玄武巖纖維增強地質聚合物性能的研究

孫 鵬， 吳 宇， 汪遠波

(安徽省公路工程檢測中心；橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051)

0 引 言

20世紀70年代，J. Davidovits教授首先提出地質聚合物(Geopolymer)概念，并創辦了相關的研究機構，對材料內部結構進行研究[1,2]。地質聚合物主要是由堿激發劑與粉煤灰、礦渣、偏高嶺土、硅灰等硅鋁質工業廢渣制備而成的一種具有三維網絡結構的環境友好新型凝膠凝材料[3-8]，具有早期強度高、粘結力強、結構致密性好、耐化學腐蝕、耐火耐高溫性能好等優越的性能，且制備過程能耗低、環境相容性好。它以其獨特優勢在修補加固材料、固核固廢材料、環境處置材料、耐火耐高溫材料等領域具有廣泛應用前景和開發潛力[9-14]，已成為世界范圍內的研究熱點之一。近年來，普遍認為地質聚合物尚存在著干縮大、泛堿、脆性大、碳化嚴重等問題[15-16]。針對上述問題國內外學者開展了一系列的試驗研究，并取得一些研究結果。楊永民等[17]在地質聚合物漿體中添加活性MgO，能夠有效補償地質聚合物的收縮，當活性MgO摻量為6%時，地質聚合物漿體的28d干燥收縮降低20.0%。Pacheco-Torgal F等[18]研究認為在地質聚合物中摻入硅灰、調節堿激發劑的摻量可以有效改善泛堿問題。柴倩等[19]以水鎂石纖維為增韌材料來提高地質聚合物韌性，水鎂石纖維摻量為0.8%時，抗折強度提高了26.6%，增韌效果顯著。

玄武巖纖維是一種具有抗拉強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐久性好等優異性能的新型無機綠色環保高性能纖維材料。目前在硅酸鹽水泥混凝土和瀝青混凝土中應用比較廣泛[20-21]。目前玄武巖纖維應用改善地質聚合性能相關研究報道較少。因此，開展玄武巖纖維增強地質聚合物性能的試驗研究是非常有必要的。本文以偏高嶺土和堿激發劑水玻璃玄主要原材料，摻入玄武巖纖維地質聚合物。研究了玄武巖纖維長度、表面形態、體積摻量對基地質聚合物性能的影響規律，并分析了玄武巖纖維增強地質聚合物作用機理。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗用偏高嶺土是由淮北金巖高嶺土開發有限責任公司提供的煤系高嶺土粉在高溫爐中經過850℃煅燒保溫2h取出冷卻至室溫得到的，化學成分見表1。玄武巖纖維，購自橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司，化學成分見表2，主要技術指標見表3。工業水玻璃，市購，其模數M=3.03。分析純NaOH，購自無錫市展望化工試劑有限公司。標準砂，購自廈門艾思歐標準砂有限公司。試驗采用低模數的水玻璃(M=1.2、1.4)是由市購的工業水玻璃在測出SiO2和Na2O基礎上通過加入分析純NaOH調節配制而成的。

表1 偏高嶺土的化學成分

表2 玄武巖纖維的化學成分

表3 玄武巖纖維的主要技術指標

1.2 試樣制備

按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)和《公路工程水泥與水泥凝土試驗規程》(JTG E30-2005)，將煅燒處理后的偏高嶺土、標準砂、水玻璃和玄武巖纖維按照表4和表5設計的配比制備地質聚合物膠砂強度和干縮試件。在試驗室(溫度20℃±2℃，相對濕度>50%)養護24h后脫模，然后標準養護(溫度20℃±1℃，相對濕度>90%)至規定齡期測試其性能。

表4 力學性能試驗配合比

表5 干縮性能試驗配合比

1.3 測試方法

依據國標《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)測試地質聚合物砂漿的抗壓強度Rc/MPa和抗折強度Rf/MPa，分別按公式(1)和(2)計算。

(1)

(2)

式中，Fc為破壞時的最大荷載,N；A為受壓部分的面積,mm2；Ff為折斷時施加于棱柱體中部的荷載,N；L為支撐圓柱之間的距離,mm；b為棱柱體正方形界面的邊長,mm。

