聚乙烯醇纖維對磷建筑石膏基復(fù)合材料性能的影響

黃榮貴,陶 忠,吳 磊,沈金金,徐偉杰

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,昆明 650500;2.云南省工程抗震技術(shù)研究中心,昆明 650500)

0 引 言

磷石膏為目前典型的大宗固廢之一,是濕法磷酸生產(chǎn)過程中排放出來的工業(yè)廢渣[1-2]。我國每年的磷石膏排放量巨大,且排放量和堆存量也在逐年增加,占用了大量的土地資源[3],而且磷石膏中含有的磷、氟等元素會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅[4-5]。目前,我國的磷石膏主要應(yīng)用于水泥、磷酸生產(chǎn)等方面。在建材領(lǐng)域,利用磷石膏生產(chǎn)磷建筑石膏是磷石膏資源化利用最重要的途徑之一[6],但磷建筑石膏屬于脆性材料,且存在強(qiáng)度低、韌性差等不良特性,限制了磷建筑石膏的有效發(fā)展[7]。

為了解決石膏強(qiáng)度低、韌性差等這一系列問題,國內(nèi)外不少學(xué)者開展了大量的研究,通過向石膏中加入不同種類的纖維,如玄武巖纖維[8-10]、聚丙烯纖維[11-12]、玻璃纖維[13-14]、植物纖維[15-16]等,發(fā)現(xiàn)纖維的加入可以有效提升復(fù)合材料的力學(xué)性能和物理性能。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維是一種合成有機(jī)纖維,具有強(qiáng)度高和韌性良好等優(yōu)異性能。目前,PVA纖維在高延性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite, ECC)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,而在磷建筑石膏中的研究相對較少。Zhu等[17]研究了PVA纖維和聚丙烯(polypropylene, PP)纖維對石膏基復(fù)合材料的和易性、水化動力學(xué)和彎曲強(qiáng)度等性能的影響。Li等[18]研究了玄武巖纖維、玻璃纖維和PVA纖維對石膏基復(fù)合材料的凝結(jié)時間、流動度、吸水率和抗彎強(qiáng)度等性能的影響。曹文湘等[19]研究了不同長度的PVA纖維對石膏的工作性能、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彎曲韌性的影響。但目前很多學(xué)者的研究重點集中于復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,并以此來評估其力學(xué)性能,而抗拉強(qiáng)度也是評估復(fù)合材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一,可以全面反映復(fù)合材料的塑性變形性能[20-21]。此外,目前的研究中大多考慮纖維長度和摻量對復(fù)合材料工作性能和力學(xué)性能的影響,而較少涉及纖維直徑的影響。

本文制備了纖維直徑分別為15、19和31 μm,體積摻量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的PVA纖維增強(qiáng)磷建筑石膏基復(fù)合材料(polyvinyl alcohol fiber reinforced phosphorus building gypsum matrix composites, PVARGC),對比了PVA纖維的直徑、摻量對磷建筑石膏基復(fù)合材料工作性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律,通過SEM對材料的微觀形貌進(jìn)行觀察,初步闡述了PVA纖維對磷建筑石膏基復(fù)合材料工作性能和力學(xué)性能的影響機(jī)理,本研究結(jié)果可以為纖維增強(qiáng)磷石膏基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用提供一定的參考。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 磷建筑石膏

磷建筑石膏由云南鏇淦環(huán)?？萍加邢薰咎峁?磷建筑石膏的外觀圖如圖1所示,磷建筑石膏的化學(xué)成分分析如表1所示,磷建筑石膏的XRD譜如圖2所示。

圖1 磷建筑石膏的外觀

圖2 磷建筑石膏的XRD譜

表1 磷建筑石膏的化學(xué)成分

1.1.2 PVA纖維

PVA纖維來自江蘇天怡工程纖維有限公司,其物理性能如表2所示。試驗所用的PVA纖維的長度為12 mm,直徑有15、19、31 μm三種規(guī)格。

表2 不同直徑PVA纖維的物理性能

1.2 配合比設(shè)計

空白組配合比:195 g純凈水和300 g磷建筑石膏。

PVARGC配合比:在空白組的基礎(chǔ)上分別加入直徑為15、19和31 μm的PVA纖維,每種直徑的纖維體積摻量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%。

