电瓷用水泥基胶合剂及其标准修订的必要性分析

章 鹏，李玉平，王 伟，马天齐，蔡明俐，杨雪峰，张德民

（1.湖南大学材料科学与工程学院，长沙410082；2.醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司，湖南醴陵412207）

电瓷用水泥基胶合剂及其标准修订的必要性分析

章 鹏1，李玉平1，王 伟1，马天齐1，蔡明俐1，杨雪峰2，张德民2

（1.湖南大学材料科学与工程学院，长沙410082；2.醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司，湖南醴陵412207）

根据绝缘子用水泥基胶合剂的现状，建议对《绝缘子胶装用水泥胶合剂》（JB/T4307—2004）进行修订，增加胶合剂砂浆工作性、耐疲劳性、碱集料反应等方面内容，以进一步推动绝缘子整体制造技术的进步，增创良好的经济效益和社会效益。

绝缘子；水泥基胶合剂；标准修订

0 引言

胶装是用胶合剂将绝缘子与金属附件连接起来，使其能够适应输变电系统及其它应用的重要工艺环节。高性能绝缘子的机械、电气、热学等方面性能须满足相关需求，除保证绝缘子主体及相关附件材料各种性能达标外，还要特别关注胶装工艺。而水泥基胶装剂的相关性能则直接关系到产品质量、产量的关键因素。

电瓷胶装用的胶合剂有很多种类，例如，水泥基胶合剂、金属胶合剂、硫磺胶合剂等，其中水泥基胶合剂是非常重要的胶合剂。水泥基胶合剂，主要采取两种形式供给电瓷制造企业：一种是直接以水泥形式供应，电瓷制造企业还要根据水泥特性和产品要求选用相应的胶装砂、外加剂或矿物掺合料，按一定的工艺要求经现场配制使用；另一种是以成品砂浆方式供给，电瓷制造企业使用时根据产品说明书，直接加入相应比例的水，搅拌即为高性能专用水泥基胶合剂[1]。随着国家相关政策出台，环境保护要求的提高，后一种方式是值得推广应用的。

经过几十年的发展，国内水泥基胶合剂的研制与应用，已经取得许多可喜的成果，例如：探讨了水泥基胶合剂性能表征方法及并确定了相关的技术参数[2]；分析了影响水泥基胶合剂性能的因素，并建立了水泥基本性能与水泥胶合剂性能间的对应关系，掌握了高性能硅酸盐水泥胶合剂与硫铝酸盐水泥胶合剂的制备工艺[3-4]；建立了聚合物水泥胶装砂浆石的微观结构与其机械性能间的关系[5]；遴选了可用于电瓷胶合剂的水泥外加剂和矿物掺合料[6-7]等等，这些研究成果使得电瓷胶装用胶合剂呈现了良好的发展态势。

从现已研发并得到广泛应用的水泥基胶合剂来看，胶合剂所用的胶凝材料主要是硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥，国外还有用高铝水泥（铝酸盐水泥）的[8]；而电瓷胶装专用成品砂浆与建筑工程上常用的自流平砂浆性能类似，使用时只需按要求加入一定量的水，就能得到工作性能优良，可高效地填充满瓷件与金属附件之间的预留空隙，凝结硬化速度快，且几乎不用刻意养护，胶装产品质量好的胶装砂浆。

胶装用砂，是制备水泥基胶合剂的重要原料，不论是直接采用胶凝材料的电瓷企业，还是生产成品胶装砂浆的企业，都要精选合适的胶装用砂。一些能显著提高混凝土质量的掺合料，如硅灰等超细矿物掺合料，也引入到了电瓷胶合剂中。

可显著提高砂浆性能的外加剂，也是制备水泥基胶合剂的重要组成部分，虽然加入量不多，但对胶合剂性能的影响很大。一般来说，有改善电瓷胶合剂工作性能的外加剂，如高效减水剂类外加剂，也有能加速胶凝材料凝结硬化的速凝剂和早强剂，还有增强胶合剂强度的外加剂，以及减少胶合剂后期体积收缩和强度倒缩，提高其耐久性的助剂。

