植物纖維復(fù)合硫氧鎂水泥基材料的制備及性能研究

廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007

0 前言

硫氧鎂基膠凝材料是將一定濃度的MgSO4溶液與輕燒活性MgO 粉混合攪拌后，凝結(jié)硬化而成的多組分氣硬性無(wú)機(jī)膠凝材料［1］。硫氧鎂基膠凝材料不僅生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能耗低、價(jià)格低廉，還具有良好的力學(xué)強(qiáng)度，可以同植物纖維、碳纖維、玻璃纖維等摻合使用等優(yōu)點(diǎn)［2］。MgO-MgSO4-H2O 三元體系構(gòu)成的硫氧鎂膠凝材料的主要水化產(chǎn)物是MgX（OH）Y·（SO4）Z·nH2O，相結(jié)構(gòu)形態(tài)一般為顆粒狀、長(zhǎng)針狀或纖維狀等，通過(guò)堿式硫氧鎂晶體搭聯(lián)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成力學(xué)鍵。植物纖維作為優(yōu)良的加筋材料，是一種可大量再生的農(nóng)業(yè)資源［3］。大部分植物纖維的主要組分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，植物纖維的結(jié)構(gòu)緊致，抗拉性能和韌性較強(qiáng)。將植物纖維與硫氧鎂材料混合后，纖維分布方向?yàn)槎嗑S亂向排列［4］，對(duì)于硫氧鎂基膠凝材料的微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善作用，通過(guò)纖維加筋減少材料中微裂紋的增長(zhǎng)發(fā)展，從而改善硫氧鎂材料的力學(xué)強(qiáng)度，賦予植物纖維復(fù)合硫氧鎂材料較好的延展性能。胡玉龍等采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法［5］，發(fā)現(xiàn)適量植物纖維的摻入可以有效提高混凝土的拉壓比；Soto 等研究了摻加植物纖維砌塊的開裂后性能［6］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于纖維的存在，纖維通過(guò)與水泥基體的粘附而附著在裂縫的表面，從而防止了材料的連續(xù)性喪失。

1 試驗(yàn)路線

針對(duì)硫氧鎂水泥基材料存在的強(qiáng)度偏低、耐水性差和收縮大等不足，本試驗(yàn)在植物纖維球磨機(jī)械活化前后，研究不同摻量球磨活化前后的植物纖維木粉取代活性氧化鎂，制備植物纖維復(fù)合硫氧鎂膠凝材料，并對(duì)改性硫氧鎂水泥材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，同時(shí)利用 SEM 觀測(cè)硫氧鎂水泥水化產(chǎn)物微觀形態(tài)以及纖維與水泥的粘結(jié)界面。主要試驗(yàn)技術(shù)路線如下圖所示：

圖1 采取的研究路線

2 試驗(yàn)原材料與方法

2.1 試驗(yàn)原材料

七水硫酸鎂：化學(xué)成分見(jiàn)表1。活性氧化鎂：經(jīng)水合法測(cè)試定其活性為66.72%。木粉：長(zhǎng)度0.15～0.30mm，取自廣西防城港。檸檬酸，化學(xué)純。成型膠砂采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂及飲用水。

表1 七水硫酸鎂化學(xué)成分 %

2.2 樣品制備

（1）植物纖維處理方法：試驗(yàn)采用機(jī)械活化方法對(duì)木粉進(jìn)行預(yù)處理，在外力作用下機(jī)械活化后的木粉纖維，顆粒較未處理木粉更加細(xì)化，比表面積明顯增大。

（2）硫氧鎂水泥制備方法：將硫氧鎂水泥基材料、植物纖維、ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂和拌和水按1：3：0.5 制成膠砂，成型脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間測(cè)試力學(xué)性能。

（3）本試驗(yàn)中內(nèi)摻植物纖維配合比按氧化鎂質(zhì)量百分比計(jì)算。分別成型植物纖維木粉不同摻加量為0%、1%、2%、3%、4%的改性硫氧鎂膠凝材料，添加氧化鎂質(zhì)量0.5%的檸檬酸改性劑制備硫氧鎂膠砂試件。試驗(yàn)選用硫氧鎂試樣基本配合比為MgO：MgSO4·7H2O：H2O=14：1：129（詳見(jiàn)表2）.

