微硅粉，聚丙烯纤维，聚酯纤维，胶粉

微硅粉对纤维增强水泥物理性能影响的试验研究

摘要：利用微硅粉作为矿物掺合料，研究了微硅粉对纤维增强水泥物理性能(抗折强度、抗冲击强度、吸水率、容重和干缩率)的影响。研究结果表明，微硅粉的掺入，明显提高了纤维增强水泥的抗折强度、抗冲击强度，降低了吸水率，体积质量、干缩率略有增大。在此基础上，着重分析了微硅粉对纤维增强水泥物理性能影响的作用机理。同时，探讨了微硅粉在生产应用中的最佳掺量及常见的几个应用问题。    关键词：微硅粉；纤维增强水泥；物理性能     中图分类号：TU528．572    文献标识码：A    文章编号：1001-702X(2007)11-0049-05   0  前  言     微硅粉系冶炼硅、硅铁合金过程中的一种副产品，而作为—种活性矿物掺合料被广泛应用到水泥基复合材料中，常见主要应用于混凝土中，以此来提高混凝土的物理性能与耐久性[1]。纤维增强水泥作为水泥基复合材料的一大类别，目前并未见到微硅粉在此方面的研究与应用，本文将着重此方面进行试验研究，研究微硅粉对纤维增强水泥物理性能的影响，并探讨其作用机理及其在生产应用中的最佳掺量。同时，对微硅粉在生产应用中常见的几个问题也作了进一步的研究。     微硅粉产品常用的主要有3种类型：原状微硅粉，增密微硅粉和微硅粉料浆，每一种类型均影响着其技术性能、使用效率等。为保证微硅粉在纤维增强水泥中更好地发挥效用，本文试验均采用试验室自制微硅粉料浆。     由于试验时气候条件的影响，试验结果数据中存在某种程度的差异。不同类别纤维增强水泥的试体因不是同一天成型，养护制度可能有较大波动，其物理性能的试验数据无可比性；同时，为尽量减小误差，同类别纤维增强水泥试体均采用同一天成型，养护制度必然也相同，它们的物理性能之间可以进行比较。 1  试验原材料及试件成型 1．1  原材料     微硅粉：挪威埃肯集团材料公司提供，化学成分见表1。 表1  微硅粉的化学成分                          ％ 项  日      SiO2     Al2O3     Fe2O3      CaO     MgO     SO2     烧失量 微硅粉    95．00    0．28    1．36     0．79    0．23 水泥     23．44    7．19    2．96    55．01    2．24    2．87    2．86 水泥：采用冀东水泥厂生产的P·042．5水泥，化学成分见表1；3d抗压、抗折强度分别为38．4MPa和6．6MPa；28d抗压、抗折强度分别为67．5MPa和10．0MPa 纤维主要选用3种纤维：(1)维纶纤维：采用福建化纤集团生产的高模高强维纶纤维，纤维直径12．5µm，线密度2．03dtex，断裂强度2428MPa，断裂伸长率7．19％，弹性模量65．3GPa；(2)木质素纤维(漂白纸浆)：江苏爱富希新型建材有限公司提供，主要性能见表2。(3)石棉：俄罗斯石棉4～65级，主体纤维含量65％，纤维长度2～8mm，莫氏硬度2．0～2．5N／µm2。水：一般自来水。 1．2  试件成型 试体规格：210mm(长)×76mm(宽)×6mm(厚)，试件成型采用浇注真空过滤成型方法，成型工艺流程如图1所示。     