王宇峰 舒春雪

（1.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司， 上海 200436；2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 北京 100044）

0 前言

水泥基材料是建筑材料領(lǐng)域內(nèi)的重要材料，其開裂及耐久性問題一直是研究的重點(diǎn)。為了提高水泥基材料的抗開裂性能，纖維類材料在水泥基材料中得到了大量的應(yīng)用。近年來，玄武巖短切纖維在水泥基材料中的應(yīng)用逐漸被大家所重視。

玄武巖短切纖維是以天然玄武巖拉制的連續(xù)纖維，是玄武巖石料在高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的纖維。玄武巖短切纖維是一種新型材料，它是由二氧化鈦、氧化鋁、二氧化硅、氧化鎂、氧化鈣和氧化鐵等氧化物組成。玄武巖短切纖維具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等多種優(yōu)異性能。但是，玄武巖短切纖維由于表面光滑、呈惰性、極性大且具有較高的表面能等缺點(diǎn)，一般在使用前需要對(duì)玄武巖短切纖維表面進(jìn)行改性，其中用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玄武巖短切纖維進(jìn)行改性是一種常見的方法。本文主要探討不同改性工藝對(duì)玄武巖短切纖維及玄武巖短切纖維水泥基材料的影響[1]。

1 研究方案

1.1 實(shí)驗(yàn)用材料

玄武巖短切纖維采用常州筑威建筑材料有限公司產(chǎn)品，技術(shù)性能詳見表1。玄武巖短切纖維改性用硅烷偶聯(lián)劑詳見表2。

表1 玄武巖短切纖維技術(shù)性能

表2 玄武巖短切纖維改性用硅烷偶聯(lián)劑

1.2 玄武巖短切纖維改性方法

預(yù)處理：將玄武巖短切纖維在230-260℃高溫下加熱2-2.5h，置于四氯乙烯溶液中冷卻，最后用無水乙醇沖洗干凈；（2）制備改性劑：以無水乙醇作為溶劑，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.8%、1.2%的CG570、Z6518、CG550的三種硅烷偶聯(lián)劑溶液，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝箪o置5-10min進(jìn)行水解；（3）改性：將預(yù)處理后的玄武巖短切纖維放入改性劑中，充分浸泡2h后取出，自然干燥，最后在100-110℃溫度下加熱1-1.5h后冷卻至室溫[2]。

1.3 水泥基材料制備

改性玄武巖短切纖維水泥基材料配合比如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)用改性玄武巖短切纖維水泥基材料配合比/g

1.4 檢測(cè)方法

（1）力學(xué)性能：按照《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 3362-2017）進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率檢測(cè)。

（2）耐腐蝕性能：分別稱取10g原纖維和改性后纖維試樣，采用蒸餾水將玄武巖短切纖維洗凈并晾干，以1:10的浴比（玄武巖短切纖維與溶液的比例）分別放入濃度為0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L的NaOH溶液和HCl溶液中，在20-25℃溫度下充分?jǐn)嚢?h，最后去用蒸餾水將玄武巖短切纖維沖洗干凈并自然干燥。通過玄武巖短切纖維的腐蝕形貌和強(qiáng)度損失評(píng)價(jià)其耐腐蝕性[3]。

2 檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 改性玄武巖短切纖維的力學(xué)性能

圖1為改性玄武巖短切纖維的彈性模量（E），E值的大小反映了纖維的抗變形能力。經(jīng)CG570與CG550改性的玄武巖短切纖維的抗變形能力得到了一定的提高。對(duì)于CG570改性劑，改性后的玄武巖短切纖維E值隨CG570濃度增長(zhǎng)先升高后降低，當(dāng)CG570濃度為0.8%時(shí)，E值較原玄武巖短切纖維提升11.1%；對(duì)于CG550改性劑，改性后的玄武巖短切纖維E值隨CG550濃度的增大而增大，當(dāng)CG550濃度為1.2%時(shí)，E值較原玄武巖短切纖維提升11.3%；對(duì)于Z6518改性劑，改性后的玄武巖短切纖維E值隨Z6518濃度增加先降低后增高，抗變形能力下降[4]。

圖1 改性后玄武巖短切纖維E值

由圖1可知，CG570和CG550對(duì)玄武巖短切纖維抗變形能力改性效果較好，Z6518對(duì)玄武巖短切纖維抗變形能力改性效果較差，其中濃度為0.8%的CG570和濃度為1.2%的CG550對(duì)玄武巖短切纖維的抗變形能力改性效果最好。幾種不同硅烷偶聯(lián)劑改性效果的差異主要是由于硅烷偶聯(lián)劑的支鏈不同造成的[5]。

2.2 改性玄武巖短切纖維的耐腐蝕性能分析

改性后玄武巖短切纖維在不同HCl溶液濃度下的強(qiáng)度保持率如圖2、圖3和圖4所示，經(jīng)CG570與CG550改性后的玄武巖短切纖維抗酸腐蝕性能有所提高。

圖2 不同HCl濃度下經(jīng)CG550改性后玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率

圖3 不同HCl濃度下經(jīng)CG570改性后玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率

圖4 不同HCl濃度下經(jīng)Z6518改性后玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率

