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浅谈无机矿物纤维增强水泥砂浆的试验研究 【摘 要】本文首先阐述了碳酸钙晶须和玄武岩纤维的特性，主要通过对碳酸钙晶须进行试验，分析了碳酸钙晶须对水泥砂浆物理力学性能的改善。 【关键词】碳酸钙晶须；玄武岩纤维；水泥砂浆；试验；影响 1、引言 目前，纤维增强水泥基复合材料，是指在水泥基材料基体中均匀分散一定掺量和特定性能的纤维，从而使水泥基材料的力学和耐久性等综合性能得到有效改善。水泥基材料中掺入纤维是增强水泥基材料强度、韧性、耐久性以及向高性能化方向发展的有效途径，已在矿山、隧道、铁路、公路、工业与民用建筑、水利水电、防爆抗震和维修加固等工程中迅速发展并广泛应用。本文将碳酸钙晶须和玄武岩纤维引入水泥砂浆，通过试验研究，首先考察了碳酸钙晶须对水泥砂浆物理力学性能的改善，然后探讨了不同长度和掺量玄武岩纤维对砂浆的增强增韧效果，进而研究了不同长度纤维混杂对砂浆力学性能的影响。在此基础上，将晶须掺入玄武岩纤维水泥砂浆，考察晶须和纤维的复合增强效果。 2、碳酸钙晶须和玄武岩纤维的概述 碳酸钙晶须和玄武岩纤维作为新型无机矿物纤维增强材料，在成分上均与水泥基材料具有天然的相容性，凭借优异的物理力学性能和低廉的生产成本以及良好的环保性迅速成为材料研究领域的热点。碳酸钙晶须属于单晶体增强材料，尺寸极其微细，其生产原料为来源广泛的碳酸钙，是十分常见的无机非金属材料，且生产制备过程无环境污染，工艺简单，有利于实现大规模工业化生产，将其作为矿物微纤维对传统工程材料水泥进行增强，有望克服传统纤维存在的诸多弊端，也是对水泥基材料增强增籾技术的全新探索；而玄武岩纤维作为近些年发展起来的新型环保纤维，具有一系列其他纤维无法比拟的优异性能，已经在混凝土领域进行了大量研究与应用，而且玄武岩纤维生产原料来自天然的火山岩矿石，无有害的矿物成分，加之生产工艺简洁，原材料利用率高，成本低廉，为其在水泥基材料领域的更广泛应用创造了有利条件。 2.1 碳酸钙晶须的基本物性 作为一种重要且极为常见的无机矿物，碳酸钙有三种晶型，分别是方解石型、文石型和球霹石型，其热力学稳定性逐渐降低。在自然界中，方解石型碳酸钙晶须是热力学稳定相，常温常压下，以大理石和石灰石的形式存在；文石型是亚稳相，形貌特征呈针状，在自然界中常存在于海洋沉积物以及珍珠层中；球霹石则是人工合成碳酸钙，性能极其不稳定，呈球形，在自然界中没有天然存在的球霹石。碳酸钙晶须属于文石型，由于它结晶时高度有序的原子排列结构，几乎不存在削弱其强度的如空洞、位错等结构缺陷，因而它所具有的机械强度接近于原子间的价键强度。 碳酸钙晶须的化学式为CaCo3，其相对分子质量为100，外观为蓬松状的白色粉末，微观形貌呈针状或纤维状，由于碳酸钙晶须颗粒间具有良好的分散性，且长径比较高，形貌类似于短纤维，是一种性能优异的增强增初材料，同时，晶须外观平滑完整且无明显缺陷，具有良好的加工流动性，用其增强后制品表面光洁度较高，加之碳酸钙晶须丰富的原料来源及低廉的生产成木，因此开发和应用前景十分广阔。 2.2玄武岩纤维增强水泥基复合材料 玄武岩纤维（BasaltFiber）是近些年来研发的一种新型增强材料，它是由单组分玄武岩矿物原料在1450～150（rC高温熔融后，利用铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的一种连续纤维。相比于沉积岩中的页岩、砂岩和变质岩，由于玄武岩的杨氏模量更高，所以用玄武岩制备的纤维具有抗拉强度和弹性模量高、耐高温和耐腐蚀性能好等其它矿物纤维无法比拟的优势。