龐小峰，袁志勇，唐瑛，孫帥

(1.廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點實驗室(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院)，廣東 廣州 510080；2.中材江西電瓷電氣有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337200)

絕緣子是輸配電線路、電站設(shè)備的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件和最重要的絕緣元件，主要起支撐和絕緣的作用。瓷絕緣子的質(zhì)量水平直接影響到輸配電線路和電力設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性[1-2]，是制約輸變電技術(shù)發(fā)展的重要因素。強臺風登陸對電力設(shè)施造成極大破壞，其中隔離開關(guān)設(shè)備的損失破壞最為嚴重[3-5]。隔離開關(guān)在臺風中損壞的突出表現(xiàn)之一是瓷絕緣子斷裂[6-8]，這是因為瓷絕緣子的機械強度相對較低，在極高的風速以及嚴重的雨雪等惡劣天氣條件下，容易破損和斷裂[9-11]。為了增強支柱瓷絕緣子在惡劣天氣條件下抵抗破損和斷裂的能力，提高支柱瓷絕緣子自身的機械強度是一個有效的途徑。膠裝型瓷絕緣子由水泥膠合劑、瓷件和金屬附件3部分組成[12-13]，其中水泥膠合劑填充瓷件和金屬附件之間的預(yù)留空隙主要起組織和連接的作用。在瓷件和金屬附件性能穩(wěn)定的前提下，水泥膠合劑的性能直接影響著膠裝型瓷絕緣子的整體性能、壽命和可靠性[14-16]；因此，研究開發(fā)出高強度的水泥膠合劑成為業(yè)內(nèi)共識，目前主要采用提高水泥標號、添加摻合料的方式來提高水泥膠合劑的最終強度[15-18]。

隨著絕緣子自動化生產(chǎn)線的推進，尤其是近年來智能化生產(chǎn)線的建設(shè)，對水泥膠合劑的早期強度提出了新的要求，以滿足絕緣子在生產(chǎn)線上膠裝養(yǎng)護1 d后就能達到特定強度，因此急需研發(fā)出滿足生產(chǎn)線要求的早強型水泥膠合劑配方。目前對水泥膠合劑的研究主要集中在提高最終強度，對如何提高水泥膠合劑的早期強度，尤其是1 d的強度這方面的研究很少。

本文在保證膠合劑流動性能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究水泥種類、膠裝砂、減水劑種類和用量對膠合劑早期強度的影響，并優(yōu)選膠合劑配方用于實際生產(chǎn)，從而驗證膠合劑配方的使用效果。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗原料包括：水泥——快硬硫鋁酸鹽水泥(KS)，大連小野田PⅡ52.5R(PS)；膠裝砂——水洗干海砂；纖維——上海博寧工程纖維材料有限公司生產(chǎn)的PM-I系列聚丙烯纖維，長度3 mm，直徑31 μm；膨脹劑——北極熊CSA-Ⅰ型膨脹劑；減水劑溶液—NF萘磺酸型高效減水劑，聚羧酸減水劑；硅灰——無機非晶質(zhì)灰白色固體粉末，平均粒徑小于0.1 μm，密度為2.44 g/cm3。

1.2 試驗方法

先將砂、水泥、摻加劑一起加入鍋內(nèi)，低速攪拌約3 min；然后加水，繼續(xù)攪拌1 min后停機，用刀或鏟子清理攪拌葉和鍋邊；再開機低速/中速繼續(xù)攪拌6 min，且必須攪拌均勻。

原料的化學成分采用X射線熒光光譜儀測試；水泥膠合劑掃描式電子顯微鏡-能譜儀(scanning electron microscope-energy disperse spectroscopy，SEM-EDS)測試采用JSM-7500F型場發(fā)射掃描電鏡；膠合劑抗折、抗壓強度等性能依據(jù)JB/T 4307—2004《絕緣子膠裝用水泥膠合劑》進行測試。制作40 mm×40 mm×160 mm的標準試條，經(jīng)標準養(yǎng)護后在電動抗折試驗機上按(50±5)N/s的速度增加荷載直至試條折斷破壞，完成抗折強度測試；抗折試驗后的斷塊在壓力試驗機上按(5±0.5)kN/s的速度施加載荷，直至破壞。懸式瓷絕緣子的機電破壞負荷試驗、熱機械性能試驗依照GB/T 1001.1—2003《標稱電壓高于1 000 V的架空線路絕緣子》進行。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥種類對膠合劑強度的影響

在保證膠合劑流動度的情況下，設(shè)計2種水泥配方，見表1。

由表1可以看出：快硬硫鋁酸鹽水泥早期強度發(fā)展非?？?，3 d的抗折強度達到12.5 MPa，抗壓強度達到101 MPa；早強型普通硅酸鹽水泥早期強度發(fā)展雖相對較慢些，3 d的抗壓強度也能達到62.5 MPa，達到了PⅡ52.5R水泥強度的標準。為了更好地了解2種水泥各自的強度發(fā)展過程，對2種水泥的水化過程進行SEM-EDS研究，結(jié)果如圖1、圖2所示，其中(a)、(b)、(c)為水化1 d后的結(jié)果，(d)、(e)、(f)為水化3 d后的結(jié)果，(g)、(h)、(i)為水化7 d后的結(jié)果。