1.3 試驗測定方法

PVARGC漿體流動度和凝結(jié)時間均按照《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》(GB/T 17669.4—1999)[22]規(guī)定的方法進(jìn)行測定。

PVARGC的抗壓、抗彎和抗折強(qiáng)度均按《建筑石膏 力學(xué)性能的測定》(GB/T 17669.3—1999)[23]進(jìn)行測定。

PVARGC的抗拉強(qiáng)度測定采用的試件形狀為“狗骨”形,試件詳細(xì)尺寸如圖3所示。采用萬能試驗機(jī)對試件進(jìn)行抗拉試驗,加載速率為0.15 mm/min,采樣頻率為10 Hz。

圖3 “狗骨”形試件

將空白組及體積摻量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的試件從斷裂面處切割出尺寸為1 cm×1 cm×1 cm的立方體試樣,采用TESCAN 公司生產(chǎn)的VEGA3掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣斷面的微觀形貌,考慮到試樣不具有導(dǎo)電性,故試驗前使用ISC-200型離子濺射儀進(jìn)行噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVA纖維對磷建筑石膏工作性能的影響

2.1.1 流動度

圖4為PVA纖維對磷建筑石膏流動度的影響,從圖4中可以看出:在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,漿體的流動度逐漸下降;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,漿體的流動度隨之下降。

圖4 PVA纖維對磷建筑石膏流動度的影響

在纖維直徑為15 μm的情況下,纖維體積摻量達(dá)到1.6%時漿體已經(jīng)失去流動度(流動度為60 mm,下同);在纖維直徑為19和31 μm的情況下,纖維體積摻量在達(dá)到2.0%時漿體均已經(jīng)失去流動度。

2.1.2 凝結(jié)時間

將不同直徑和摻量的PVA纖維加入磷建筑石膏基體中,測定漿體的初凝時間,結(jié)果如圖5所示,失去流動度的試驗組將不再進(jìn)行初凝時間的測定。從圖5中可以看出:在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,漿體的初凝時間逐漸縮短;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,漿體的初凝時間隨之縮短。

圖5 PVA纖維對磷建筑石膏初凝時間的影響

在纖維直徑為15 μm的情況下,纖維體積摻量達(dá)到1.2%時漿體的初凝時間從空白組的8.83 min縮短到3.50 min;在纖維直徑為19 μm的情況下,纖維體積摻量達(dá)到1.6%時,漿體的初凝時間從空白組的8.83 min縮短到4.17 min;在纖維直徑為31 μm的情況下,纖維體積摻量達(dá)到1.6%時,漿體的初凝時間從空白組的8.83 min縮短到4.67 min。

圖6為PVA纖維對磷建筑石膏終凝時間的影響,將不同直徑和摻量的PVA纖維加入磷建筑石膏基體中,測定漿體的終凝時間,失去流動度的試驗組將不再進(jìn)行終凝時間的測定。從圖6中可以看出:在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,漿體的終凝時間逐漸縮短;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,漿體的終凝時間隨之縮短。

圖6 PVA纖維對磷建筑石膏終凝時間的影響

在纖維直徑為15 μm的情況下,纖維體積摻量達(dá)到1.2%時漿體的終凝時間從空白組的12.67 min縮短到7.17 min;在纖維直徑為19 μm的情況下,纖維體積摻量達(dá)到1.6%時漿體的終凝時間從空白組的12.67 min縮短到7.42 min;在纖維直徑為31 μm的情況下,纖維體積摻量達(dá)到1.6%時漿體的終凝時間從空白組的12.67 min縮短到7.67 min。

2.2 PVA纖維對磷建筑石膏力學(xué)性能的影響

2.2.1 抗折強(qiáng)度

圖7為PVA纖維對磷建筑石膏抗折強(qiáng)度的影響,從圖7中可以看出:在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,試件的抗折強(qiáng)度隨之增加;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,試件的抗折強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢。

圖7 PVA纖維對磷建筑石膏抗折強(qiáng)度的影響

當(dāng)PVA纖維的體積摻量為1.6%時,纖維直徑為15、19和31 μm的試件抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大,分別為10.071、6.861和6.316 MPa,相對于空白組,強(qiáng)度增幅分別為273.00%、154.11%和133.93%。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