主要工艺参数：微硅粉加水经乳化机高速(10 000r／min)研磨搅拌5min，使浆液无颗粒感；加入纸浆，经搅拌机1000r／min搅拌5min至完全分散为单丝；加入合成纤维、水泥，以1000r／min搅拌5min，即成料浆；料浆浓度约14％；真空度为0．1MPa；成型压力为24kN；试件脱模后，静停24h，然后在70℃蒸汽环境中养护1d，再用塑料袋封好自然养护3d，随后在空气中风干3d。     2   试验结果及分析 2．1  微硅粉对纤维增强水泥抗折强度的影响 考查微硅粉不同掺量对3种纤维增强水泥抗折强度的影响，试验结果见图2。抗折强度试验按照GB 8040规定方法进行测试。     由图2可知，微硅粉的掺入明显提高了纤维增强水泥的抗折强度，并且随着微硅粉掺量增加，纤维增强水泥的抗折强度不断提高，呈较好的线性上升趋势。以维纶纤维增强水泥为例，微硅粉掺量每增加1％，其试体抗折强度可提高0．36MPa。同时，在试验过程中还可观察到，纤维增强水泥中掺入微硅粉，在一定程度上增加了纤维水泥料浆的黏聚性及其纤维在水泥基体中的分散，降低了料浆的滤水速率。当微硅粉掺量达8％时，滤水耗时显著增加，抽滤显得较为困难。 2．2  微硅粉对纤维增强水泥抗冲击强度的影响 图3显示了微硅粉不同掺量与3种纤维增强水泥抗冲击强度的关系。抗冲击强度试验按照GB 9773规定方法进行测试。     从图3可以看出，在纤维增强水泥中添加微硅粉，可提高其抗冲击强度，并且随着微硅粉掺量的增加抗冲击强度不断提高，二者之间呈近似正斜率的线性关系。以维纶纤维增强水泥为例，微硅粉掺量每增加1％，其试体抗冲击强度可提高0．16kJ／m2。 2．3  微硅粉对纤维增强水泥吸水率的影响 图4给出了微硅粉不同掺量与3种纤维增强水泥吸水率的关系。吸水率试验按照GB 7019进行测试。     由图4可知，微硅粉能够有效降低纤维增强水泥的吸水率。随着微硅粉掺量的增加，纤维增强水泥的吸水率不断下降，二者之间表现出一种负斜率的线性关系。以维纶纤维增强水泥为例，微硅粉掺量每增加1％，其试体吸水率降低达0．25％。   2．4  微硅粉对纤维增强水泥体积质量的影响 图5显示了微硅粉不同掺量与3种纤维增强水泥体积顾量的关系。体积质量试验按照GB 7019进行测试。     由图5可知，微硅粉的掺入提高了纤维增强水泥的体积质量，随着微硅粉掺量的增加，纤维增强水泥的体积质量呈近似线性关系递增。以维纶纤维增强水泥为例，微硅粉掺量每增加1％，其试体体积质量增长0．007g／cm3。   2．5  微硅粉对纤维增强水泥干缩率的影响 纤维增强水泥主要选用维纶纤维增强水泥和丙纶纤维增强水泥。干缩率测试按以下步骤进行：把养护至规定龄期的试件浸入不低于5℃的水中保持24h以上，然后从水中取出试件，用湿毛巾擦拭干净，将试件宽度3等份，沿长度方向刻上标线，用外径千分尺测量其3线长度，取其之和，然后将试件放进干燥箱内，在80℃温度下烘干至恒重，取出放在干燥器中冷却至室温，再测量1次3线长度，试验结果如图6所示。     由图6可以看出，微硅粉对纤维增强水泥的干缩率有一定影响，掺有微硅粉试体的干缩率明显大于空白试体的干缩率。随着微硅粉掺量增加，纤维增强水泥的干缩率相应递增。 2．6  微硅粉对纤维增强水泥物理，性能影响的试验结果分析     纤维增强水泥的物理性能随微硅粉掺入而发生不同趋势的变化，这主要与微硅粉的独特性能有关。细度大、高度的无定形性质和高SiO2含量，使其在纤维增强水泥中产生了以下几种作用[2-5]。 