此外，玄武岩融化过程中没有有害物质和工业垃圾排出，对环境无害，是一种绿色、环保的无机非金属矿物纤维，因而被称为21世纪无污染的“绿色工业材料和新型材料“。 由于玄武岩纤维具有优良的力学性能、化学稳定性以及低廉的生产成本，自问世以来，就有大量学者对玄武岩纤维增强复合材料进行了研究，凭借其突出的性能优势，已广泛用于宇航、化工、建筑等工程领域[60]。虽然用其增强水泥的研究起步较晚，但目前仍是纤维增强水泥基材料领域的研究热点，在未来有着广阔的发展和应用前景。 3、碳酸钙晶须试验方法 3.1主要原材料 （1）水泥 本试验所选用的水泥为P，042.5R普通硅酸盐水泥，其化学组成如表1所示。 （2）砂 本试验所选用的砂为标准砂。 （3）碳酸钙晶须 本试验所选用的碳酸钙晶须由四川成都蜀阳硼业化工有限公司生产，合成方法为碳酸化法，外观为白色蓬松状粉末。 在碳酸钙晶须中化学成分中，CaO和CO2占到总质量的97，故所选用碳酸钙晶须的主要化学成分为CaCO3，且具有较高纯度。 利用XRD-6000型X射线衍射仪对所用碳酸钙晶须进行晶型测试，判定晶型结构。通过X衍射图谱分析可知，碳酸钙晶须的主要晶型为文石相（a0.4962nm，b0.7968nm，c 0.5743nm），故所选用晶须为文石型碳酸钙晶须。同时，根据衍射峰强度可知，碳酸钙晶须具有很高的纯度和结晶度。 利用QUANTA-450型扫描电子微镜对碳酸钙晶须的微观形貌进行观测，文石型碳碳酸钙晶须呈针状结构，具有较高长径比，长度约为20～40μm之间，平均直径约为0.5～1.0μm，且表面光滑，分散性较好。 （4）玄武岩纤维 本试验所用的短切玄武岩纤维为浙江金石玄武岩纤维有限公司产品，外观呈古铜色。本试验选用3mm、6mm、12mm、20mm四种长度规格的短切玄武岩纤维。 利用扫描电子显微镜对玄武岩纤维的微观形貌进行观测，由观测结果可以看出，玄武岩纤维符合一般纤维材料的形貌特征，截面呈圆形，表面光滑，具有较高的长径比，且直径尺寸分布较为均匀。 3.2水泥砂浆物理性能测试方法 （1）流动性 水泥砂柴流动性试验根据标准GB/T 2419-2005水泥胶砂流动度测定方法的规定进行。主要操作步骤如下 ①首先将跳桌台面、截锥圆模内壁、模套以及捣棒擦拭干净并充分润湿，再将试模放在跳桌台而中心，然后用湿布将其覆盖； ②将拌合好的水泥砂浆分两次先后装入截锥圆模内。第一层以试模高度的三分之二为准，装好后用捣棒沿试模边缘向中心均匀插倒15次；然后，将第二层砂浆快速装入，直到高出试模顶端约20mm为止，再用捣棒以同样的方式均匀插倒10次。在装模和插倒过程中，要保持试模稳定，不要使其移动，插倒后的砂柴应略高于试模顶端； ③将模套取下，把高出截锥圆模的多余砂衆由中间向两边刮去，并清除落在桌面上的砂浆； ④沿竖直方向缓慢匀速提起试模，并立即开动跳桌进行测试，完成25次跳动； ⑤跳桌测试结束后，测量砂柴底面上相互垂直的两个直径，并计算平均位，作为该配比水泥砂浆的流动度。 （2）干燥收缩测定方法 水泥砂浆干缩试验按JGJ/T70-2009建筑砂浆基本性能试验方法的规定进行。本实验所用仪器为立式砂浆收缩仪，精度为0.01mm，所采用试件尺寸为40mm x 40mm x 160mm。 砂浆收缩试验的步骤如下 ①在成塑试件之前，首先将收缩头在试模两端的孔洞位置中进行固定，并在试件两端面各露出81mm； ②将拌合好的水泥砂浆装入试模中，经振动台振动密实后，成型试件带模在标准养护条件（温度202C，相对湿度90以上）下养护7D后，然后拆模，并标注试件测试方向； ③将试件在温度202C，相对湿度（605）的室内进行预置，4h后即可按照标注的测试方向对其初始长度进行测定； ④完成初始长度测定后，再将砂浆试件重新放回温度202C，相对湿度（605）的室内进行养护，在第7d、14d、21d、28d、56d、90d分别测定试件长度； 其中，St为第t天（7d、14d.21d、28d、56d.90d）时的试件干燥收缩值；L0为试件7d后的长度，即初始长度（mm）；L为试件的长度160mm；Ld为两个收缩头埋入砂浆试件中的长度之和，即202mm；Lt为第t天（7d、14d、21d、28d、56d、90d）时砂浆试件的实测长度（mm）。 