玄武岩纤维增强地质聚合物性能的研究

2021-06-10汪远波

工程与建设 2021年1期

孙鹏，吴宇，汪远波

(安徽省公路工程检测中心；桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，安徽合肥 230051)

0 引言

20世纪70年代，J. Davidovits教授首先提出地质聚合物(Geopolymer)概念，并创办了相关的研究机构，对材料内部结构进行研究[1,2]。地质聚合物主要是由碱激发剂与粉煤灰、矿渣、偏高岭土、硅灰等硅铝质工业废渣制备而成的一种具有三维网络结构的环境友好新型凝胶凝材料[3-8]，具有早期强度高、粘结力强、结构致密性好、耐化学腐蚀、耐火耐高温性能好等优越的性能，且制备过程能耗低、环境相容性好。它以其独特优势在修补加固材料、固核固废材料、环境处置材料、耐火耐高温材料等领域具有广泛应用前景和开发潜力[9-14]，已成为世界范围内的研究热点之一。近年来，普遍认为地质聚合物尚存在着干缩大、泛碱、脆性大、碳化严重等问题[15-16]。针对上述问题国内外学者开展了一系列的试验研究，并取得一些研究结果。杨永民等[17]在地质聚合物浆体中添加活性MgO，能够有效补偿地质聚合物的收缩，当活性MgO掺量为6%时，地质聚合物浆体的28d干燥收缩降低20.0%。Pacheco-Torgal F等[18]研究认为在地质聚合物中掺入硅灰、调节碱激发剂的掺量可以有效改善泛碱问题。柴倩等[19]以水镁石纤维为增韧材料来提高地质聚合物韧性，水镁石纤维掺量为0.8%时，抗折强度提高了26.6%，增韧效果显著。

玄武岩纤维是一种具有抗拉强度高、耐高温、耐腐蚀、耐久性好等优异性能的新型无机绿色环保高性能纤维材料。目前在硅酸盐水泥混凝土和沥青混凝土中应用比较广泛[20-21]。目前玄武岩纤维应用改善地质聚合性能相关研究报道较少。因此，开展玄武岩纤维增强地质聚合物性能的试验研究是非常有必要的。本文以偏高岭土和碱激发剂水玻璃玄主要原材料，掺入玄武岩纤维地质聚合物。研究了玄武岩纤维长度、表面形态、体积掺量对基地质聚合物性能的影响规律，并分析了玄武岩纤维增强地质聚合物作用机理。

1 实验

1.1 原材料

试验用偏高岭土是由淮北金岩高岭土开发有限责任公司提供的煤系高岭土粉在高温炉中经过850℃煅烧保温2h取出冷却至室温得到的，化学成分见表1。玄武岩纤维，购自横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司，化学成分见表2，主要技术指标见表3。工业水玻璃，市购，其模数M=3.03。分析纯NaOH，购自无锡市展望化工试剂有限公司。标准砂，购自厦门艾思欧标准砂有限公司。试验采用低模数的水玻璃(M=1.2、1.4)是由市购的工业水玻璃在测出SiO2和Na2O基础上通过加入分析纯NaOH调节配制而成的。

表1 偏高岭土的化学成分

表2 玄武岩纤维的化学成分

表3 玄武岩纤维的主要技术指标

1.2 试样制备

按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)和《公路工程水泥与水泥凝土试验规程》(JTG E30-2005)，将煅烧处理后的偏高岭土、标准砂、水玻璃和玄武岩纤维按照表4和表5设计的配比制备地质聚合物胶砂强度和干缩试件。在试验室(温度20℃±2℃，相对湿度>50%)养护24h后脱模，然后标准养护(温度20℃±1℃，相对湿度>90%)至规定龄期测试其性能。

表4 力学性能试验配合比

表5 干缩性能试验配合比

1.3 测试方法

依据国标《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)测试地质聚合物砂浆的抗压强度Rc/MPa和抗折强度Rf/MPa，分别按公式(1)和(2)计算。

(1)

(2)