2．6．1  微粒填充作用     微硅粉为平均粒径约0．1Dm左右的致密圆球，比水泥颗粒小100倍，其颗粒可以填充到水泥颗粒或纤维—水泥石之间的空隙，增加纤维增强水泥的密实度。 2．6．2  火山灰效应     微硅粉具有高度的无定形性质，其主要成分Si02能与水泥水化产生的CH晶体发生火山灰反应，生成高钙硅比的C—S—H(І)凝胶，继续与之反应生成对强度更为有利的低钙硅比的C—S—H(Ⅱ)凝胶：同时，由于微硅粉中SiO2与CH之间发生的二次反应，使水泥颗粒表面的CH不断被消耗，其新鲜表面暴露出来继续水化，使水泥颗粒的水化较为充分，加快了水泥的水化速率。最后，形成了非常致密、含有大量C—S—H凝胶而CH晶体含量很少的水泥石结构，增强了水泥石自身的强度。     纤维增强水泥中，纤维与水泥石之间的界面处是一个薄弱区域。当微硅粉掺入纤维水泥中时，火山灰效应生成的低钙硅比C—S—H凝胶较为无定形和密实，它使未水化的水泥颗粒和C—S—H之间的界面变得更为致密和均匀，毛细孔和大孔之间变得不如水泥浆体中那样连贯相通，从而使水泥石—纤维的过渡区宽度减小，成为“微过渡带”，改善了纤维—水泥石界面的结构。 2．6．3  滞水作用     微硅粉比表面积巨大，掺入微硅粉后的纤维增强水泥，可防止水分在纤维下表面聚集，降低界面的水灰比，提高纤维增强水泥的密实度。     在纤维增强水泥中，CH晶体生长较大并具有平行于纤维表面的较强取向性，这些CH晶体较易开裂。微硅粉可使CH晶体取向减弱，尺寸减小，提高纤维与水泥石之间的密实度及其粘结强度。 由于微硅粉上述的综合效应，使纤维增强水泥中的水化产物C—S—H凝胶增多，CH晶体减少，晶粒细化，密实度得到进一步增强，最终表现在试件抗折、抗冲击强度提高，体积质量增加，吸水率降低。 纤维增强水泥的干缩主要是由于水泥水化产物硅酸钙胶体具有大量微细孔隙，在干燥环境下，随水分的蒸发产生毛细管张力，使胶体孔隙受到压缩，胶体体积减少；从而造成水泥石收缩。将微硅粉掺加到纤维增强水泥中，其干缩率有所增大，工要原因在于微硅粉的填充效应、火山灰效应等作用，使试体内大孔少，相对毛细管小，水分蒸发时毛细管张力增加，从而引起掺有微硅粉试体的干缩率比空白试体的干缩率大。 2．7  微硅粉最佳掺量的确定     微硅粉作为一种优质的矿物细掺料，在纤维增强水泥中进行应用，其添加量是—个非常重要的参数。添加量越大则成本必定越高，而价格过高又势必限制其使用范围，影响其应用前景。而添加量过少，又无法充分发挥其独特的优异性能。所以有必要寻找一个经济有效的最佳添加量。     由上述试验结果可知，随着微硅粉掺量增加，微硅粉对纤维增强水泥的物理性能呈现出不同的变化趋势：(1)纤维增强水泥的抗折强度、抗冲击强度随微硅粉掺量的递增而递增；(2)纤维增强水泥的体积质量、干缩率也呈上升趋势；(3)纤维增强水泥的吸水率呈近似负斜率的线性下降趋势；(4)微硅粉掺量达8％时，料浆的过滤速率显著降低，且真空抽滤显得有些困难。综合考虑这些因素，既要保证纤维水泥制品强度有较好的增长，又要保证制品的体积质量、干缩率不致过高，且能保证生产制品的小时产量。微硅粉的掺量控制在4％。6％为宜。     以本试验条件下的维纶纤维增强水泥为例，掺加4％～6％的微硅粉，可使其抗折强度提高约1．5～2．2MPa，抗冲击强度捉高约0．64～0．96kJ／m2，吸水率降低达1％～1．