表2 單摻木粉的硫氧鎂砂漿膠砂配比 kg/m3

3 結(jié)果及分析

3.1 木粉對(duì)硫氧鎂膠凝材料力學(xué)性能的影響

表3 不同摻量木粉對(duì)硫氧鎂膠凝材料力學(xué)性能的影響

由表3 可看出，一定摻量范圍內(nèi)，摻入木粉可一定程度上改善提高硫氧鎂膠凝材料抗折強(qiáng)度。當(dāng)木粉摻量為1.0%時(shí)，植物纖維改性硫氧鎂膠凝材料的抗壓強(qiáng)度相對(duì)最優(yōu)，此時(shí)植物纖維改性硫氧鎂膠凝材料3d 和28 d 的抗壓強(qiáng)度均達(dá)最大值57.5MPa和58.7MPa，比未摻膠砂抗折強(qiáng)度提高了4.3%和2.1%。當(dāng)植物纖維木粉摻量超過(guò)3.0%時(shí)，試件3d 和28 d 的抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。同時(shí)可看出，摻入植物纖維木粉有利于檸檬酸改性硫氧鎂膠砂抗折強(qiáng)度的提高。28 d 齡期試件抗折強(qiáng)度，相對(duì)于空白試樣先增大后減小，抗壓強(qiáng)度最大值是當(dāng)摻入1.0%植物纖維木粉摻量時(shí)的11.9 MPa，比未摻的檸檬酸改性硫氧鎂膠砂抗折強(qiáng)度提高了6.3%。當(dāng)摻量為小于1%時(shí)，內(nèi)摻的植物纖維開始分散在硫氧鎂水化產(chǎn)物之間的微小空隙中，這在一定程度上降低了漿體的孔隙率改善了密實(shí)度，有利于強(qiáng)度的提高，因而強(qiáng)度有略微增長(zhǎng)。隨植物纖維木粉摻量提高，試件抗折強(qiáng)度則出現(xiàn)了下降。植物纖維木粉在硫氧鎂膠凝材料中并不參與相應(yīng)的水化反應(yīng)，也不能提供有效強(qiáng)度，因而導(dǎo)致抗折強(qiáng)度較低。表3 中可以看出，隨著檸檬酸摻量的增大，植物纖維改性硫氧鎂膠凝材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有所提高。另外，從由表3 可看出，摻入粉磨機(jī)械活化后的植物纖維木粉對(duì)提高硫氧鎂膠凝材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度無(wú)明顯改善作用，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較空白試樣均有下降。

3.2 硫氧鎂膠凝材料微觀形貌分析

掃描電鏡是對(duì)改性硫氧鎂水泥基材料水化產(chǎn)物進(jìn)行微觀研究的有效手段。圖2 為摻加4.0%木粉、機(jī)械活化木粉硫氧鎂水泥和空白對(duì)照組檸檬酸改性硫氧鎂水泥的SEM 圖。由圖2 可發(fā)現(xiàn)，對(duì)比空白試樣，摻加木粉及機(jī)械活化木粉4.0%的硫氧鎂水泥相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)不如空白試樣致密，在改性硫氧鎂膠凝材料表面有部分裸露出來(lái)的植物纖維存在，纖維表面與硫氧鎂膠凝材料水化產(chǎn)物進(jìn)行搭聯(lián)膠結(jié)和緊密包裹。當(dāng)植物纖維收到壓力作用或者拉力作用時(shí)，可與改性硫氧鎂膠凝材料基質(zhì)之間產(chǎn)生機(jī)械咬合作用，從而起到一定的材料內(nèi)加筋強(qiáng)化的作用。因?yàn)橹参锢w維是分散在改性硫氧鎂膠凝材料內(nèi)起作用，因此在1.0%的小摻量下，分散的均勻程度足夠以及分布的方向隨機(jī)才可以形成一定強(qiáng)度的多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以提高硫氧鎂膠凝材料的致密程度，從而提升改性硫氧鎂膠凝材料的力學(xué)性能。但當(dāng)植物纖維摻量超過(guò)1.0%時(shí)，過(guò)量的植物纖維導(dǎo)致出現(xiàn)了部分纖維結(jié)團(tuán)甚至外露的現(xiàn)象，從而影響到植物纖維與改性硫氧鎂膠凝材料水化產(chǎn)物的咬合作用，降低粘結(jié)作用，同時(shí)植物纖維大量結(jié)團(tuán)使硫氧鎂膠凝材料的內(nèi)部缺陷增多。

圖2 摻加木粉及機(jī)械活化木粉硫氧鎂水泥SEM 圖

4 結(jié)論

一定摻量范圍內(nèi)，摻入植物纖維有助于改性硫氧鎂膠凝材料的3d 和28d 抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)木粉摻量為1.0%時(shí)，檸檬酸改性硫氧鎂膠砂3d 和28d 抗壓強(qiáng)度最好，當(dāng)植物纖維木粉摻量超過(guò)3.0%時(shí)，試件28 d 的抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。同時(shí)可看出，摻入植物纖維木粉有利于檸檬酸改性硫氧鎂膠砂抗折強(qiáng)度的提高。當(dāng)木粉摻量為1.0%時(shí)，檸檬酸改性硫氧鎂膠砂3d 和28d 抗折強(qiáng)度最好，比未摻的檸檬酸改性硫氧鎂膠砂抗壓強(qiáng)度提高了6.3%。當(dāng)摻量為小于1.0%時(shí)，內(nèi)摻的植物纖維開始分散在硫氧鎂水化產(chǎn)物之間的微小空隙中，一定程度上減少了硫氧鎂水化產(chǎn)物的孔洞提高了致密性，因而強(qiáng)度有略微增長(zhǎng)。但植物纖維木粉在硫氧鎂膠凝材料中并不參與相應(yīng)的水化反應(yīng)，也不能提供有效強(qiáng)度，因而摻量增大會(huì)導(dǎo)致硫氧鎂膠凝材料抗壓強(qiáng)度較低。