纤维和树脂对地聚物力学及抗干缩性能的影响

2022-04-01中电建冀交高速公路发展有限公司河北石家庄050051

安徽建筑 2022年3期

滑彬（中电建冀交高速公路发展有限公司，河北石家庄 050051）

0 前言

混凝土腐蚀和钢筋锈蚀已成为影响海洋混凝土结构物耐久性、稳定性和经济性的重要因素，表面涂层是目前近海和海洋工程中广泛应用的防护手段。目前普遍采用的有机涂层存在易老化、黏结性差的问题。地质聚合物（简称“地聚物”）是一种新型的无机胶凝材料，是一种工业废料为主要原料，在碱激发条件下发生聚合反应形成的一种绿色无机胶凝材料[1,2]。地聚物与混凝土良好的黏结性及其优异的防海水腐蚀性能，为其成为海洋结构防护涂层提供了必要条件[3]。然而，地聚物存在脆性大，易干缩开裂等问题，阻碍了其在海洋结构防腐涂层中的广泛应用。

掺入短切纤维是水泥基材料中常用的韧性提高方法[4,5]。唐明等[6]采用玄武岩纤维作为水泥基复合材料的增强组分，试验结果表明，玄武岩纤维具有良好的抗折强度增强效应，7天抗折强度最大可提高2.91倍。吴志涛等[7]研究表明，适当掺量的玻璃纤维可一定程度上降低水泥基材料的干燥收缩。添加树脂等聚合物是提高水泥基材料韧性的另一有效方法[8-10]，聚合物粒子填充水泥基材料中的孔洞，聚合物膜封闭孔洞，因此聚合物能够显著提高水泥基材料的力学强度和延伸性能及抗化学腐蚀性[11]。赵志国等[12]研究表明，水性环氧树脂乳液可有效降低水泥砂浆的干缩率。综上所述，掺入短切纤维和树脂聚合物均可有效提高水泥基材料的韧性，降低材料的干缩量。

虽然研究者采用纤维和树脂聚合物对水泥基材料进行了改性，提高了材料的韧性及抗干缩能力，但是关于采用纤维和聚合物改善地聚物材料的韧性及抗干缩能力的研究较少。本文采用玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维和环氧树脂对地聚物进行增韧，研究了纤维及树脂对地聚物材料力学性能及干湿循环下收缩特性的影响规律，为拓展地聚物材料在海洋结构防腐涂层中应用提供试验参考。

1 试验方法

采用偏高岭土作为前驱体原材料，其化学成分组成如表1所示，采用氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液作为激发剂。将氢氧化钠颗粒溶于去离子水中制备浓度为50%的氢氧化钠溶液，并与模数为2的硅酸钠溶液（SiO2=26.6%,Na2O=13.5%）混合后静置24 h，作为碱激发剂。按Si/Al=1.7，Na/Al=1.1计算碱激发剂与偏高岭土配比。将激发剂和偏高岭土混合并采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机拌合30min，得到具有一定黏度和流动性的地聚物浆体。

偏高岭土的化学成分表1

采用3～6mm的玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和聚丙烯（PP）纤维对地聚物进行改性，纤维的体积掺量分别为0.1%、0.2%和0.3%。将纤维、偏高岭土和碱激发剂混合搅拌30min，以制备纤维地聚物材料。将双酚A型环氧树脂与硬化剂按照3:1的体积比混合均匀，按照0、10%、20%、30%的体积比加入刚搅拌好的地聚物浆体中继续搅拌10min，以制备树脂地聚物材料。

抗压强度试验的试件尺寸为φ35mm×70mm，抗折强度试验的试件尺寸为 40mm×40mm×160mm，养护龄期为28天，每种配比制备三个平行试件。干湿循环收缩试验的试件尺寸为40mm×40mm×160mm。

利用万能试验机对试件进行力学性能测试，抗压强度和抗折试验的加载速率均为2mm/min。将达到养护龄期的试件浸泡在海水中7天，并保证海水与试件的体积比为4:1，然后将试件暴露在空气中7天，采用比长仪测量试件在7天内的长度变化，测量时间间隔为24h。完成一轮干湿循环后，更换海水并进行下一轮干湿循环试验。

2 结果与分析

2.1 纤维对地聚物力学性能的影响

掺加不同种类纤维的地聚物的抗压强度如图1(a)所示，由图可知，除PP纤维外，地聚物的抗压强度随纤维掺量的增加而增加。PP纤维的掺入降低了地聚物的抗压强度，当掺量为0.3%时，地聚物的抗压强度降低22%。当掺量为0.3%时，玻璃纤维、碳纤维和玄武岩纤维均可提高地聚物的抗压强度，其中，玄武岩纤维对抗压强度的提高幅度最大，最大可提高34%。

图1 力学强度：（a）抗压强度，（b）抗折强度

掺加不同种类纤维的地聚物的抗折强度如图1(b)所示，由图可知，所采用的4种纤维均可明显提高地聚物的抗折强度，其中，玻璃纤维和玄武岩纤维对地聚物抗折强度提高最为显著，当纤维掺量为0.2%时，玻璃纤维将地聚物的抗折强度提高2倍。而且玻璃纤维和玄武岩纤维对地聚物抗压强度的降低较小，故在下文中研究此两种纤维对地聚物干湿循环下收缩特性的影响。

