低了87.4%、71.4%和86.0%。

当玻纤和矿纤掺量大于1.5%时，纤维在PGS固化体中分散性差，搅浆过程中易发生团聚，不利于PGS固化体的抗裂，而化纤在PGS浆体中的分散性较好，在实验所选掺量条件下未出现团聚现象，且化纤掺量为0.7%时，PGS固化体的抗裂作用最优。

3 纤维抗裂机理分析

当受到水、温度、AFt等因素的作用会产生膨胀与收缩，使PGS固化体内应力集中而出现开裂，力学性能下降。纤维可以有效阻止PGS固化体早期微裂纹的产生和扩展。图2为20℃（湿度＞90%）养护28d试块断面形貌图，其中a为净浆试块，b为掺0.7%化纤的抗裂试块，c为掺1.5%玻纤的抗裂试块，d为掺1.5%矿纤的抗裂试块。

表4 在15次冻融循环过程中不同种类纤维的PGS固化体的性能

图2 PGS固化体断面形貌图

图3 PGS固化体抗折测试后的截面

图4 PGS固化体冻融循环后破坏形态

由图2a可知，PGS净浆固化体主要是C-S-H凝胶包覆各组分形成致密的网状结构，受到应力集中而出现开裂，力学性能下降。由图2b、c和d可知，纤维穿插于PGS固化体内部，具有桥联搭接作用，传递部分的力，抗裂性能均优于净浆。结合图3可知，化纤由于直径粗，数量多，均匀分散性优于矿纤和玻纤，大量单丝纤维形成一种三维的网状包裹状态，桥联搭接作用更显著，受力的纤维可以将力传到其他纤维上，使PGS固化体的内部应力场更加连续与均匀[11]，通过纤维的拔出、拉断、拉伸阻止PGS固化体的开裂，因此在冻融循环过程中，化纤可有效保持PGS固化体整体完整性（见图4），化纤抗裂作用最优。

化纤形成一种三维的网状包裹状态，桥联搭接作用显著，受力的纤维可以将力传到其他纤维上，具有类似高弹性模量纤维的性能，从而阻止PGS固化体早期微裂纹的产生；化纤本身具有低弹性模量纤维的性能，可有效阻止PGS固化体后期长裂纹的延伸，使PGS固化体保持完整性，由图5和图6化纤抗裂过程可知表达式如下：

图5 化纤阻止微裂纹的过程

图6 化纤阻止长裂纹的过程

μ为摩擦块的动摩擦系数，表征纤维与PGS固化体基体的黏结系数，N/kg；l1、l2为摩擦块滑动距离，代表纤维的拔出长度，m；x为弹簧的伸长，代表纤维的伸长，m；k为弹簧模型的刚度，与纤维性质有关的一个常数；Δ代表基体开裂后裂缝的扩展宽度，m；F1、F2纤维对裂缝的阻力，N。

由图5可知，由于化纤嵌入长度不断递减，以及拔出过程中界面被磨光滑，致使动摩擦系数μ减小。由公式（1）知，随着裂缝扩展，动摩擦系数μ减小，纤维对裂缝的阻力（F1）减小，在PGS固化体中所起的抗裂作用主要表现在裂缝扩展初期（即微裂纹），克服微裂纹所需的阻力主要表现为纤维的拔出。由图6可知，化纤具有较高的极限延伸率，随着微裂纹扩展，纤维主要通过提高PGS固化体的延展性来提高抗裂性能，抗裂过程中所需的阻力主要表现为纤维的拔出、拉断、拉伸。由公式（2）可知，随着裂缝的扩展（Δ增大），纤维对裂缝的阻力（F2）增加，对PGS固化体的抗裂作用主要表现为裂缝扩展后期（即长裂纹）。可见微裂纹的产生至试块的破碎期间，化纤能有效阻止PGS固化体的开裂。

4 结论

（1）在20℃（湿度＞90%）条件下，化纤对PGS固化体增韧作用优于矿纤和玻纤，掺量在0.7%时PGS固化体28d的抗冲击功和抗折强度分别较同龄期的净浆固化体提高了389.5%和50.6%。

（2）在冻融循环15次后，化纤能有效提高PGS固化体的抗裂性能，掺量在0.7%时PGS固化体28d的化纤抗冲击功、抗折强度和质量损失率较净浆固化体分别降低了87.4%、71.4%和86.0%。

（3）在PGS中掺入0.7%的化纤后，大量单丝纤维形成一种三维的网状包裹状态，桥联搭接作用更显著，受力的纤维可以将力传到其他纤维上，有效阻止PGS固化体的微裂纹的产生和裂纹的扩展。

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Fiber Modified Phosphogypsum-based Cementitious Material and Anti-cracking Mechanism Analysis

HE Yu-xin1,WANG Jian-dong1,LIU Xiao-quan1,HUA Su-dong2
(1 Jiangsu Yi Fu New Material Technology Co.,Ltd.,Nanjing 211178; 2 Nanjing Univesity of Technology,Nanjing 210009)

Municipal Fibers were used to improve phosphogypsum-based cementations material(PGS) anti-cracking ability.The influence of adding fiber was investigated by measuring the impact work,flexural strength,freeze-resistance,and the microscopy of fracture surface.Results showed that fiber could prevent PGS from cracking obviously better than both mineral fiber and glass fiber.The impact work and the flexural strength of PGS with 0.7%fiber cured at 20℃（R.H.≥90）for 28d were increased by 389.5%and 50.6%respectively; after 15 freeze-thaw cycles,the impact work,flexural strength and mass loss rate of cementitious material with 0.7%fiber were decreased by 87.4%,71.4%and 50.4%respectively.The fiber distributed in the matrix of hardened PGS offered a bridging function notably because of three-dimensional network structure.

phosphogypsum;cementitious material;fiber;anti-crack;anti-freezing function

TQ172.462

A

1001-6171（2013）05-0023-04

通讯地址：1江苏省一夫新材料科技有限公司，南京 211178；2南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009；

2012-12-29； 编辑：赵 莲