现在采用《绝缘子胶装用水泥胶合剂》（JB/T4307—2004）是机械行业标准，已颁布使用十余年，该标准主要是针对直接采用水泥类胶凝材料，自行配制胶合剂的电瓷企业，其中规定的胶合剂种类、试验方法、技术要求和产品性能等都对我国电瓷行业的发展起到了巨大的作用。但经过数十年的发展，该标准的相关内容也呈现了相对滞后的现象，应该要进一步修订，以更好地适应不断发展的绝缘子制造行业的需求。

1 绝缘子用水泥基胶合剂的性能要求及现有标准情况

如前所述，胶合剂性能的优劣直接决定了绝缘子能否正常使用，决定了绝缘子的功能能否正常发挥出来。一般来说，绝缘子用胶合剂应满足以下要求：1）较高的机械性能；2）良好的耐久性能；3）较好的体积稳定性能，至少要求不会因使用时间的加长，环境温度、湿度的变化以及其它影响因素而导致较大的体积变化，从而影响绝缘子的正常使用；4）优良的抗疲劳特性；5）能较好地抵御大气和正常工作中环境介质的影响；6）不会产生对瓷件和附件有不良影响的化学反应；7）制备过程简便和应用方便，周期短，有利于机械化和自动化作业；8）原材料购取方便、价格便宜，不过高地增加成本；9）对工作人员无毒害，有利于安全生产。

《绝缘子胶装用水泥胶合剂》（JB/T4307—2004）规定了水泥胶合剂的定义、分类、技术要求、试验方法和检验规则。适用于以硅酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥为胶凝材料的瓷或玻璃绝缘子用水泥胶合剂。该标准针对水泥胶合剂，提出了9项性能指标：提出了对抗折强度、抗压强度的要求及采用的试验方法；提出了对盘形悬式绝缘子用胶合剂的压蒸膨胀率的要求及采用的试验方法；规定了异常气孔数、吸水率、干缩率、低温耐受系数、抗冻融循环能力、温度循环耐受系数等参考性技术要求。

但应该看到，该标准颁布时的市场环境与当前相比，已发生了巨大的变化，从而导致该标准已不太适用绝缘子发展的新要求。标准规定的一些试验方法与评价指标也已经落后或者被淘汰。例如，标准中对胶合剂试块抗折强度和抗压强度的测试采用的《水泥胶砂强度检验方法》JB/T177—1985试验方法已经废止，取代该方法的是《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》GB/T 17671—1999；《水泥胶砂试模》已经由JC/T726—1997更新为JC/T726—2005。此外，JB/T4307—2004未明确规定绝缘子用胶合剂的工作性能，没有规定绝缘子在长期使用过程中的稳定性和耐久性方面的指标，在绝缘子生产、供应全球化的过程中，也显得不足，而这些指标的缺失可能会给在复杂恶劣环境下使用的绝缘子留下安全隐患。我国华北、东北、西北等冬季寒冷多雪的地区，已出现了多起由于金属附件应力收缩和水泥胶合剂长期冻结膨胀导致绝缘子失效断裂的事故[9]。

近年来，我国水泥行业发展十分迅速，很多水泥生产企业都具备开发新型水泥胶合剂的能力和技术，但是新标准的缺失导致有些企业出现肆意生产的乱象，降低了市场准入的门槛，生产的水泥胶合剂的相关性能并不符合要求就流入市场，扰乱了水泥胶合剂公平竞争的市场环境。现使用的标准JB/T4307—2004仅仅是机械行业标准，有些企业在生产水泥胶合剂时并未强制执行该标准，故而亟待上升为国家标准，用新标准来营造绝缘子胶合剂市场乃至整个绝缘子市场的良好环境。因此，应根据不断发展的情况，适时修订绝缘子胶合剂的标准。

许多国家和地区都采用国际标准体系进行绝缘子胶合剂性能的检测，ABB、SIEMENS、GE等世界著名的电网设备运营商要求绝缘子供应商执行国外或者国际先进标准[10]，例如要求对相关产品所采用的水泥胶合剂进行疲劳试验，测试其疲劳稳定性。然而我国现行的标准却并未对该指标进行相应的说明，导致各绝缘子生产厂家生产的产品难以满足国际电力市场的需求，影响了整体竞争力。