圖2 快硬硫鋁酸鹽水泥水化SEM-EDS結(jié)果Fig.2 SEM-EDS hydration results of fast hardening early-strength sulphoaluminate cement

圖1 早強型普通硅酸鹽水泥水化SEM-EDS結(jié)果Fig.1 SEM-EDS hydration results of early-strength ordinary Portland cement

表1 2種水泥的膠合劑配方和早期強度對比Tab.1 Adhesive formulas of two kinds of cement and comparisons of the early strength

從SEM-EDS分析可以清楚地觀察到：早強型普通硅酸鹽水泥水化1 d后，水泥顆粒大部分已經(jīng)水化，并伴有大量C-S-H凝膠和高硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)生成，但水泥石致密度不高，仍有一定量水泥顆粒未水化；水化3 d后，水泥石水化程度進一步加強，同時C-S-H凝膠和AFt生成量進一步增多，水泥石致密度開始明顯提高，但水化產(chǎn)物之間相互連接不夠緊促，沒有形成致密的交織組織結(jié)構(gòu)；水化7 d后，幾乎看不到未水化的顆粒，同時生成的凝膠將AFt包裹起來，水化產(chǎn)物相互交織，形成密實的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使水泥石具有較高的強度。

從快硬硫鋁酸鹽水泥的SEM-EDS分析可以發(fā)現(xiàn)：養(yǎng)護1 d后，快硬硫酸鹽水泥絕大部分已經(jīng)水化，并且形成較為密實的水泥石結(jié)構(gòu)，生成了大量的C-S-H或C-S-A-H凝膠，同時沒有發(fā)現(xiàn)有Ca(OH)2的存在，說明它們已經(jīng)被吸收轉(zhuǎn)化為凝膠，此時水泥石已經(jīng)具有較高的強度；到養(yǎng)護3 d后，發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥顆粒幾乎全部水化，生成了大量的凝膠，形成一個非常密實的結(jié)構(gòu)，相比水化1 d，此時的水化產(chǎn)物更多，相互連接組織更為致密，所以強度進一步提高；養(yǎng)護7 d后試樣的SEM照片與水化3 d的差別不明顯，水化程度進一步加深，其水泥石致密度得到很大程度的提高，從EDS分析可以發(fā)現(xiàn)，生成的凝膠主要是C-S-H和C-S-A-H凝膠。

由上述分析可以得出結(jié)論：快硬硫鋁酸鹽水泥的早期強度發(fā)展比早強型普通硅酸鹽水泥快，但由于快硬硫鋁酸鹽水泥的初凝時間太短，不利于大規(guī)模作業(yè)。因此在后續(xù)研究中，主要針對早強型普通硅酸鹽水泥進行配方調(diào)整。

2.2 硅灰添加量對膠合劑強度的影響

在保證膠合劑流動度的情況下，分別設(shè)計5種不同硅灰摻量的膠合劑配合比，見表2，研究硅灰摻量對膠合劑強度的影響。

由表2可以看出：隨著膠合劑中硅灰摻量(相對于水泥用量)從0增加到10%，膠合劑1 d、2 d和3 d的抗折與抗壓強度均有增加。這主要是2方面原因：一是比表面積大的硅灰在水泥的水化過程中起到晶核的作用，能夠顯著促進水泥水化，加速C-S-H凝膠的形成；另一方面是硅灰作為礦物摻合料，具有較好的火山灰活性，能夠與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)形成較穩(wěn)定的二次水化產(chǎn)物，有效抑制集料-界面處Ca(OH)2晶體的取向排列和由Ca(OH)2粗晶形成的疏松多孔結(jié)構(gòu)的形成，提高水泥膠合劑的密實程度[19-20]。但是，硅灰摻量的增加會導致水泥膠合劑流動度的下降，因此綜合考慮硅灰對水泥膠合劑的增強效果和工作性的影響，將硅灰的摻量定在7.5%。

表2 硅灰添加量對膠合劑強度的影響Tab.2 Effect of silica fume addition on adhesive strength

2.3 減水劑種類對膠合劑強度的影響

在保證膠合劑流動度的情況下，對4種減水劑分別設(shè)計配合比，見表3，研究減水劑種類對膠合劑強度的影響。

由表3可以看出：在保證膠合劑流動度相同的情況下，使用蕪湖弘馬TOJ800-10A和萍鄉(xiāng)友聯(lián)聚羧酸減水劑的膠合劑試條強度均明顯低于使用NF萘磺酸型高效減水劑和蕪湖弘馬TOJ800-10T聚羧酸減水劑的膠合劑試條強度；使用NF萘磺酸型高效減水劑的膠合劑試條養(yǎng)護1 d后的強度高于使用蕪湖弘馬TOJ800-10T聚羧酸減水劑的膠合劑試條，但是2 d和3 d的抗壓強度要低。這是因為NF萘磺酸型高效減水劑主要成份為β-萘磺酸縮合物鈉鹽，蕪湖弘馬TOJ800-10T屬于聚羧酸型減水劑。研究表明，聚羧酸減水劑中的活性基團會與水化生成的離子(如Ca2+)生成不穩(wěn)定絡(luò)合物，從而抑制C3S的早期水化，但是會促進后期體系中水化產(chǎn)物的生成[21]。

