GF/PP纤维对磷石膏试件力学性能的影响研究*

2022-08-22高育欣麻鹏飞康升荣程宝军

化工矿物与加工 2022年8期

高育欣,麻鹏飞,2,康升荣,程宝军

(1.中建西部建设建材科学研究院有限公司，四川成都 610064；2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044)

0 引言

磷石膏是湿法磷酸生产的主要副产物，主要成分是二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，还有未完全分解的磷矿、残余的磷酸、氟化物、酸不溶物、有机质等[1]。我国磷石膏的综合利用率很低，堆存量逐年增长。磷石膏作为一种排放量大、堆存量大、环境污染严重的固体废弃物不仅污染环境，还浪费土地资源[2-4]，因此提高磷石膏的综合利用率意义重大。目前我国磷石膏综合利用的主要领域是建材行业，主要用于生产水泥缓凝剂和建筑磷石膏[5]。

建筑材料用磷石膏属于脆性材料，抗裂性及抗变形能力较差，极易变形、开裂，从而严重影响材料的正常使用[6-7]。磷石膏中掺加聚丙烯纤维(PPF)或玻璃纤维(GF)后，纤维与磷石膏基体间可形成良好的黏结，从而降低磷石膏的脆性和提高其韧性与抗裂性，达到增强阻裂的目的[8]。因此，通过掺加纤维改善磷石膏的脆性是一种较为有效的方法。

本文系统研究了GF、PPF的长度(6～18 mm)及其掺量(GF掺量为0.10%～0.30%；PPF由于密度较小，掺量在0.2%以上时不易分散，故选择掺量为0.10%～0.20%)对磷石膏力学性能的影响，同时还研究了掺量为0.20% 的PPF和掺量为0.05%的GF组成的复配纤维对磷石膏力学性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

磷石膏来自四川省高宇集团有限公司，P·O 42.5水泥来自四川峨胜水泥集团股份有限公司，S95级矿粉来自河北石家庄州林矿产品有限公司，缓凝剂来自河北石家庄祥庆建筑装饰材料有限公司，减水剂来自中建西部建设新材料科技有限公司，水为普通自来水，GF和PPF均来自四川成都水蓝蓝科技有限公司。GF和PPF的各项性能指标见表1。

表1 GF和PPF的各项性能指标

1.2 配合比

试验所用纤维与磷石膏的配合比见表2，其中纤维掺量用质量分数表示，纤维掺量后括号中的数据为纤维的长度。

表2 试验材料配合比

1.3 强度测试

抗压强度及抗折强度参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(IOS法)》进行测试，测试龄期为7 d。

2 实验结果与分析

2.1 纤维长度对磷石膏试件力学性能的影响

纤维长度对磷石膏试件力学性能的影响如图1所示。

图1 纤维长度对磷石膏试件抗压强度和抗折强度的影响

由图1(a)可知：纤维长度对磷石膏试件的抗折强度有显著影响，试件抗折强度随着纤维长度的增加呈现先减小后增大的趋势，当PPF和GF的长度分别为15和18 mm时，其最大抗折强度分别为5.1 MPa和4.6 MPa；并且当纤维长度在6～18 mm时，PPF对试件抗折强度的提升远高于GF。由于PPF具有疏水性[9-10]，其与磷石膏基体界面处的水胶比偏小；而GF表面光滑且具有亲水性[11]，其与磷石膏基体界面处的水胶比偏大；通常在较小的水胶比下磷石膏可以获得更高的强度和黏结性，所以PPF与磷石膏基体的黏结更加紧密，试件的抗折强度也更高[10]。

由图1(b)可知：纤维长度对磷石膏试件的抗压强度也有一定影响，当纤维长度在12 mm以下时，PPF更有利于试件抗压强度的提高；当纤维长度在12 mm以上时，GF更有利于试件抗压强度的提高。当采用的PPF和GF的长度分别为6 mm和15 mm时，磷石膏试件的最大抗压强度分别为12.7 MPa和13.1 MPa。

2.2 纤维掺量对磷石膏试件力学性能的影响

纤维掺量对磷石膏试件力学性能的影响如图2所示。

图2 纤维掺量对磷石膏试件抗折强度和抗压强度的影响

由图2(a)可知：磷石膏试件的抗折强度随GF掺量的增加呈现先减小后增大的趋势，当GF掺量为0.10%和0.30%时，试件的抗折强度均高于未掺加纤维的试件的抗折强度和其他GF掺量下的试件的抗折强度；当GF掺量低于0.15%时，GF的掺入对磷石膏试件的抗压强度不利[12]，但当掺量提升至0.20%时，GF的掺入开始对磷石膏试件的抗压强度产生有利影响，且GF掺量越高，试件的抗压强度提升越明显。综合考虑试件的抗压强度和抗折强度，在试验GF掺量范围内，当GF掺量为0.30%时，试件的抗压强度和抗折强度均最高，分别为13.7 MPa和5.1 MPa。

由图2(b)可知，在试验PPF掺量范围内，当PPF掺量大于等于0.20%时，其会对试件的抗折强度产生有利影响；当PPF掺量大于等于0.15%时，其会对试件的抗压强度产生有利影响；且当PPF掺量为0.20%时，试件的抗压强度和抗折强度均最高，分别为12.8 MPa和5.1 MPa。

2.3 纤维复配对磷石膏试件力学性能的影响

分别采用掺量为0.20%及纤维长度为6 mm的 PPF+掺量为0.05%及纤维长度为6 mm的GF(组合Ⅰ)、掺量为0.25%及纤维长度为6 mm的PPF+掺量为0.05%及纤维长度为6 mm的GF(组合Ⅱ)、掺量为0.05%及纤维长度为18 mm的PPF+掺量为0.15%及纤维长度为18 mm的GF(组合Ⅲ)的复配纤维成型了磷石膏胶砂试件，测试并分析了不同复配纤维对试件抗压强度、抗折强度的影响，测试结果见图3。

图3 GF和PPF复配对磷石膏试件抗折强度和抗压强度的影响

由图3可知，复配纤维的掺加有利于磷石膏试件抗压强度的提升，但会对试件的抗折强度产生不利影响。其中掺加组合Ⅰ复配纤维的试件的抗压强度最高，达到了14.0 MPa。由2.2分析可知，PPF掺量为0.20%时试件抗压强度最高，而GF掺量小于0.15%时试件抗压强度随纤维掺量的增加而减小[12]。综合而言，掺加组合Ⅰ复配纤维的试件的力学性能最佳。

2.4 被破坏试件的纤维外观

使用DJCK-2型裂缝测宽仪拍摄了磷石膏试件被破坏时的截面，以观察试件被破坏后的纤维拔出或断裂情况(放大倍数为60倍)。

图4为掺入0.15%纤维长度为9 mm的PPF的磷石膏试件和掺入0.15%纤维长度为15 mm的PPF的磷石膏试件被破坏后的外露纤维外观。由图4可以明显看出：掺入纤维长度为15 mm的PPF的磷石膏试件被破坏后，大量纤维被拉断，只有少量纤维被拔出；而掺入纤维长度为9 mm的PPF的磷石膏试件被破坏后，几乎所有的纤维均被拔出。理论上当纤维掺量相同时，纤维越长，则掺加的纤维数量越少，试件破坏时阻止裂纹扩展的纤维就越少，同样其抗折强度也应该越小。但根据图1结论可知，纤维越长，试件的抗折强度越大，这是因为试件被破坏时，纤维被拔出所消耗的能量远小于纤维被拉断所消耗的能量，所以相对数量较少的长纤维对磷石膏抗折强度提升贡献更大[13-14]。