2 绝缘子用水泥胶合剂标准修订的建议

2.1 加强对胶合剂用水泥的研究，提高胶合剂砂浆的强度等级

相对于瓷件和金属附件来说，水泥胶合剂机械强度较低，是一个相对薄弱的环节，在一些高强度、高吨位绝缘子中，尤其明显。而目前标准中对胶合剂抗折强度和抗压强度的要求，已经无法满足此类绝缘子生产的需求，要适当地提高这类胶合剂的强度标准。随着高标号水泥和特种水泥的开发并应用于绝缘子胶合剂的配制中，也给提高其强度等级创造了良好的条件。实际应用中可以发现部分绝缘子产品，因为胶合剂机械强度不足而出现瓷件与附件松动的现象，从而大幅度降低了绝缘子的使用寿命，影响了整个输变电线路的正常运行[11]。

2.2 提高水泥胶合剂砂浆的工作性

砂浆的工作性，是保证胶装质量的重要性能，但以往的标准对此却较少涉及。砂浆越能填满绝缘子与附件之间的胶装缝，胶装的整体性就越好，因此砂浆的工作性是能否达到上述工艺要求的重要依据，建议在新修订标准中引入对水泥胶合剂砂浆拌和物包括流动度在内工作性的要求。流动度是反应水泥胶合剂扩散和填充性能的指标，当水泥胶合剂的流动度较小时，除了不便于胶装外，还无法保证其充满整个胶装部位从而产生孔洞，影响水泥胶合剂的密实性，待水泥胶合剂凝结硬化后，这些细小孔洞在绝缘子承受外荷载的情况下产生应力集中现象，构成薄弱环节，进而在一定程度上降低胶合剂的整体机械强度，影响绝缘子的正常使用寿命；当水泥胶合剂的流动度过大时，虽然具有较好的自密实填充能力，振动过程中容易出现分层、离析等现象，而且此时的干燥收缩率较大，机械强度较低[12]。在标准中确定绝缘子胶合剂砂浆工作性的相关指标，合理控制水泥胶合剂砂浆拌和物的流动度，可为企业配制优异工作性的胶合剂提供参考依据，更好地满足实际生产的需要。

2.3 从绝缘子疲劳过程评价胶合剂的耐用性能

疲劳是指绝缘子在长期反复应力作用下，水泥胶合剂出现机械强度下降、裂纹等，使瓷件和附件相互剥离而导致绝缘子失效的现象。在复杂环境中使用的绝缘子，生命周期内要受到多种循环动力交互荷载的作用，比如架设于特高压输变电线路中悬式绝缘子在高空中要经常承受风荷载的作用，而架设于变电站的支柱形绝缘子要承受风荷载、地震荷载等机械振动荷载的作用，这些动态荷载很容易导致绝缘子产生疲劳失效，影响线路的安全运行[13]。在这些动态荷载作用下，水泥胶合剂可能会首先出现微观裂纹，而后裂纹逐渐开展形成宏观裂缝，使得胶合剂内部或者胶合剂与瓷件和附件之间的有效截面积不断减少。当动荷载达到一定的次数时，由于截面削弱过多不能经受过高应力的作用，胶合剂就会产生不可恢复的强度衰减，当强度衰减到一定程度时便会出现裂缝，造成瓷件与附件脱落。目前国内外很多大型电瓷厂，对胶装好的绝缘子进行固定载荷抗疲劳实验，在支柱顶端横向施加固定频率和振幅的动态荷载，既评价绝缘子的疲劳性能，同时也可用来检测胶合剂耐疲劳性能。新订标准中应根据相关情况，对不同使用条件下绝缘子的疲劳性能给出一定的参考意见。

2.4 增加对绝缘子胶合剂中碱集料反应试验的要求

绝缘子胶合剂中的碱集料反应是指胶合剂中胶凝材料的碱性物质与胶合剂砂中的活性成分间发生化学反应，生成膨胀物质（或吸水膨胀物质），从而在胶合剂内部产生自膨胀应力而导致胶装绝缘子的失效。近年来，一些用于气体绝缘和充油电力设备中的空心瓷绝缘子，由于胶装部位发生了碱集料反应而造成绝缘子老化，引起了油气泄漏的事故[14]，值得引起重视。虽然现在绝缘子胶合剂使用的胶凝材料的碱含量已经限制在0.6wt%以下，但在配制胶合剂时，为了改善胶合剂的某些性能而添加诸如减水剂、早强剂等外加剂，这就额外引入了碱，使得胶合剂的碱总当量超过了0.6wt%。由外加剂引入的碱都是可溶性的，可显著地加剧碱集料反应。此外，胶合剂砂浆中，集料比例相对于建筑用混凝土要少些，因而集料所能分配到的碱量也较高，当集料具有碱活性时，胶合剂产生碱集料反应的可能性也会明显增大[15]。此外，绝缘子瓷件中也含有SiO2，也具有较高的活性，一旦在潮湿的环境中使用，也可能会吸水膨胀，降低了胶合剂在长期使用过程中的体积稳定性和耐久性。因此，标准中要增加对碱集料反应的要求。实际生产过程中，可采用快速砂浆棒法以及化学法评判胶合剂中的碱集料反应情况，但还要进一步加强研究，确定更直接的判据。