圖8為PVA纖維對磷建筑石膏抗壓強(qiáng)度的影響,從圖8中可以看出:在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,試件的抗壓強(qiáng)度隨之增大;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,試件的抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢。

圖8 PVA纖維對磷建筑石膏抗壓強(qiáng)度的影響

在纖維直徑為15 μm的情況下,當(dāng)PVA纖維的體積摻量為0.8%時,試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,為14.99 MPa,相對于空白組,強(qiáng)度增幅為30.46%,當(dāng)PVA纖維的體積摻量為1.6%時,試件的抗壓強(qiáng)度為13.25 MPa,相較于空白組,強(qiáng)度增幅為15.32%;在纖維直徑為19 μm的情況下,當(dāng)PVA纖維的體積摻量為1.2%時,試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,為14.61 MPa,相對于空白組,強(qiáng)度增幅為27.15%;在纖維直徑為31 μm的情況下,當(dāng)PVA纖維的體積摻量為1.6%時,試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,為12.52 MPa,相對于空白組,強(qiáng)度增幅為8.96%。

2.2.3 抗彎強(qiáng)度

圖9為PVA纖維對磷建筑石膏抗彎強(qiáng)度的影響,從圖9中可以看出:在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,試件的抗彎強(qiáng)度隨之增大;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,試件的抗彎強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢。

圖9 PVA纖維對磷建筑石膏抗彎強(qiáng)度的影響

當(dāng)PVA纖維的體積摻量為1.6%時,纖維直徑為15、19和31 μm的試件抗彎強(qiáng)度均達(dá)到最大,分別為10.73、7.38和6.83 MPa,相對于空白組,強(qiáng)度增幅分別為164.29%、81.77%和68.23%。

2.2.4 抗拉強(qiáng)度

圖10為PVA纖維對磷建筑石膏抗拉強(qiáng)度的影響,從圖10中可以看出:在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,試件的抗拉強(qiáng)度隨之增大;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,試件的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。

圖10 PVA纖維對磷建筑石膏抗拉強(qiáng)度的影響

當(dāng)PVA纖維的體積摻量為1.6%時,纖維直徑為15和31 μm的試件抗拉強(qiáng)度均達(dá)到了最大值,其強(qiáng)度值分別為2.89和2.19 MPa,相對于空白組,強(qiáng)度增幅分別為99.31%和51.03%;當(dāng)PVA纖維的體積摻量為1.2%時,纖維直徑為19 μm的試件抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最大值,為2.56 MPa,相對于空白組,強(qiáng)度增幅為76.55%。

綜合以上分析,當(dāng)PVA纖維的長度為12 mm、直徑為15 μm、體積摻量為1.6%時,PVARGC的性能最佳,此時試件的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為10.071、13.25、10.73和2.89 MPa,相對空白組增幅分別為273.00%、15.32%、164.29%和99.31%。

3 機(jī)理分析

3.1 PVA纖維對磷建筑石膏工作性能的影響機(jī)理

隨著纖維摻量的增加,PVA纖維在漿料中會形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)會增加漿體內(nèi)部的摩擦力,從而導(dǎo)致流動度降低。此外,圖11為PVA纖維對PVARGC漿料中自由水分布的影響,PVA纖維的分子結(jié)構(gòu)中含有羥基,然而這種基團(tuán)屬于親水性的基團(tuán),它能夠吸附一部分的自由水,導(dǎo)致漿體中的水分分布發(fā)生改變,從而使?jié){體失去塑性的時間提前。

在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的增加,纖維的根數(shù)隨之減少,纖維的比表面積減小,纖維在漿體中吸附的自由水也隨之減少,導(dǎo)致漿體流動度下降速度變慢,凝結(jié)時間增加。此外,相同摻量下,直徑越小的纖維根數(shù)越多,在漿體中越容易形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而使?jié){體的流動度下降得越快。

