孫 鵬， 吳 宇， 汪遠波

(安徽省公路工程檢測中心；橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230051)

0 引 言

20世紀70年代，J. Davidovits教授首先提出地質(zhì)聚合物(Geopolymer)概念，并創(chuàng)辦了相關(guān)的研究機構(gòu)，對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究[1,2]。地質(zhì)聚合物主要是由堿激發(fā)劑與粉煤灰、礦渣、偏高嶺土、硅灰等硅鋁質(zhì)工業(yè)廢渣制備而成的一種具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的環(huán)境友好新型凝膠凝材料[3-8]，具有早期強度高、粘結(jié)力強、結(jié)構(gòu)致密性好、耐化學腐蝕、耐火耐高溫性能好等優(yōu)越的性能，且制備過程能耗低、環(huán)境相容性好。它以其獨特優(yōu)勢在修補加固材料、固核固廢材料、環(huán)境處置材料、耐火耐高溫材料等領(lǐng)域具有廣泛應用前景和開發(fā)潛力[9-14]，已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點之一。近年來，普遍認為地質(zhì)聚合物尚存在著干縮大、泛堿、脆性大、碳化嚴重等問題[15-16]。針對上述問題國內(nèi)外學者開展了一系列的試驗研究，并取得一些研究結(jié)果。楊永民等[17]在地質(zhì)聚合物漿體中添加活性MgO，能夠有效補償?shù)刭|(zhì)聚合物的收縮，當活性MgO摻量為6%時，地質(zhì)聚合物漿體的28d干燥收縮降低20.0%。Pacheco-Torgal F等[18]研究認為在地質(zhì)聚合物中摻入硅灰、調(diào)節(jié)堿激發(fā)劑的摻量可以有效改善泛堿問題。柴倩等[19]以水鎂石纖維為增韌材料來提高地質(zhì)聚合物韌性，水鎂石纖維摻量為0.8%時，抗折強度提高了26.6%，增韌效果顯著。

玄武巖纖維是一種具有抗拉強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐久性好等優(yōu)異性能的新型無機綠色環(huán)保高性能纖維材料。目前在硅酸鹽水泥混凝土和瀝青混凝土中應用比較廣泛[20-21]。目前玄武巖纖維應用改善地質(zhì)聚合性能相關(guān)研究報道較少。因此，開展玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物性能的試驗研究是非常有必要的。本文以偏高嶺土和堿激發(fā)劑水玻璃玄主要原材料，摻入玄武巖纖維地質(zhì)聚合物。研究了玄武巖纖維長度、表面形態(tài)、體積摻量對基地質(zhì)聚合物性能的影響規(guī)律，并分析了玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物作用機理。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗用偏高嶺土是由淮北金巖高嶺土開發(fā)有限責任公司提供的煤系高嶺土粉在高溫爐中經(jīng)過850℃煅燒保溫2h取出冷卻至室溫得到的，化學成分見表1。玄武巖纖維，購自橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司，化學成分見表2，主要技術(shù)指標見表3。工業(yè)水玻璃，市購，其模數(shù)M=3.03。分析純NaOH，購自無錫市展望化工試劑有限公司。標準砂，購自廈門艾思歐標準砂有限公司。試驗采用低模數(shù)的水玻璃(M=1.2、1.4)是由市購的工業(yè)水玻璃在測出SiO2和Na2O基礎(chǔ)上通過加入分析純NaOH調(diào)節(jié)配制而成的。

表1 偏高嶺土的化學成分

表2 玄武巖纖維的化學成分

表3 玄武巖纖維的主要技術(shù)指標

1.2 試樣制備

按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)和《公路工程水泥與水泥凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)，將煅燒處理后的偏高嶺土、標準砂、水玻璃和玄武巖纖維按照表4和表5設計的配比制備地質(zhì)聚合物膠砂強度和干縮試件。在試驗室(溫度20℃±2℃，相對濕度>50%)養(yǎng)護24h后脫模，然后標準養(yǎng)護(溫度20℃±1℃，相對濕度>90%)至規(guī)定齡期測試其性能。

表4 力學性能試驗配合比

表5 干縮性能試驗配合比

1.3 測試方法

依據(jù)國標《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)測試地質(zhì)聚合物砂漿的抗壓強度Rc/MPa和抗折強度Rf/MPa，分別按公式(1)和(2)計算。

(1)

(2)