5％，而体积质量仅增加0．028～0．042g／cm3，干缩率稍有增大。     经仔细核算，纤维增强水泥中掺入4％～6％微硅粉，会使原材料的成本提高约0．71～1．07元／m2。由于微硅粉的掺入有助于提高纤维水泥料浆的黏聚性及其纤维在水泥基体中的分散，进而提高实际生产过程中的工艺制造水平，并能明显改善纤维增强水泥的物理性能；因此具有较好的应用价值。   3  微硅粉在纤维增强水泥应用中几个常见问题的试验研究 3．1  不同种类微硅粉对纤维增强水泥物理性能的影响   在配比相同的条件下，考查不同种类微硅粉(以SiO2含量不同来划分)对纤维增强水泥物理性能的影响。微硅粉来自挪威，埃肯材料集团研发部所提供的1#、2#品种，1#微硅粉：SiO2含量96．16％；2#微硅粉：SiO2含量86．09％。试验结果见图7～图10。 由图7～图10可以看出，(1)在相同配比条件下，不同种类微硅粉对纤维增强水泥的抗折强度、抗冲击强度有一定影响，其强度的变化随微硅粉中SiO2含量的高低而发生相同趋势的改变。(2)在配比相同条件下，不同种类微硅粉对纤维增强水泥的吸水率及体积质量也产生了影响，其体积质量的变化随SiO2含量增加而略有增加，吸水率随SiO2含量增加而有所减小。 上述结果表明，微硅粉掺入，纤维增强水泥物理性能的变化与微硅粉的火山灰活性即SiO2含量有关，SiO2含量高者其活性较大，当不同种类的微硅粉分布于纤维水泥中时，其所发生的火山灰效应随SiO2含量的不同而存在—定的差异，进一步影响到内部孔结构及其细化，使纤维增强水泥的强度、体积质量、吸水率发生不同趋势的变化。 3．2          不同分散程度微硅粉对纤维增强水泥物理性能的影响 针对相同配比的纤维增强水泥，考查微硅粉分散程度对纤维增强水泥物理性能的影响，微硅粉选取原状微硅粉颗粒，(试样SFl)，10 000r／min乳化机分别搅拌2min、5min制取的微硅粉浆液(分别以试样SF2、SF3表示)，试验取3种分散程度的微硅粉，试验结果见图11～图14。     从图11-图14可以看出：(1)纤维水泥中掺入原状微硅粉，在抽滤后的湿料坯表面明显存在着颗粒状微硅粉，这表明原状微硅粉在纤维水泥中分散较差，会影响到微硅粉效应的发挥，其强度最低。(2)随着微硅粉被强制搅拌、分散程度的提高，抗折强度、抗冲击强度依次增大，这说明微硅粉分散程度对纤维增强水泥的抗折强度、抗冲击强度有一定的影响。(3) 随着微硅粉分散程度的提高，纤维增强水泥的体积质量略有增加，吸水率稍有减少。     由上述结果可知，由于微硅粉分散程度的加强，使微硅粉的填充效应、火山灰效应等得到最大程度发挥，形成自身致密体系，使纤维增强水泥强度提高，吸水率降低，体积质量增加。 4  结  语     (1)纤维增强水泥中掺入微硅粉，可明显提高其抗折强度、抗冲击强度，降低吸水率，体积质量、干缩率略有增加。     (2)综合分析微硅粉掺入纤维增强水泥中其物理性能的变化，微硅粉应用于生产的最佳掺量应控制在4％-6％。     (3)不同种类的微硅粉掺入纤维增强水泥中，其物理性能的变化与微硅粉中Si02含量有关，Si02含量高的抗折强度、抗冲击强度较大，吸水率相应偏低，体积质量较大。     (4)微硅粉的分散程度对纤维增强水泥的物理性能有至关重要的影响，分散程度的高低直接影响着微硅粉效应的发挥，所以，应用于纤维水泥生产应确保其良好的分散性。