3.2 PVA纖維對磷建筑石膏力學(xué)性能的影響機(jī)理

圖12為不同PVA纖維摻量下PVARGC的微觀結(jié)構(gòu),從圖12(a)可以看出,磷建筑石膏硬化體是一種多孔材料,而PVA纖維具有良好的親水性,能夠較好地與磷建筑石膏基體結(jié)合,使PVARGC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實,從而提高PVARGC的強(qiáng)度。此外,加入PVA纖維能夠有效地轉(zhuǎn)移應(yīng)力并發(fā)揮良好的橋接作用,PVA纖維的橋接作用改變了PVARGC內(nèi)部的應(yīng)力分布,限制了應(yīng)力的擴(kuò)展,使試樣在受到外荷載時,荷載由PVA纖維和基體共同承擔(dān),起到了增韌的效果,提高了抗折強(qiáng)度[24]。

圖12 不同PVA纖維摻量下PVARGC的微觀結(jié)構(gòu)

圖13為不同PVA纖維摻量下的PVARGC模型,從圖12和圖13可知,當(dāng)PVA纖維摻量較小時,纖維不能完全均勻地分散到石膏基體中,纖維與纖維之間的距離較大,在外力作用下,雖然纖維在基體中發(fā)生了橋接作用,強(qiáng)度有所提高,但是裂縫限制不明顯,強(qiáng)度提高有限。當(dāng)PVA摻量適中時,PVA 纖維在基體內(nèi)部分布均勻,無纏繞、成團(tuán)現(xiàn)象,PVA 纖維含親水性的羥基,有利于二水硫酸鈣在其表面沉淀結(jié)晶,使纖維與磷建筑石膏基體黏結(jié)性較好,PVARGC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密,從而改善纖維的橋接作用效果[25]。當(dāng)PVA纖維摻量過大時,PVA纖維在漿體中的分散能力較差,容易出現(xiàn)交叉、纏繞和成團(tuán)等不均勻分布的現(xiàn)象(見圖12(f)和圖13(c)),會增加試件內(nèi)部的孔洞和缺陷,導(dǎo)致孔隙率增大,基體的密實度下降。在漿體硬化后,這些不均勻分布的部位磷建筑石膏的含量較少,成為應(yīng)力集中區(qū)域,從而導(dǎo)致PVARGC的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度下降[19]。

圖13 不同PVA纖維摻量下的PVARGC模型

纖維的橋接應(yīng)力函數(shù)[25]如式(1)所示。

(1)

式中:σf為纖維的橋接應(yīng)力,Pa;η0為纖維的方向系數(shù);ηl為纖維的長度系數(shù);τ為纖維與復(fù)合材料的平均黏結(jié)應(yīng)力,Pa;lf為纖維的長度,mm;df為纖維的直徑,mm。

PVARGC的力學(xué)強(qiáng)度的大小取決于纖維橋接應(yīng)力的強(qiáng)弱。從纖維的橋接應(yīng)力函數(shù)可知,纖維的橋接應(yīng)力與纖維的直徑成反比。且在纖維摻量一定的情況下,纖維的直徑越小,纖維的根數(shù)就越多(見圖14),對橋接應(yīng)力越有利,所以力學(xué)強(qiáng)度越高。此外,PVARGC的力學(xué)強(qiáng)度也跟纖維的握裹力有關(guān),同等摻量下,直徑越小的纖維根數(shù)越多,纖維的比表面積也隨之增大,使得纖維的握裹力增大,從而增大PVARGC的力學(xué)性能。

圖14 不同PVA纖維直徑下的PVARGC模型

4 結(jié) 論

1)在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,漿體的流動度逐漸下降,初凝時間和終凝時間也逐漸縮短;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,漿體的流動度隨之下降,初凝時間和終凝時間隨之縮短。

2)在纖維摻量一定的情況下,隨著PVA纖維直徑的減小,試件的抗折、抗壓、抗彎和抗拉強(qiáng)度逐漸增大;在纖維直徑一定的情況下,隨著PVA纖維摻量的增加,試件的抗折、抗壓、抗彎和抗拉強(qiáng)度均呈先上升后下降的趨勢。

3)在纖維長度為12 mm的情況下,當(dāng)PVA纖維的直徑為15 μm、體積摻量為1.6%時,PVARGC的性能最佳,此時試件的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對空白組增幅分別為273.00%、15.32%、164.29%和99.31%,強(qiáng)度值分別為10.071、13.25、10.73和2.89 MPa,符合《纖維增強(qiáng)石膏板》(JC/T 2702—2022)中的規(guī)定。