依據《公路工程水泥與水泥凝土試驗規程》(JTG E30-2005)測試地質聚合物砂漿試件各齡期的干縮率St(%)，按公式(3)計算(精確至0.001%)。

(3)

式中:L0為初始測量讀數,mm；Lt為某一齡期的測量讀數,mm；250為試件有效長度,mm。

采用掃面電子顯微鏡(SEM)觀察玄武巖纖維在地質聚合物中的分布情況和試樣斷面特征。

2 結果與討論

2.1 力學性能

2.1.1 玄武巖纖維長度對地質聚合物抗壓強度和抗折強度的影響

圖1顯示了玄武巖纖維長度(8 mm、16 mm和24 mm)對地質聚合物28 d抗壓強度和抗折強度的影響。隨著玄武巖纖維長度由8 mm增加到24 mm，地質聚合物的28 d抗壓強度和抗折強度呈逐漸增加趨勢。玄武巖纖維地質聚合物28 d的抗壓強度和抗折強度分別由50.02 MPa和8.16 MPa增加到60.62 MPa和9.45 MPa。摻有8 mm、16 mm和24 mm的玄武巖纖維的地質聚合物28 d抗壓強度和抗折強度抗相對于空白未摻加玄武巖纖維的地質聚合物分別增加了3.5%、20.7%、25.4%和15.3%、25.3%、33.5%。由此可見，玄武巖纖維對地質聚合物抗折強度提高較為顯著。

圖1 玄武巖纖維長度對地質聚合物28 d抗壓和抗折強度的影響

2.1.2 玄武巖纖維表面形態對地質聚合物抗壓強度和抗折強度的影響

圖2顯示了玄武巖纖維表面形態(有捻、無捻)對地質聚合物14 d抗壓強度和抗折強度的影響。由圖2可知，與空白樣相比，摻入表面粗糙的玄武巖纖維(有捻)的地質聚合物抗壓強度和抗折強度分別提高了25.4%和9.4%，摻入表面光滑的玄武巖纖維(無捻)的地質聚合物抗壓強度和抗折強度分別提高了10.7%和7.5%。由此可見，有捻的玄武巖纖維比無捻的玄武巖纖維增強地質聚合物抗壓強度和抗折強度效果更為顯著。這主要是由于表面粗糙(有捻)的玄武巖纖維能夠增強與地質聚合物基體之間“咬合”作用，進而增強了纖維從基體中被拔出的能量，增強地質聚合物力學性能。

圖2 玄武巖纖維表面形態對地質聚合物14 d抗壓及抗折強度的影響

2.1.3 玄武巖纖維體積摻量對地質聚合物抗壓強度和抗折強度的影響

圖3顯示了玄武巖纖維體積摻量對地質聚合物14d抗壓強度和抗折強度的影響。隨著玄武巖纖維體積摻量(0、0.5%、1%)增加，地質聚合物抗壓強度呈先增加后降低趨勢，而抗折強度呈現逐漸增加趨勢。玄武巖纖維體積摻量為0.5%的地質聚合物抗壓強度和抗折強度與空白試樣相比分別增加了10.7%和7.5%；武巖纖維體積摻量為1%的地質聚合物抗壓強度和抗折強度與空白試樣相比分別增加了5.5%和12.9%；由此可見：玄武巖纖維體積摻量的增加能夠有效的改善地質聚合物的力學性能，對增強地質聚合物抗折強度的效果較為顯著。

圖3 玄武巖纖維體積摻量增強地質聚合物力學性能的影響

2.2 干燥收縮

2.2.1 玄武巖纖維長度對地質聚合物干燥收縮的影響

圖4顯示了玄武巖纖維長度(8 mm、16 mm和24 mm)對地質聚合物干燥收縮的影響。玄武巖纖維長度由8 mm增加至24 mm，地質聚合物的干燥收縮率呈逐漸降低趨勢。與空白樣相比，摻入玄武巖纖維長度為8 mm、16 mm和24 mm的地質聚合物3d齡期干燥收縮率分別減少了28.6%、33.1%和37.5 %；7 d齡期干燥收縮率分別減少了27.4%、32.9%和36.9%；28d幾乎趨于穩定。這主要是由于玄武巖纖維-地質聚合物基體結合緊密，纖維在基體中的空間亂向排列作用在一定程度上抵抗了地質聚合物基體的收縮應力，纖維長度的增加更進一步增大了纖維和基體之間的握裹面積，從而增大了握裹力。