式中，F(xiàn)c為破壞時的最大荷載,N；A為受壓部分的面積,mm2；Ff為折斷時施加于棱柱體中部的荷載,N；L為支撐圓柱之間的距離,mm；b為棱柱體正方形界面的邊長,mm。

依據(jù)《公路工程水泥與水泥凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)測試地質(zhì)聚合物砂漿試件各齡期的干縮率St(%)，按公式(3)計算(精確至0.001%)。

(3)

式中:L0為初始測量讀數(shù),mm；Lt為某一齡期的測量讀數(shù),mm；250為試件有效長度,mm。

采用掃面電子顯微鏡(SEM)觀察玄武巖纖維在地質(zhì)聚合物中的分布情況和試樣斷面特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能

2.1.1 玄武巖纖維長度對地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度的影響

圖1顯示了玄武巖纖維長度(8 mm、16 mm和24 mm)對地質(zhì)聚合物28 d抗壓強度和抗折強度的影響。隨著玄武巖纖維長度由8 mm增加到24 mm，地質(zhì)聚合物的28 d抗壓強度和抗折強度呈逐漸增加趨勢。玄武巖纖維地質(zhì)聚合物28 d的抗壓強度和抗折強度分別由50.02 MPa和8.16 MPa增加到60.62 MPa和9.45 MPa。摻有8 mm、16 mm和24 mm的玄武巖纖維的地質(zhì)聚合物28 d抗壓強度和抗折強度抗相對于空白未摻加玄武巖纖維的地質(zhì)聚合物分別增加了3.5%、20.7%、25.4%和15.3%、25.3%、33.5%。由此可見，玄武巖纖維對地質(zhì)聚合物抗折強度提高較為顯著。

圖1 玄武巖纖維長度對地質(zhì)聚合物28 d抗壓和抗折強度的影響

2.1.2 玄武巖纖維表面形態(tài)對地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度的影響

圖2顯示了玄武巖纖維表面形態(tài)(有捻、無捻)對地質(zhì)聚合物14 d抗壓強度和抗折強度的影響。由圖2可知，與空白樣相比，摻入表面粗糙的玄武巖纖維(有捻)的地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度分別提高了25.4%和9.4%，摻入表面光滑的玄武巖纖維(無捻)的地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度分別提高了10.7%和7.5%。由此可見，有捻的玄武巖纖維比無捻的玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度效果更為顯著。這主要是由于表面粗糙(有捻)的玄武巖纖維能夠增強與地質(zhì)聚合物基體之間“咬合”作用，進而增強了纖維從基體中被拔出的能量，增強地質(zhì)聚合物力學性能。

圖2 玄武巖纖維表面形態(tài)對地質(zhì)聚合物14 d抗壓及抗折強度的影響

2.1.3 玄武巖纖維體積摻量對地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度的影響

圖3顯示了玄武巖纖維體積摻量對地質(zhì)聚合物14d抗壓強度和抗折強度的影響。隨著玄武巖纖維體積摻量(0、0.5%、1%)增加，地質(zhì)聚合物抗壓強度呈先增加后降低趨勢，而抗折強度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。玄武巖纖維體積摻量為0.5%的地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度與空白試樣相比分別增加了10.7%和7.5%；武巖纖維體積摻量為1%的地質(zhì)聚合物抗壓強度和抗折強度與空白試樣相比分別增加了5.5%和12.9%；由此可見：玄武巖纖維體積摻量的增加能夠有效的改善地質(zhì)聚合物的力學性能，對增強地質(zhì)聚合物抗折強度的效果較為顯著。

圖3 玄武巖纖維體積摻量增強地質(zhì)聚合物力學性能的影響

2.2 干燥收縮

2.2.1 玄武巖纖維長度對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響

圖4顯示了玄武巖纖維長度(8 mm、16 mm和24 mm)對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響。玄武巖纖維長度由8 mm增加至24 mm，地質(zhì)聚合物的干燥收縮率呈逐漸降低趨勢。與空白樣相比，摻入玄武巖纖維長度為8 mm、16 mm和24 mm的地質(zhì)聚合物3d齡期干燥收縮率分別減少了28.6%、33.1%和37.5 %；7 d齡期干燥收縮率分別減少了27.4%、32.9%和36.9%；28d幾乎趨于穩(wěn)定。這主要是由于玄武巖纖維-地質(zhì)聚合物基體結(jié)合緊密，纖維在基體中的空間亂向排列作用在一定程度上抵抗了地質(zhì)聚合物基體的收縮應力，纖維長度的增加更進一步增大了纖維和基體之間的握裹面積，從而增大了握裹力。