相同處理?xiàng)l件下，隨著HCl濃度的增加，玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率逐漸降低。經(jīng)CG550或CG570改性后纖維的耐酸腐蝕性要優(yōu)于原纖維，且偶聯(lián)劑濃度在0.8%以上時(shí)改性效果明顯；經(jīng)Z6518處理后的纖維，與預(yù)處理組的纖維相比，其強(qiáng)度保持率在高Z6518濃度下有所提高。綜合考慮不同改性方法對(duì)纖維強(qiáng)度保持率的影響，濃度為1.2%的CG550和濃度為1.2%的CG570改性效果較為明顯[6]。

改性后玄武巖短切纖維在不同NaOH溶液濃度下的強(qiáng)度保持率如圖5、圖6和圖7所示，經(jīng)CG570與CG550改性后的玄武巖短切纖維抗堿腐蝕性能有所提高。

圖5 不同NaOH濃度下經(jīng)CG550處理后玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率

圖6 不同NaOH濃度下經(jīng)CG570處理后玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率

圖7 不同NaOH濃度下經(jīng)Z6518處理后玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率

改性后玄武巖短切纖維在不同NaOH濃度下的強(qiáng)度保持率如圖5、圖6、圖7所示，經(jīng)CG570與CG550改性后的玄武巖短切纖維抗堿腐蝕性能得到了提高。與酸侵蝕試驗(yàn)相比，耐堿腐蝕實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度損失相對(duì)較大。隨著堿濃度的增加，改性后的玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率隨NaOH濃度變化趨勢(shì)與原纖維組變化類似都呈逐漸下降的趨勢(shì)。由圖5可知，在相同NaOH溶液濃度下，玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率隨著CG550改性劑濃度的增加而增加。由圖6可知，在相同NaOH溶液濃度下，玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率隨著CG570改性劑濃度的增加而增加，但同條件下CG570的改性效果較CG550略差。由圖7可知，在相同NaOH溶液濃度下，玄武巖短切纖維的強(qiáng)度保持率與Z6518無線性關(guān)系，在高濃度Z6518條件下改性效果較好[7]。

綜上所述，1.2%濃度CG550改性劑對(duì)玄武巖短切纖維在的綜合改性效果最好，改性后玄武巖短切纖維在的力學(xué)性能和耐腐蝕性能有較大提升。

2.3 改性后玄武巖短切纖維的微觀形貌分析

改性后的玄武巖短切纖維和預(yù)處理的玄武巖短切纖維的表面形貌特征如圖8所示。

圖8 預(yù)處理及改性后玄武巖短切纖維表面形貌分析

從圖8a可以看出，僅僅經(jīng)預(yù)處理的玄武巖短切纖維表面非常光滑。從圖8b可以看出，經(jīng)濃度為1.2%的CG550改性劑改性處理后，顯著提高了玄武巖短切纖維表面粗糙度。從圖8c、8d可以看出，經(jīng)1.2%CG570改性劑或Z6518改性劑改性后，提高了玄武巖短切纖維表面粗糙度。

2.4 改性玄武巖短切纖維對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響

三種硅烷偶聯(lián)劑改性后的玄武巖短切纖維對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 改性玄武巖短切纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由圖9（a）可知，隨著改性劑濃度的提高，CG550組與Z6518組改性后的復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，CG570組改性后的復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)CG550溶液濃度為0.8%時(shí)，改性后的復(fù)合材料抗折強(qiáng)較原纖維組提高了10.5%；當(dāng)CG570溶液濃度為1.2%時(shí)，改性后的復(fù)合材料抗折強(qiáng)度較原纖維提升了20.3%；而Z6518各組在28d時(shí)的抗折強(qiáng)度整體低于原纖維組[8]。由9（b）可知，隨著三種硅烷偶聯(lián)劑濃度的提高，纖維增強(qiáng)水泥基的抗壓強(qiáng)度呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。CG550和CG570相對(duì)Z6518對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能作用效果更好，其中當(dāng)CG550溶液濃度為1.2%時(shí)，改性后的復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度為62.2MPa，較原纖維組的抗壓強(qiáng)度提高了10.9%；當(dāng)CG570溶液濃度為1.2%時(shí)，改性后的復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度較原纖維的抗壓強(qiáng)度提升了10.6%；而Z6518各組在28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度與原纖維組相差不大[9]。

綜上，對(duì)比原始纖維組，三種改性方法中，CG550和CG570相對(duì)Z6518對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能作用效果較好，濃度為1.2%的CG570和CG550改性劑可以顯著改善玄武巖短切纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。這主要是由于通過硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玄武巖表面進(jìn)行改性后，改善了纖維與砂漿之間的界面，改性后的纖維表面更加粗糙增大了纖維與砂漿的錨固力；另一方面，改性后玄武巖短切纖維抗拉強(qiáng)度提高，進(jìn)而提高了水泥基材料的力學(xué)性能[10]。

3 結(jié)論

本文研究了不同硅烷偶聯(lián)劑及不同濃度對(duì)玄武巖短切纖維的改性效果，得到以下主要結(jié)論：

1）經(jīng)一定濃度的CG570或CG550改性劑改性，可以顯著提高玄武巖短切纖維的抗拉強(qiáng)度。

2）經(jīng)一定濃度的CG550改性劑改性，可以顯著提高玄武巖短切纖維的耐腐蝕性能。

3）經(jīng)一定濃度的CG570、CG550或Z6518改性劑改性，可提高玄武巖短切纖維的表面粗糙度。

4）經(jīng)一定濃度的CG570或CG550改性劑改性，可提高玄武巖短切纖維的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，改善纖維與砂漿之間的界面，提高改性玄武巖短切纖維的水泥基材料的力學(xué)性能。