纖維和樹脂對地聚物力學及抗干縮性能的影響

滑 彬 （中電建冀交高速公路發展有限公司，河北 石家莊 050051）

0 前言

混凝土腐蝕和鋼筋銹蝕已成為影響海洋混凝土結構物耐久性、穩定性和經濟性的重要因素，表面涂層是目前近海和海洋工程中廣泛應用的防護手段。目前普遍采用的有機涂層存在易老化、黏結性差的問題。地質聚合物（簡稱“地聚物”）是一種新型的無機膠凝材料，是一種工業廢料為主要原料，在堿激發條件下發生聚合反應形成的一種綠色無機膠凝材料[1,2]。 地聚物與混凝土良好的黏結性及其優異的防海水腐蝕性能，為其成為海洋結構防護涂層提供了必要條件[3]。然而，地聚物存在脆性大，易干縮開裂等問題，阻礙了其在海洋結構防腐涂層中的廣泛應用。

摻入短切纖維是水泥基材料中常用的韌性提高方法[4,5]。唐明等[6]采用玄武巖纖維作為水泥基復合材料的增強組分，試驗結果表明，玄武巖纖維具有良好的抗折強度增強效應，7天抗折強度最大可提高2.91倍。吳志濤等[7]研究表明，適當摻量的玻璃纖維可一定程度上降低水泥基材料的干燥收縮。添加樹脂等聚合物是提高水泥基材料韌性的另一有效方法[8-10]，聚合物粒子填充水泥基材料中的孔洞，聚合物膜封閉孔洞，因此聚合物能夠顯著提高水泥基材料的力學強度和延伸性能及抗化學腐蝕性[11]。趙志國等[12]研究表明，水性環氧樹脂乳液可有效降低水泥砂漿的干縮率。綜上所述，摻入短切纖維和樹脂聚合物均可有效提高水泥基材料的韌性，降低材料的干縮量。

雖然研究者采用纖維和樹脂聚合物對水泥基材料進行了改性，提高了材料的韌性及抗干縮能力，但是關于采用纖維和聚合物改善地聚物材料的韌性及抗干縮能力的研究較少。本文采用玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維、聚丙烯纖維和環氧樹脂對地聚物進行增韌，研究了纖維及樹脂對地聚物材料力學性能及干濕循環下收縮特性的影響規律，為拓展地聚物材料在海洋結構防腐涂層中應用提供試驗參考。

1 試驗方法

采用偏高嶺土作為前驅體原材料，其化學成分組成如表1所示，采用氫氧化鈉和硅酸鈉的混合溶液作為激發劑。將氫氧化鈉顆粒溶于去離子水中制備濃度為50%的氫氧化鈉溶液，并與模數為2的硅酸鈉溶液（SiO2=26.6%,Na2O=13.5%）混合后靜置24 h，作為堿激發劑。按Si/Al=1.7，Na/Al=1.1計算堿激發劑與偏高嶺土配比。將激發劑和偏高嶺土混合并采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機拌合30min，得到具有一定黏度和流動性的地聚物漿體。

偏高嶺土的化學成分 表1

采用3～6mm的玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維和聚丙烯（PP）纖維對地聚物進行改性，纖維的體積摻量分別為0.1%、0.2%和0.3%。將纖維、偏高嶺土和堿激發劑混合攪拌30min，以制備纖維地聚物材料。將雙酚A型環氧樹脂與硬化劑按照3:1的體積比混合均勻，按照0、10%、20%、30%的體積比加入剛攪拌好的地聚物漿體中繼續攪拌10min，以制備樹脂地聚物材料。

抗壓強度試驗的試件尺寸為φ35mm×70mm，抗折強度試驗的試件尺寸為 40mm×40mm×160mm，養護齡期為28天，每種配比制備三個平行試件。干濕循環收縮試驗的試件尺寸為40mm×40mm×160mm。