圖4 玄武巖纖維長度對地質聚合物收干燥收縮的影響

2.2.2 玄武巖纖維表面形態對地質聚合物干燥收縮的影響

圖5顯示了玄武巖纖維表面形態對地質聚合物干燥收縮的影響。由圖5分析可知，與空白樣對比，加入無捻和有捻的玄武巖纖維3 d收縮率分別減少了33.6%和38.6%；7 d的收縮率分別減少了36.9%和42.1%；28 d幾乎趨于穩定，基本不發生顯著變化。有捻的玄武巖纖維比無捻的玄武巖纖維更能夠有效地降低地質聚合物干燥收縮率。主要由于有捻的玄武巖纖維表面比較粗糙，與基體之間“咬合”左右起到至關重要的作用，進一步降低基體干燥收縮，提高了地質聚合物抵抗干燥收縮應力的能力。

圖5 玄武巖纖維表面形態對地質聚合物干燥收縮的影響

2.2.3 玄武巖纖維體積摻量對地質聚合物干燥收縮的影響

圖6顯示了玄武巖纖維體積摻量對地質聚合物干燥收縮的影響。由圖6可見，隨著玄武巖纖維體積摻量(0.1%、0.3%和0.5%)增加，地質聚合物的干燥收縮率逐漸減小。與空白樣相比，摻量為0.1%、0.3%、0.5%的3d收縮率分別較少了33.1%、37.5%和75.7%；7 d收縮率分別為34.0%、36.9%和74.1%； 28 d后變化不顯著。由此可見，在一定范圍能增加玄武巖纖維體積摻量有助于抑制地質聚合物的干燥收縮。主要由于纖維體積摻量增加，纖維空間亂向分布與三維網絡結構的地質聚合物膠合作用，增強二者之間的咬合；同時在一定程度上降低了基體內部孔隙率，從而進一步有效的阻止地質聚合物干燥收縮和應力擴散。

圖6 玄武巖纖維體積摻量對地質聚合物干燥收縮的影響

3 玄武巖纖維增強地質聚合物性能的作用機制分析

3.1 玄武巖纖維增強地質聚合物力學性能的作用機制分析

由圖7地質聚合物砂漿纖維的SEM照片分析可知：玄武巖纖維與地質聚合物基體界面結合緊密，同時玄武巖纖維在地質聚合物中亂向分布作用阻礙了裂紋的產生和擴展，有效地吸收和消耗能量，從而提高地質聚合物得斷裂韌性；同時玄武巖纖維具有較高抗拉強度和較小的拉伸率可繼續承擔截面上的拉力，“鑲嵌”在地質聚合物基體中的纖維承擔著一定的拉應力，直到玄武巖纖維被拉斷或從基體中拔出，提高了其力學性能，特別是抗折強度。表面粗糙的玄武巖纖維這種增強效果更顯著。

圖7 地質聚合物砂漿中玄武巖纖維SEM照片

3.2 玄武巖纖維降低地質聚合物干燥收縮的作用機制分析

干燥收縮主要是地質聚合物毛細孔失水產生塑性收縮應力，塑性收縮應力大于地質聚合物基體抗拉強度而使基體產生干縮。地質聚合物基體中摻入玄武巖纖維后，玄武巖纖維在地質聚合物基體中呈三維亂向分布，玄武巖纖維起到傳遞應力從而降低收縮應力的作用。同時亂向分布的玄武巖纖維在地質聚合物中在一定程度上阻塞毛細孔，可使地質聚合物基體失水減少和增強了水分遷移的困難程度，從而降低了地質聚合物干燥收縮性能。

4 結 論

(1)玄武巖纖維能夠有效地提高地質聚合物的力學性能，抑制地質聚合物的干燥收縮。

(2)隨著玄武巖纖維長度和體積摻量的增加，地質聚合物的抗壓和抗折強度呈逐漸增加趨勢，相應的干燥收縮率逐漸降低。

(3)摻入有捻的玄武巖纖維比無捻的玄武巖纖維更能有效地提高地質聚合的力學性能，降低地質聚合物的干燥收縮率。