2.5 明确水泥胶合剂的质量稳定性的要求

JB/T4307—2004标准中仅用胶合剂在11天的抗折强度和抗压强度来表征其稳定性，很多绝缘子生产厂家对各类胶合剂质量稳定性的检验与控制也仅限于此。这对硅酸盐水泥来说是可行的，而对于后期强度倒缩较大的硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥显然是不够的。从实际应用中发现，以硫铝酸盐水泥为胶凝材料的胶合剂，一般后期强度增长缓慢，甚至出现倒缩现象，导致绝缘子的胶装部位因长期强度不足而丧失整体稳定性。对相关类型的胶合剂，则应采用28天或者更长龄期的强度来检测其长期质量稳定性。

3 绝缘子水泥胶合剂标准修订的原则

在标准修订的过程中，要充分考虑到新旧标准之间的协调性和一致性。标准中的各项指标要求既要紧跟当前绝缘子胶合剂市场的最新发展水平和趋势，也要结合我国绝缘子胶装的实际情况，做到技术先进、经济合理、安全适用。《绝缘子胶装用水泥胶合剂》的修订应遵循以下原则。

1）延续性原则：现行标准在水泥胶合剂的研制与绝缘子胶装过程中起到十分关键的作用，相关技术指标得到水泥胶合剂生产企业与绝缘子生产企业的普遍认可，对这些技术指标，在修订时要加以延续，并逐步完善。

2）时效性原则。应充分考虑当前绝缘子胶合剂的研究进展以及绝缘子胶装市场对胶合剂性能的要求和未来的发展趋势。

3）系统性原则。新标准要尽可能多地涵盖各种类型的绝缘子胶装用水泥胶合剂。

4）科学性原则。新标准在技术性能要求上不仅要与国际标准接轨，试验方法与评价方法要充分吸收最新的研究成果，也要考虑我国水泥胶合剂市场需求的特殊性和当前经济技术水平。

总之，围绕绝缘子生产的市场需求，开展胶合剂的深入研究，不断给绝缘子企业提供可用的新型胶合剂，是很重要的工作。

4 结语

绝缘子胶合剂性能的好坏直接影响着绝缘子使用，决定着高压输变电设施的安全性和可靠性，提高其综合性能，对促进绝缘子行业的发展至关重要。为了我国绝缘子制造企业能够更好地拓展国内外市场，应在加强绝缘子胶合剂研究的基础上，修订现行的《绝缘子胶装用水泥胶合剂》（JB/T4307—2004）标准，适时增加胶合剂砂浆工作性、胶合剂耐疲劳性、碱集料反应等要求，以推进绝缘子整体制造技术进步，增创社会效益和经济效益。

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Cement-Based Compo for Porcelain and Necessity Analysis of Standard Revision

ZHANG Peng1，LI Yuping1，WANG Wei1，MA Tianqi1，CAI Mingli1，YANG Xuefeng2，ZHANG Demin2
（1.College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2.Liling Huaxin Insulator Technology Co.，Ltd.，Liling 412207，China）

According to the status of cement-based compo for insulators，the author recommends that cement mortar for insulators JB/T4307-2004 should be revised to add the workability，fatigue resis⁃tance and alkali-aggregate reaction of cement compo，which to further promote the overall manufacturing technology of insulators and to enhance good economic and social benefits.

insulators；cement-based compo；standard revision

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.032

2016-11-03

章鹏（1991—），男，硕士，现从事水泥建材混泥土的研究工作。

湖南省自然科学基金委员会与株洲市政府自然科学联合基金（编号：14JJ5004）。