纖維改性磷石膏基膠凝材料及阻裂作用機理分析

何玉鑫，萬建東，劉小全，華蘇東

纖維改性磷石膏基膠凝材料及阻裂作用機理分析

何玉鑫1，萬建東1，劉小全1，華蘇東2

在磷石膏基膠凝材料（PGS）中加入纖維改善PGS的抗裂性能，通過評價不同齡期樣品的抗沖擊功、抗折強度、抗凍融性能和分析斷口形貌等表征纖維對PGS固化體的抗裂效果。結果表明：化纖對PGS固化體增韌和抗裂性能優(yōu)于礦纖和玻纖。在20℃（濕度＞90%）條件下，化纖摻量為0.7%時，PGS固化體28d的抗沖擊功和抗折強度分別較凈漿試塊提高了389.5%和50.6%；在凍融循環(huán)15次后摻化纖的PGS固化體抗沖擊功、抗折強度和質量損失率較PGS凈漿固化體分別降低了87.4%、71.4%和86.0%；化纖穿插于PGS固化體內部，形成一種三維的網(wǎng)狀包裹狀態(tài)，起橋聯(lián)搭接作用，抗裂效果顯著。

磷石膏；膠凝材料；纖維；抗裂；抗凍性能

磷石膏（PG）是工業(yè)生產(chǎn)磷肥的副產(chǎn)物，每年產(chǎn)生PG近5000萬噸，其中僅有20%左右PG被利用，大量未處理的PG堆積、填埋和直接排放，污染土地和水資源，因此充分利用PG不僅可以保護環(huán)境、實現(xiàn)資源再利用，而且能促進經(jīng)濟發(fā)展[1-5]。

磷石膏基膠凝材料（PGS）易受氣候和鈣礬石含量過多等因素影響，從而造成PGS開裂、力學性能下降等現(xiàn)象[6]，制約其在建材領域中的使用。纖維現(xiàn)已廣泛用于改善水泥基膠凝材料的性能，主要起增韌、增強和阻裂的作用，如鋼纖維增強水泥砂漿、碳纖維增強混凝土、復合纖維增韌油井水泥等[7-10]。目前纖維改性PGS的研究較少，筆者對PG煅燒改性后制備含磷建筑石膏，摻入工業(yè)礦渣粉以及不同種類和摻量的纖維，在堿激發(fā)劑、緩凝劑作用下制備了PGS，通過評價其抗沖擊功、抗折強度、抗凍性能和分析內部結構顯微形貌來表征纖維改性PGS的抗裂效果，以期為制備高性能PGS提供技術支持。

1 實驗原料與方法

1.1 實驗原料

圖1 PG和含磷建筑石膏的成分

表1 PG和礦渣的化學組成，%*

表2 纖維的物理性能

表3 含磷建筑石膏的基本性能（20℃）

PG（四川綿竹），灰色粉末狀，過120目篩，主要成分是CaSO4·2H2O（見圖1）；礦渣（江蘇南京），粉末狀，比表面積為410m2/kg（兩種原材料的化學組成見表1）；特種鈣材料市售，氧化鈣含量為89.8%以上；堿激發(fā)劑（自制），水玻璃和氫氧化鈉溶液；緩凝劑（NM）市售；纖維選用礦纖、玻纖和化纖，各纖維物理性能見表2。

1.2 實驗方法

將PG在140℃條件下熱活化4h后，制含磷建筑石膏，其主要成分為CaSO4·0.5H2O（見圖1），基本性能（見表3）達到國家標準優(yōu)等品要求。

PGS按含磷建筑石膏：礦渣：生石灰=60:40:4（質量比）配制粉料，水膠質量比為0.6，堿激發(fā)劑3%，緩凝劑0.2%（外加劑均外摻法），摻入不同種纖維制備PGS，利用KZY-30電動抗折儀和XJJ-5型抗沖擊儀器測試抗折強度和抗沖擊功，并利用JSM-5900型掃描電子顯微鏡，對試塊的斷面形貌進行分析。