利用萬能試驗機對試件進行力學性能測試，抗壓強度和抗折試驗的加載速率均為2mm/min。將達到養護齡期的試件浸泡在海水中7天，并保證海水與試件的體積比為4:1，然后將試件暴露在空氣中7天，采用比長儀測量試件在7天內的長度變化，測量時間間隔為24h。完成一輪干濕循環后，更換海水并進行下一輪干濕循環試驗。

2 結果與分析

2.1 纖維對地聚物力學性能的影響

摻加不同種類纖維的地聚物的抗壓強度如圖1(a)所示，由圖可知，除PP纖維外，地聚物的抗壓強度隨纖維摻量的增加而增加。PP纖維的摻入降低了地聚物的抗壓強度，當摻量為0.3%時，地聚物的抗壓強度降低22%。當摻量為0.3%時，玻璃纖維、碳纖維和玄武巖纖維均可提高地聚物的抗壓強度，其中，玄武巖纖維對抗壓強度的提高幅度最大，最大可提高34%。

圖1 力學強度：（a）抗壓強度，（b）抗折強度

摻加不同種類纖維的地聚物的抗折強度如圖1(b)所示，由圖可知，所采用的4種纖維均可明顯提高地聚物的抗折強度，其中，玻璃纖維和玄武巖纖維對地聚物抗折強度提高最為顯著，當纖維摻量為0.2%時，玻璃纖維將地聚物的抗折強度提高2倍。而且玻璃纖維和玄武巖纖維對地聚物抗壓強度的降低較小，故在下文中研究此兩種纖維對地聚物干濕循環下收縮特性的影響。

2.2 纖維摻量對地聚物收縮特性的影響

養護完成后，將纖維地聚物試件放入海水中進行干濕循環試驗，并測量試件7天內的收縮量。圖2(a)和(b)分別為纖維地聚物經歷3次和5次循環時的收縮量。圖中以“纖維種類-纖維體積摻量-干濕循環次數”規則編號，比如，編號“Glass-0.1%-3”表示摻入0.1%玻璃纖維的地聚物試件經歷3次干濕循環。由圖2(a)可知，纖維地聚物在經歷第3次干濕循環時，收縮量均隨時間的增長而增加。纖維地聚物在經歷第5次干濕循環時，收縮量存在隨時間的增長而降低的現象。圖2試驗結果表明，玻璃纖維摻量對地聚物的收縮量影響較小，而玄武巖纖維摻量對收縮量的影響較大，纖維摻量越大，收縮量越小，當玄武巖纖維摻量為0.3%時，試件的7天收縮量為0.7 mm，比纖維摻量為0.1%的試件降低了26%。這說明增加玄武巖纖維的摻量對于降低地聚物在海水干濕循環中的干縮量有顯著作用。

圖2 纖維地聚物經歷干濕循環后的收縮量：（a）3次循環，（b）5次循環

摻量為0.1%的玄武巖纖維地聚物試件在經歷4次干濕循環后，暴露于空氣中2天后發生斷裂；摻量為0.2%的玻璃纖維地聚物試件經歷5次干濕循環后發生斷裂。因此圖2(b)中只給出了摻量為0.2%、0.3%的玄武巖纖維地聚物和摻量為0.1%、0.3%的玻璃纖維地聚物的收縮量。對比圖2(a)和2(b)可知，經歷5次干濕循環后，纖維地聚物的7天總收縮量比經歷3次干濕循環的收縮量有所降低，摻入0.2%玄武巖纖維的試件的7天收縮量為0.15 mm，比經歷3次干濕循環的試件降低了83%。

2.3 環氧樹脂對地聚物力學性能的影響

通過對摻量為10%、20%、30%的樹脂地聚物進行抗折試驗，并與未摻入樹脂的地聚物進行對比，研究了樹脂摻量對地聚物力學性能的影響。由圖3可知，當養護3天時，摻入的樹脂與地聚物未完全反應硬化，試件內部微觀結構仍不穩定，樹脂的添加對試件的抗折強度影響較小。養護28天后，試件內部地聚物及樹脂充分硬化，樹脂可有效提高地聚物的抗折強度，添加30%樹脂可將試件的抗折強度提高50%。此外，樹脂對地聚物抗折強度的影響受養護時間的影響較大，對于未添加樹脂的試件，28天抗折強度比3天的提高了39%；對于添加30%樹脂的試件，28天抗折強度比3天的提高了2倍。隨著養護時間的延長，試件中的地聚物凝膠體與樹脂材料的結合更緊密，樹脂對地聚物復合材料抗折強度的提高作用變大，且樹脂含量越高，提高幅度越大。