2.2 纤维掺量对地聚物收缩特性的影响

养护完成后，将纤维地聚物试件放入海水中进行干湿循环试验，并测量试件7天内的收缩量。图2(a)和(b)分别为纤维地聚物经历3次和5次循环时的收缩量。图中以“纤维种类-纤维体积掺量-干湿循环次数”规则编号，比如，编号“Glass-0.1%-3”表示掺入0.1%玻璃纤维的地聚物试件经历3次干湿循环。由图2(a)可知，纤维地聚物在经历第3次干湿循环时，收缩量均随时间的增长而增加。纤维地聚物在经历第5次干湿循环时，收缩量存在随时间的增长而降低的现象。图2试验结果表明，玻璃纤维掺量对地聚物的收缩量影响较小，而玄武岩纤维掺量对收缩量的影响较大，纤维掺量越大，收缩量越小，当玄武岩纤维掺量为0.3%时，试件的7天收缩量为0.7 mm，比纤维掺量为0.1%的试件降低了26%。这说明增加玄武岩纤维的掺量对于降低地聚物在海水干湿循环中的干缩量有显著作用。

图2 纤维地聚物经历干湿循环后的收缩量：（a）3次循环，（b）5次循环

掺量为0.1%的玄武岩纤维地聚物试件在经历4次干湿循环后，暴露于空气中2天后发生断裂；掺量为0.2%的玻璃纤维地聚物试件经历5次干湿循环后发生断裂。因此图2(b)中只给出了掺量为0.2%、0.3%的玄武岩纤维地聚物和掺量为0.1%、0.3%的玻璃纤维地聚物的收缩量。对比图2(a)和2(b)可知，经历5次干湿循环后，纤维地聚物的7天总收缩量比经历3次干湿循环的收缩量有所降低，掺入0.2%玄武岩纤维的试件的7天收缩量为0.15 mm，比经历3次干湿循环的试件降低了83%。

2.3 环氧树脂对地聚物力学性能的影响

通过对掺量为10%、20%、30%的树脂地聚物进行抗折试验，并与未掺入树脂的地聚物进行对比，研究了树脂掺量对地聚物力学性能的影响。由图3可知，当养护3天时，掺入的树脂与地聚物未完全反应硬化，试件内部微观结构仍不稳定，树脂的添加对试件的抗折强度影响较小。养护28天后，试件内部地聚物及树脂充分硬化，树脂可有效提高地聚物的抗折强度，添加30%树脂可将试件的抗折强度提高50%。此外，树脂对地聚物抗折强度的影响受养护时间的影响较大，对于未添加树脂的试件，28天抗折强度比3天的提高了39%；对于添加30%树脂的试件，28天抗折强度比3天的提高了2倍。随着养护时间的延长，试件中的地聚物凝胶体与树脂材料的结合更紧密，树脂对地聚物复合材料抗折强度的提高作用变大，且树脂含量越高，提高幅度越大。

图3 不同树脂掺量下地聚物的抗折强度

2.4 环氧树脂对地聚物收缩特性的影响

对不同树脂掺量的地聚物试件进行海水干湿循环试验，研究了树脂对地聚物试件收缩特性的影响。图4为树脂地聚物在第1次干湿循环时7天内的收缩量。图中以“EGP树脂体积掺量-养护龄期-干湿循环次数”规则编号，比如，编号“EGP20-7d-1”表示掺入20%树脂的地聚物试件养护7天后经历1次干湿循环。由图可知，养护3天的树脂地聚物的收缩速率随着树脂掺量的增加而降低，掺入30%树脂可将试件的7天收缩值降低36%。养护7天后，当掺量为20%时，树脂的添加增大了试件的收缩值。养护28天时，树脂的添加降低了试件的收缩值，当树脂掺量为30%时，试件的7天收缩值从0.25 mm降至0.17 mm，降低了35%。上述结果说明养护时间对试件的收缩性能影响较大：在树脂地聚物硬化初期，树脂与地聚物未充分固化，复合材料中有机材料和无机材料的变形不协调现象不明显，由此产生的微裂纹较少；养护7天后，试件中的地聚物和树脂进一步硬化，有机和无机材料的收缩变形不协调，产生了较多的微裂缝，这些裂纹使试件在海水浸泡过程中吸收大量的水分，试件暴露在空气中后，水分蒸发，干缩较大，养护7天时，添加20%树脂反而会增大试件收缩值。对于养护28天的试件，树脂和地聚物充分固化，树脂掺量高的树脂地聚物微观结构更加密实，树脂抑制材料的收缩，材料的收缩值降低。

图4 树脂地聚物在第1次干湿循环中的收缩量，试件养护期为：(a)3d,(b)7d,(c)28d

图5为树脂地聚物在第2次干湿循环时7天内的收缩量。由于养护3天和7天的未添加树脂的试件在第1轮干湿循环中开裂，在第2轮浸泡过程中发生断裂破坏，这有力地说明了树脂对地聚物抗干缩开裂能力具有明显的提升作用。如图可知，在第2次干湿循环中，树脂对地聚物干缩同样具有明显的降低作用，试件的收缩量随树脂掺量的增加而减小。养护3天时，在第2次干湿循环时试件7天的收缩量为0.31 mm，比经历1次循环的试件的收缩值降低了33%。这是由于养护3天的试件在经历了第1轮的干湿循环后，地聚物材料和树脂材料已经发生了充分的硬化和收缩，内部微观结构较稳定，在第2轮干湿循环时干缩降低。