每组成型3个试件，取其测试值的算术平均值作为该组砂浆的干燥收缩值，若当其中一个数值与平均值偏差大于20，应剔除该数值；若其中有两个数值偏差超过20，则该组测试结果无效。 4、晶须对水泥砂浆物理性能的影响 （1）通过水泥砂衆流动度试验发现，随着晶须掺量的增加，流动性呈现下降趋势，当晶须掺量小于10时，砂浆流动性无明显劣化现象，当掺量进一步增加时，流动性降低较为明显。 （2）水泥砂浆试件干缩值随着晶须掺量的增加而增大。当晶须掺量分别为5和10时，对砂浆试件干缩无明显改善效果，28d以后干缩值与基准试件基本相同；随着晶须掺量的进一步增加，干缩值也随之增大，当掺量为20～40时，干缩值要显著高于基准试件。 （3）通过压汞试验可知，水泥石的孔隙率随着晶须掺量的增加而逐渐增大。当晶须掺量为20以内时，主要孔径分布无显著变化，增加孔隙主要为50nm以下的少害或无害孔，随着晶须掺量进一步增加，孔隙率增大更为显著。当晶须掺量为10时，200mm 以上的多害孔总数有所降低，且随着多害孔径的不断增大，降低趋势也越来越明显，表明适宜掺量的晶须可在一定程度上对水泥石起到填充密实作用。 5、晶须对水泥砂浆力学性能的影响 （1）碳酸晶须能够提高水泥砂浆的3d和28d抗压强度。当晶须掺量为5、10、20时，3d抗压强度分别增加了19.2、15.3、19.8；28d时，相比于3d的增强幅度有所降低，但各掺量下的抗压强度仍有提髙，晶须掺量为10吋，抗压强度最大提高幅度为13.0。 （2）与抗压强度类似，掺入晶须的水泥砂浆试件抗折强度均有了明显的提高，随着晶须掺量的增加，呈现先上升后下降的趋势。3d龄期时，在晶须掺量为10时增强效果最佳，提高幅度为29.5；28d龄期时，抗折强度的提高幅度有所减小，当品须掺量为10时，抗折强度提高7.2，随着渗量的进一步增加，增幅有所降低。 （3）掺入晶须后的水泥砂浆试件的劈裂抗拉强度也得到提高。当碳酸钙品须掺量为10时，试件劈裂抗拉强度达到最大值4.24MPa，与纯水泥砂浆试件相比，提高幅度为26.2，而晶须掺量继续增加后，劈裂抗拉强度有所下降，但幅度不大，仍明显高于纯水泥砂浆试件。 （4）碳酸钙晶须的掺入能够一定程度上改善砂浆的抗冲击性能。当品须掺量为10，对冲击次数和吸收冲击能的提高幅度最大，但基体初裂后，继续祗抗冲击荷载的能力无显明提高。从砂浆基体受冲击破坏形态上可以看出，纯水泥砂浆试件为典型的脆性破坏，而碳酸钙晶须增强水泥砂浆试件的脆性降低，细小裂纹分支增多，切性和延性有所提高。 6、结语 对碳酸鈣晶须增强水泥基材料的耐久性能还缺乏系统研究。由于碳酸钙晶须具有优异的物理化学性质和机械性能，可以显著改善水泥基材料的力学性能，因此，全面考察晶须增强水泥基复合材料（混凝土）的耐久性对完善整个研究体系具有重要意义。 参考文献 [1]徐兆瑜.晶须的研究和应用新进展[J].化工技术与开发，2007，（34）. [2]李武，靳治良，张志宏.无机晶须材料的合成与应用[J].化学进展，2003，（15）. [3]崔小明.无机晶须的研究和应用进展[J].精细化料及屮问体，2007，（5）. [4]贺云果，宋永才.碳酸钙品须的制备与应用研究进展[J].材料导报，2005，（19）.