表3 減水劑種類對膠合劑強度的影響Tab.3 Effect of types of water reducing agents on adhesive strength

2.4 減水劑用量對膠合劑的影響

2.4.1 NF減水劑用量對膠合劑的影響

在保證膠合劑流動度的情況下，針對NF萘磺酸型高效減水劑不同用量分別設(shè)計配合比，研究NF萘磺酸型高效減水劑用量對膠合劑強度的影響，見表4。

表4 NF萘磺酸型高效減水劑用量對膠合劑強度的影響Tab.4 Effect of NF naphthalene sulfonic acid water reducing agents addition on adhesive strength

由表4可以看出：隨著NF萘磺酸型高效減水劑摻量(相對于水泥)從0.25%增加到1.0%，膠合劑的強度逐漸增加；但是當NF萘磺酸型高效減水劑的摻量達到1.25%時，膠合劑的強度急劇下降，這是因為此時NF萘磺酸型高效減水劑添加過量，膠合劑出現(xiàn)了離析、分層的現(xiàn)象。

2.4.2 聚羧酸減水劑用量對膠合劑的影響

在保證膠合劑流動度的情況下，針對TOJ800-10T聚羧酸減水劑不同用量分別設(shè)計配合比，研究TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量對膠合劑強度的影響，見表5。

由表5可知：當TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量(相對于水泥用量)從2%增加到2.5%時，水泥膠合劑養(yǎng)護1 d后的強度提高，但是2 d和3 d后的強度下降；這是因為，在膠合劑流動度相同的情況下，TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量增加，膠合劑配比中水的用量減少，致使水泥水化的水量不足，膠合劑后期強度增長更慢。

表5 聚羧酸減水劑用量對膠合劑強度的影響Tab.5 Effect of polycarboxylate superplasticizer addition on adhesive strength

2.5 優(yōu)選膠合劑配方驗證

根據(jù)上述試驗結(jié)果，優(yōu)選編號為4-4和5-1的水泥膠合劑，用于膠裝型號為U70B的懸式瓷絕緣子，養(yǎng)護1 d后，對產(chǎn)品分別做機電破壞負荷試驗和熱機械性能試驗[20]，試驗結(jié)果見表6、表7。

機電破壞負荷試驗時，對絕緣子原件施加工頻電壓45 kV，在金屬附件之間施加拉伸負荷，檢測絕緣子元件所能達到的最大負荷。由表6可以看出：除了1只采用編號為4-4的水泥膠合劑膠裝的產(chǎn)品發(fā)生鋼帽松動外，其余產(chǎn)品破壞方式均為鋼腳拉伸；采用編號為4-4和5-1的水泥膠合劑膠裝的產(chǎn)品機電破壞負荷平均值分別高于規(guī)定負荷(73.7 kN和72.9 kN)。由標準偏差可以看出，產(chǎn)品的機電破壞負荷數(shù)值較穩(wěn)定，波動很小。

表6 產(chǎn)品機電破壞負荷試驗Tab.6 Electromechanical failure load test results of the products

熱機械性能試驗時，絕緣子元件經(jīng)歷4個1 d冷卻、加熱循環(huán)，加熱循環(huán)溫度為(+40±5)℃，冷卻循環(huán)溫度為(-40±5)℃，試驗中施加機械拉伸負荷45 kN，經(jīng)循環(huán)試驗階段的熱機械性能試驗完成后，于當天進行機電破壞負荷。由表7可以看出，產(chǎn)品經(jīng)過4個冷熱循壞試驗階段的熱機械性能試驗后均沒有損壞，且機電破壞負荷數(shù)值較冷熱循環(huán)試驗前沒有明顯下降，表明產(chǎn)品熱機械性能均滿足標準要求。

表7 產(chǎn)品熱機械性能試驗Tab.7 Thermal mechanical performance test results of the products

3 結(jié)束語

在保證水泥膠合劑流動度的前提下，本文系統(tǒng)研究了硅灰摻量、減水劑種類以及減水劑用量對膠合劑早期抗折、抗壓強度的影響。研究表明：隨著硅灰摻量(相對于水泥用量)從0增加到10%，膠合劑1～3 d的抗折和抗壓強度隨之增加；使用聚羧酸減水劑的膠合劑1 d強度稍低于使用NF減水劑的膠合劑，但是3 d的強度相當；隨著NF減水劑摻量(相對于水泥)從0.25%增加到1.0%，膠合劑的早期強度逐漸增加；當早強型普通硅酸鹽水泥、砂、水、TOJ800-10T聚羧酸減水劑、硅灰、纖維、膨脹劑的質(zhì)量比為1∶0.5∶0.238∶0.002∶0.5∶0.075∶0.004∶0.06時，膠裝的產(chǎn)品養(yǎng)護1 d后，機電破壞負荷試驗和熱機械性能試驗均滿足標準要求。