圖4 玄武巖纖維長度對地質(zhì)聚合物收干燥收縮的影響

2.2.2 玄武巖纖維表面形態(tài)對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響

圖5顯示了玄武巖纖維表面形態(tài)對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響。由圖5分析可知，與空白樣對比，加入無捻和有捻的玄武巖纖維3 d收縮率分別減少了33.6%和38.6%；7 d的收縮率分別減少了36.9%和42.1%；28 d幾乎趨于穩(wěn)定，基本不發(fā)生顯著變化。有捻的玄武巖纖維比無捻的玄武巖纖維更能夠有效地降低地質(zhì)聚合物干燥收縮率。主要由于有捻的玄武巖纖維表面比較粗糙，與基體之間“咬合”左右起到至關(guān)重要的作用，進一步降低基體干燥收縮，提高了地質(zhì)聚合物抵抗干燥收縮應力的能力。

圖5 玄武巖纖維表面形態(tài)對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響

2.2.3 玄武巖纖維體積摻量對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響

圖6顯示了玄武巖纖維體積摻量對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響。由圖6可見，隨著玄武巖纖維體積摻量(0.1%、0.3%和0.5%)增加，地質(zhì)聚合物的干燥收縮率逐漸減小。與空白樣相比，摻量為0.1%、0.3%、0.5%的3d收縮率分別較少了33.1%、37.5%和75.7%；7 d收縮率分別為34.0%、36.9%和74.1%； 28 d后變化不顯著。由此可見，在一定范圍能增加玄武巖纖維體積摻量有助于抑制地質(zhì)聚合物的干燥收縮。主要由于纖維體積摻量增加，纖維空間亂向分布與三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物膠合作用，增強二者之間的咬合；同時在一定程度上降低了基體內(nèi)部孔隙率，從而進一步有效的阻止地質(zhì)聚合物干燥收縮和應力擴散。

圖6 玄武巖纖維體積摻量對地質(zhì)聚合物干燥收縮的影響

3 玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物性能的作用機制分析

3.1 玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物力學性能的作用機制分析

由圖7地質(zhì)聚合物砂漿纖維的SEM照片分析可知：玄武巖纖維與地質(zhì)聚合物基體界面結(jié)合緊密，同時玄武巖纖維在地質(zhì)聚合物中亂向分布作用阻礙了裂紋的產(chǎn)生和擴展，有效地吸收和消耗能量，從而提高地質(zhì)聚合物得斷裂韌性；同時玄武巖纖維具有較高抗拉強度和較小的拉伸率可繼續(xù)承擔截面上的拉力，“鑲嵌”在地質(zhì)聚合物基體中的纖維承擔著一定的拉應力，直到玄武巖纖維被拉斷或從基體中拔出，提高了其力學性能，特別是抗折強度。表面粗糙的玄武巖纖維這種增強效果更顯著。

圖7 地質(zhì)聚合物砂漿中玄武巖纖維SEM照片

3.2 玄武巖纖維降低地質(zhì)聚合物干燥收縮的作用機制分析

干燥收縮主要是地質(zhì)聚合物毛細孔失水產(chǎn)生塑性收縮應力，塑性收縮應力大于地質(zhì)聚合物基體抗拉強度而使基體產(chǎn)生干縮。地質(zhì)聚合物基體中摻入玄武巖纖維后，玄武巖纖維在地質(zhì)聚合物基體中呈三維亂向分布，玄武巖纖維起到傳遞應力從而降低收縮應力的作用。同時亂向分布的玄武巖纖維在地質(zhì)聚合物中在一定程度上阻塞毛細孔，可使地質(zhì)聚合物基體失水減少和增強了水分遷移的困難程度，從而降低了地質(zhì)聚合物干燥收縮性能。

4 結(jié) 論

(1)玄武巖纖維能夠有效地提高地質(zhì)聚合物的力學性能，抑制地質(zhì)聚合物的干燥收縮。

(2)隨著玄武巖纖維長度和體積摻量的增加，地質(zhì)聚合物的抗壓和抗折強度呈逐漸增加趨勢，相應的干燥收縮率逐漸降低。

(3)摻入有捻的玄武巖纖維比無捻的玄武巖纖維更能有效地提高地質(zhì)聚合的力學性能，降低地質(zhì)聚合物的干燥收縮率。