玄武岩短切纤维表面改性及其对水泥基材料力学性能的影响

2021-10-29王宇峰舒春雪

四川水泥 2021年9期

王宇峰舒春雪

（1.中铁上海工程局集团有限公司，上海 200436；2.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044）

0 前言

水泥基材料是建筑材料领域内的重要材料，其开裂及耐久性问题一直是研究的重点。为了提高水泥基材料的抗开裂性能，纤维类材料在水泥基材料中得到了大量的应用。近年来，玄武岩短切纤维在水泥基材料中的应用逐渐被大家所重视。

玄武岩短切纤维是以天然玄武岩拉制的连续纤维，是玄武岩石料在高温熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的纤维。玄武岩短切纤维是一种新型材料，它是由二氧化钛、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化钙和氧化铁等氧化物组成。玄武岩短切纤维具有强度高、耐腐蚀和耐高温等多种优异性能。但是，玄武岩短切纤维由于表面光滑、呈惰性、极性大且具有较高的表面能等缺点，一般在使用前需要对玄武岩短切纤维表面进行改性，其中用硅烷偶联剂对玄武岩短切纤维进行改性是一种常见的方法。本文主要探讨不同改性工艺对玄武岩短切纤维及玄武岩短切纤维水泥基材料的影响[1]。

1 研究方案

1.1 实验用材料

玄武岩短切纤维采用常州筑威建筑材料有限公司产品，技术性能详见表1。玄武岩短切纤维改性用硅烷偶联剂详见表2。

表1 玄武岩短切纤维技术性能

表2 玄武岩短切纤维改性用硅烷偶联剂

1.2 玄武岩短切纤维改性方法

预处理：将玄武岩短切纤维在230-260℃高温下加热2-2.5h，置于四氯乙烯溶液中冷却，最后用无水乙醇冲洗干净；（2）制备改性剂：以无水乙醇作为溶剂，配成质量分数分别为0.4%、0.8%、1.2%的CG570、Z6518、CG550的三种硅烷偶联剂溶液，充分搅拌均匀后静置5-10min进行水解；（3）改性：将预处理后的玄武岩短切纤维放入改性剂中，充分浸泡2h后取出，自然干燥，最后在100-110℃温度下加热1-1.5h后冷却至室温[2]。

1.3 水泥基材料制备

改性玄武岩短切纤维水泥基材料配合比如表3所示。

表3 实验用改性玄武岩短切纤维水泥基材料配合比/g

1.4 检测方法

（1）力学性能：按照《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》（GB/T 3362-2017）进行拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率检测。

（2）耐腐蚀性能：分别称取10g原纤维和改性后纤维试样，采用蒸馏水将玄武岩短切纤维洗净并晾干，以1:10的浴比（玄武岩短切纤维与溶液的比例）分别放入浓度为0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L的NaOH溶液和HCl溶液中，在20-25℃温度下充分搅拌3h，最后去用蒸馏水将玄武岩短切纤维冲洗干净并自然干燥。通过玄武岩短切纤维的腐蚀形貌和强度损失评价其耐腐蚀性[3]。

2 检测结果分析

2.1 改性玄武岩短切纤维的力学性能

图1为改性玄武岩短切纤维的弹性模量（E），E值的大小反映了纤维的抗变形能力。经CG570与CG550改性的玄武岩短切纤维的抗变形能力得到了一定的提高。对于CG570改性剂，改性后的玄武岩短切纤维E值随CG570浓度增长先升高后降低，当CG570浓度为0.8%时，E值较原玄武岩短切纤维提升11.1%；对于CG550改性剂，改性后的玄武岩短切纤维E值随CG550浓度的增大而增大，当CG550浓度为1.2%时，E值较原玄武岩短切纤维提升11.3%；对于Z6518改性剂，改性后的玄武岩短切纤维E值随Z6518浓度增加先降低后增高，抗变形能力下降[4]。

图1 改性后玄武岩短切纤维E值

由图1可知，CG570和CG550对玄武岩短切纤维抗变形能力改性效果较好，Z6518对玄武岩短切纤维抗变形能力改性效果较差，其中浓度为0.8%的CG570和浓度为1.2%的CG550对玄武岩短切纤维的抗变形能力改性效果最好。几种不同硅烷偶联剂改性效果的差异主要是由于硅烷偶联剂的支链不同造成的[5]。