式中，Fc为破坏时的最大荷载,N；A为受压部分的面积,mm2；Ff为折断时施加于棱柱体中部的荷载,N；L为支撑圆柱之间的距离,mm；b为棱柱体正方形界面的边长,mm。

依据《公路工程水泥与水泥凝土试验规程》(JTG E30-2005)测试地质聚合物砂浆试件各龄期的干缩率St(%)，按公式(3)计算(精确至0.001%)。

(3)

式中:L0为初始测量读数,mm；Lt为某一龄期的测量读数,mm；250为试件有效长度,mm。

采用扫面电子显微镜(SEM)观察玄武岩纤维在地质聚合物中的分布情况和试样断面特征。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

2.1.1 玄武岩纤维长度对地质聚合物抗压强度和抗折强度的影响

图1显示了玄武岩纤维长度(8 mm、16 mm和24 mm)对地质聚合物28 d抗压强度和抗折强度的影响。随着玄武岩纤维长度由8 mm增加到24 mm，地质聚合物的28 d抗压强度和抗折强度呈逐渐增加趋势。玄武岩纤维地质聚合物28 d的抗压强度和抗折强度分别由50.02 MPa和8.16 MPa增加到60.62 MPa和9.45 MPa。掺有8 mm、16 mm和24 mm的玄武岩纤维的地质聚合物28 d抗压强度和抗折强度抗相对于空白未掺加玄武岩纤维的地质聚合物分别增加了3.5%、20.7%、25.4%和15.3%、25.3%、33.5%。由此可见，玄武岩纤维对地质聚合物抗折强度提高较为显著。

图1 玄武岩纤维长度对地质聚合物28 d抗压和抗折强度的影响

2.1.2 玄武岩纤维表面形态对地质聚合物抗压强度和抗折强度的影响

图2显示了玄武岩纤维表面形态(有捻、无捻)对地质聚合物14 d抗压强度和抗折强度的影响。由图2可知，与空白样相比，掺入表面粗糙的玄武岩纤维(有捻)的地质聚合物抗压强度和抗折强度分别提高了25.4%和9.4%，掺入表面光滑的玄武岩纤维(无捻)的地质聚合物抗压强度和抗折强度分别提高了10.7%和7.5%。由此可见，有捻的玄武岩纤维比无捻的玄武岩纤维增强地质聚合物抗压强度和抗折强度效果更为显著。这主要是由于表面粗糙(有捻)的玄武岩纤维能够增强与地质聚合物基体之间“咬合”作用，进而增强了纤维从基体中被拔出的能量，增强地质聚合物力学性能。

图2 玄武岩纤维表面形态对地质聚合物14 d抗压及抗折强度的影响

2.1.3 玄武岩纤维体积掺量对地质聚合物抗压强度和抗折强度的影响

图3显示了玄武岩纤维体积掺量对地质聚合物14d抗压强度和抗折强度的影响。随着玄武岩纤维体积掺量(0、0.5%、1%)增加，地质聚合物抗压强度呈先增加后降低趋势，而抗折强度呈现逐渐增加趋势。玄武岩纤维体积掺量为0.5%的地质聚合物抗压强度和抗折强度与空白试样相比分别增加了10.7%和7.5%；武岩纤维体积掺量为1%的地质聚合物抗压强度和抗折强度与空白试样相比分别增加了5.5%和12.9%；由此可见：玄武岩纤维体积掺量的增加能够有效的改善地质聚合物的力学性能，对增强地质聚合物抗折强度的效果较为显著。

图3 玄武岩纤维体积掺量增强地质聚合物力学性能的影响

2.2 干燥收缩

2.2.1 玄武岩纤维长度对地质聚合物干燥收缩的影响

图4显示了玄武岩纤维长度(8 mm、16 mm和24 mm)对地质聚合物干燥收缩的影响。玄武岩纤维长度由8 mm增加至24 mm，地质聚合物的干燥收缩率呈逐渐降低趋势。与空白样相比，掺入玄武岩纤维长度为8 mm、16 mm和24 mm的地质聚合物3d龄期干燥收缩率分别减少了28.6%、33.1%和37.5 %；7 d龄期干燥收缩率分别减少了27.4%、32.9%和36.9%；28d几乎趋于稳定。这主要是由于玄武岩纤维-地质聚合物基体结合紧密，纤维在基体中的空间乱向排列作用在一定程度上抵抗了地质聚合物基体的收缩应力，纤维长度的增加更进一步增大了纤维和基体之间的握裹面积，从而增大了握裹力。