圖3 不同樹脂摻量下地聚物的抗折強度

2.4 環氧樹脂對地聚物收縮特性的影響

對不同樹脂摻量的地聚物試件進行海水干濕循環試驗，研究了樹脂對地聚物試件收縮特性的影響。圖4為樹脂地聚物在第1次干濕循環時7天內的收縮量。圖中以“EGP樹脂體積摻量-養護齡期-干濕循環次數”規則編號，比如，編號“EGP20-7d-1”表示摻入20%樹脂的地聚物試件養護7天后經歷1次干濕循環。由圖可知，養護3天的樹脂地聚物的收縮速率隨著樹脂摻量的增加而降低，摻入30%樹脂可將試件的7天收縮值降低36%。養護7天后，當摻量為20%時，樹脂的添加增大了試件的收縮值。養護28天時，樹脂的添加降低了試件的收縮值，當樹脂摻量為30%時，試件的7天收縮值從0.25 mm降至0.17 mm，降低了35%。上述結果說明養護時間對試件的收縮性能影響較大：在樹脂地聚物硬化初期，樹脂與地聚物未充分固化，復合材料中有機材料和無機材料的變形不協調現象不明顯，由此產生的微裂紋較少；養護7天后，試件中的地聚物和樹脂進一步硬化，有機和無機材料的收縮變形不協調，產生了較多的微裂縫，這些裂紋使試件在海水浸泡過程中吸收大量的水分，試件暴露在空氣中后，水分蒸發，干縮較大，養護7天時，添加20%樹脂反而會增大試件收縮值。對于養護28天的試件，樹脂和地聚物充分固化，樹脂摻量高的樹脂地聚物微觀結構更加密實，樹脂抑制材料的收縮，材料的收縮值降低。

圖4 樹脂地聚物在第1次干濕循環中的收縮量，試件養護期為：(a)3d,(b)7d,(c)28d

圖5為樹脂地聚物在第2次干濕循環時7天內的收縮量。由于養護3天和7天的未添加樹脂的試件在第1輪干濕循環中開裂，在第2輪浸泡過程中發生斷裂破壞，這有力地說明了樹脂對地聚物抗干縮開裂能力具有明顯的提升作用。如圖可知，在第2次干濕循環中，樹脂對地聚物干縮同樣具有明顯的降低作用，試件的收縮量隨樹脂摻量的增加而減小。養護3天時，在第2次干濕循環時試件7天的收縮量為0.31 mm，比經歷1次循環的試件的收縮值降低了33%。這是由于養護3天的試件在經歷了第1輪的干濕循環后，地聚物材料和樹脂材料已經發生了充分的硬化和收縮，內部微觀結構較穩定，在第2輪干濕循環時干縮降低。

圖5 樹脂地聚物在第2次干濕循環中的收縮量，試件養護期為：(a)3d,(b)7d,(c)28d

3 結論

本研究采用纖維和環氧樹脂對地聚物進行力學增韌，并研究了纖維和樹脂對地聚物干濕循環下收縮性能的影響。得到以下結論：

①玻璃纖維和玄武巖纖維可明顯提高地聚物抗折強度，當纖維摻量為0.2%時，玻璃纖維將地聚物的抗折強度最大可提高2倍，玻璃纖維摻量對地聚物的收縮量影響較小，增加玄武巖纖維的摻量可顯著降低地聚物在海水干濕循環中的干縮量；

②樹脂可提高地聚物的抗折強度，但提高幅度比纖維小，添加30%樹脂可將試件的28天抗折強度提高50%。環氧樹脂可有效降低地聚物的干縮，養護28天時，添加30%的樹脂將試件的7天收縮值降低了35%。