2.2 改性玄武岩短切纤维的耐腐蚀性能分析

改性后玄武岩短切纤维在不同HCl溶液浓度下的强度保持率如图2、图3和图4所示，经CG570与CG550改性后的玄武岩短切纤维抗酸腐蚀性能有所提高。

图2 不同HCl浓度下经CG550改性后玄武岩短切纤维的强度保持率

图3 不同HCl浓度下经CG570改性后玄武岩短切纤维的强度保持率

图4 不同HCl浓度下经Z6518改性后玄武岩短切纤维的强度保持率

相同处理条件下，随着HCl浓度的增加，玄武岩短切纤维的强度保持率逐渐降低。经CG550或CG570改性后纤维的耐酸腐蚀性要优于原纤维，且偶联剂浓度在0.8%以上时改性效果明显；经Z6518处理后的纤维，与预处理组的纤维相比，其强度保持率在高Z6518浓度下有所提高。综合考虑不同改性方法对纤维强度保持率的影响，浓度为1.2%的CG550和浓度为1.2%的CG570改性效果较为明显[6]。

改性后玄武岩短切纤维在不同NaOH溶液浓度下的强度保持率如图5、图6和图7所示，经CG570与CG550改性后的玄武岩短切纤维抗碱腐蚀性能有所提高。

图5 不同NaOH浓度下经CG550处理后玄武岩短切纤维的强度保持率

图6 不同NaOH浓度下经CG570处理后玄武岩短切纤维的强度保持率

图7 不同NaOH浓度下经Z6518处理后玄武岩短切纤维的强度保持率

改性后玄武岩短切纤维在不同NaOH浓度下的强度保持率如图5、图6、图7所示，经CG570与CG550改性后的玄武岩短切纤维抗碱腐蚀性能得到了提高。与酸侵蚀试验相比，耐碱腐蚀实验的强度损失相对较大。随着碱浓度的增加，改性后的玄武岩短切纤维的强度保持率随NaOH浓度变化趋势与原纤维组变化类似都呈逐渐下降的趋势。由图5可知，在相同NaOH溶液浓度下，玄武岩短切纤维的强度保持率随着CG550改性剂浓度的增加而增加。由图6可知，在相同NaOH溶液浓度下，玄武岩短切纤维的强度保持率随着CG570改性剂浓度的增加而增加，但同条件下CG570的改性效果较CG550略差。由图7可知，在相同NaOH溶液浓度下，玄武岩短切纤维的强度保持率与Z6518无线性关系，在高浓度Z6518条件下改性效果较好[7]。

综上所述，1.2%浓度CG550改性剂对玄武岩短切纤维在的综合改性效果最好，改性后玄武岩短切纤维在的力学性能和耐腐蚀性能有较大提升。

2.3 改性后玄武岩短切纤维的微观形貌分析

改性后的玄武岩短切纤维和预处理的玄武岩短切纤维的表面形貌特征如图8所示。

图8 预处理及改性后玄武岩短切纤维表面形貌分析

从图8a可以看出，仅仅经预处理的玄武岩短切纤维表面非常光滑。从图8b可以看出，经浓度为1.2%的CG550改性剂改性处理后，显著提高了玄武岩短切纤维表面粗糙度。从图8c、8d可以看出，经1.2%CG570改性剂或Z6518改性剂改性后，提高了玄武岩短切纤维表面粗糙度。

2.4 改性玄武岩短切纤维对水泥基材料力学性能的影响

三种硅烷偶联剂改性后的玄武岩短切纤维对水泥基材料力学性能的数据如图9所示。

图9 改性玄武岩短切纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

由图9（a）可知，随着改性剂浓度的提高，CG550组与Z6518组改性后的复合材料的抗折强度呈先增长后降低的趋势，CG570组改性后的复合材料的抗折强度呈逐渐增长的趋势。当CG550溶液浓度为0.8%时，改性后的复合材料抗折强较原纤维组提高了10.5%；当CG570溶液浓度为1.2%时，改性后的复合材料抗折强度较原纤维提升了20.3%；而Z6518各组在28d时的抗折强度整体低于原纤维组[8]。由9（b）可知，随着三种硅烷偶联剂浓度的提高，纤维增强水泥基的抗压强度呈逐渐增长的趋势。CG550和CG570相对Z6518对纤维增强水泥基复合材料的力学性能作用效果更好，其中当CG550溶液浓度为1.2%时，改性后的复合材料抗压强度为62.2MPa，较原纤维组的抗压强度提高了10.9%；当CG570溶液浓度为1.2%时，改性后的复合材料抗压强度较原纤维的抗压强度提升了10.6%；而Z6518各组在28d时的抗压强度与原纤维组相差不大[9]。

综上，对比原始纤维组，三种改性方法中，CG550和CG570相对Z6518对纤维增强水泥基材料的力学性能作用效果较好，浓度为1.2%的CG570和CG550改性剂可以显著改善玄武岩短切纤维对水泥基复合材料的力学性能。这主要是由于通过硅烷偶联剂对玄武岩表面进行改性后，改善了纤维与砂浆之间的界面，改性后的纤维表面更加粗糙增大了纤维与砂浆的锚固力；另一方面，改性后玄武岩短切纤维抗拉强度提高，进而提高了水泥基材料的力学性能[10]。