图4 玄武岩纤维长度对地质聚合物收干燥收缩的影响

2.2.2 玄武岩纤维表面形态对地质聚合物干燥收缩的影响

图5显示了玄武岩纤维表面形态对地质聚合物干燥收缩的影响。由图5分析可知，与空白样对比，加入无捻和有捻的玄武岩纤维3 d收缩率分别减少了33.6%和38.6%；7 d的收缩率分别减少了36.9%和42.1%；28 d几乎趋于稳定，基本不发生显著变化。有捻的玄武岩纤维比无捻的玄武岩纤维更能够有效地降低地质聚合物干燥收缩率。主要由于有捻的玄武岩纤维表面比较粗糙，与基体之间“咬合”左右起到至关重要的作用，进一步降低基体干燥收缩，提高了地质聚合物抵抗干燥收缩应力的能力。

图5 玄武岩纤维表面形态对地质聚合物干燥收缩的影响

2.2.3 玄武岩纤维体积掺量对地质聚合物干燥收缩的影响

图6显示了玄武岩纤维体积掺量对地质聚合物干燥收缩的影响。由图6可见，随着玄武岩纤维体积掺量(0.1%、0.3%和0.5%)增加，地质聚合物的干燥收缩率逐渐减小。与空白样相比，掺量为0.1%、0.3%、0.5%的3d收缩率分别较少了33.1%、37.5%和75.7%；7 d收缩率分别为34.0%、36.9%和74.1%； 28 d后变化不显著。由此可见，在一定范围能增加玄武岩纤维体积掺量有助于抑制地质聚合物的干燥收缩。主要由于纤维体积掺量增加，纤维空间乱向分布与三维网络结构的地质聚合物胶合作用，增强二者之间的咬合；同时在一定程度上降低了基体内部孔隙率，从而进一步有效的阻止地质聚合物干燥收缩和应力扩散。

图6 玄武岩纤维体积掺量对地质聚合物干燥收缩的影响

3 玄武岩纤维增强地质聚合物性能的作用机制分析

3.1 玄武岩纤维增强地质聚合物力学性能的作用机制分析

由图7地质聚合物砂浆纤维的SEM照片分析可知：玄武岩纤维与地质聚合物基体界面结合紧密，同时玄武岩纤维在地质聚合物中乱向分布作用阻碍了裂纹的产生和扩展，有效地吸收和消耗能量，从而提高地质聚合物得断裂韧性；同时玄武岩纤维具有较高抗拉强度和较小的拉伸率可继续承担截面上的拉力，“镶嵌”在地质聚合物基体中的纤维承担着一定的拉应力，直到玄武岩纤维被拉断或从基体中拔出，提高了其力学性能，特别是抗折强度。表面粗糙的玄武岩纤维这种增强效果更显著。

图7 地质聚合物砂浆中玄武岩纤维SEM照片

3.2 玄武岩纤维降低地质聚合物干燥收缩的作用机制分析

干燥收缩主要是地质聚合物毛细孔失水产生塑性收缩应力，塑性收缩应力大于地质聚合物基体抗拉强度而使基体产生干缩。地质聚合物基体中掺入玄武岩纤维后，玄武岩纤维在地质聚合物基体中呈三维乱向分布，玄武岩纤维起到传递应力从而降低收缩应力的作用。同时乱向分布的玄武岩纤维在地质聚合物中在一定程度上阻塞毛细孔，可使地质聚合物基体失水减少和增强了水分迁移的困难程度，从而降低了地质聚合物干燥收缩性能。