2 結果與討論

PGS固化體抗凍融性能分析：抗折強度和抗沖擊功均可有效地評價纖維對PGS固化體的增韌作用，抗折強度和抗沖擊功越大，韌性越高（所需的斷裂能也越高）。抗凍融性能可有效地評價纖維對PGS固化體的阻裂作用，抗凍融性能越優(yōu)，抗裂效果越明顯。纖維以拔出、拉伸、拉斷三種方式（任何一種方式都需要更高的斷裂量）阻止PGS固化體的開裂。在凍融循環(huán)過程中，進入內部孔隙的水使材料不斷產(chǎn)生膨脹收縮應力,導致結構破壞，力學性能下降。在15次凍融循環(huán)過程中摻不同種類纖維的PGS固化體的性能能見表4。

由表4可知，PGS固化體的抗沖擊功和抗折強度隨著礦纖和玻纖摻量的增加呈增大的趨勢，且摻量為1.5%時最大，但兩者對PGS固化體的增韌作用不明顯。當化纖摻量為0.7%時，PGS固化體增韌作用（抗沖擊功和抗折強度分別較PGS凈漿固化體提高了389.5%和50.6%）最佳。在凍融循環(huán)過程中，PGS固化體的抗沖擊功損失率和抗折強度損失率隨著礦纖和玻纖摻量的增加呈減小的趨勢，且摻量為1.5%時最小。化纖對PGS固化體的抗裂作用較礦纖和玻纖明顯，PGS固化體28d的抗沖擊功損失率、抗折強度損失率和質量損失率分別較凈漿試塊降低了87.4%、71.4%和86.0%。

當玻纖和礦纖摻量大于1.5%時，纖維在PGS固化體中分散性差，攪漿過程中易發(fā)生團聚，不利于PGS固化體的抗裂，而化纖在PGS漿體中的分散性較好，在實驗所選摻量條件下未出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，且化纖摻量為0.7%時，PGS固化體的抗裂作用最優(yōu)。

3 纖維抗裂機理分析

當受到水、溫度、AFt等因素的作用會產(chǎn)生膨脹與收縮，使PGS固化體內應力集中而出現(xiàn)開裂，力學性能下降。纖維可以有效阻止PGS固化體早期微裂紋的產(chǎn)生和擴展。圖2為20℃（濕度＞90%）養(yǎng)護28d試塊斷面形貌圖，其中a為凈漿試塊，b為摻0.7%化纖的抗裂試塊，c為摻1.5%玻纖的抗裂試塊，d為摻1.5%礦纖的抗裂試塊。

表4 在15次凍融循環(huán)過程中不同種類纖維的PGS固化體的性能

圖2 PGS固化體斷面形貌圖

圖3 PGS固化體抗折測試后的截面

圖4 PGS固化體凍融循環(huán)后破壞形態(tài)

由圖2a可知，PGS凈漿固化體主要是C-S-H凝膠包覆各組分形成致密的網(wǎng)狀結構，受到應力集中而出現(xiàn)開裂，力學性能下降。由圖2b、c和d可知，纖維穿插于PGS固化體內部，具有橋聯(lián)搭接作用，傳遞部分的力，抗裂性能均優(yōu)于凈漿。結合圖3可知，化纖由于直徑粗，數(shù)量多，均勻分散性優(yōu)于礦纖和玻纖，大量單絲纖維形成一種三維的網(wǎng)狀包裹狀態(tài)，橋聯(lián)搭接作用更顯著，受力的纖維可以將力傳到其他纖維上，使PGS固化體的內部應力場更加連續(xù)與均勻[11]，通過纖維的拔出、拉斷、拉伸阻止PGS固化體的開裂，因此在凍融循環(huán)過程中，化纖可有效保持PGS固化體整體完整性（見圖4），化纖抗裂作用最優(yōu)。

化纖形成一種三維的網(wǎng)狀包裹狀態(tài)，橋聯(lián)搭接作用顯著，受力的纖維可以將力傳到其他纖維上，具有類似高彈性模量纖維的性能，從而阻止PGS固化體早期微裂紋的產(chǎn)生；化纖本身具有低彈性模量纖維的性能，可有效阻止PGS固化體后期長裂紋的延伸，使PGS固化體保持完整性，由圖5和圖6化纖抗裂過程可知表達式如下：

圖5 化纖阻止微裂紋的過程

圖6 化纖阻止長裂紋的過程

μ為摩擦塊的動摩擦系數(shù)，表征纖維與PGS固化體基體的黏結系數(shù)，N/kg；l1、l2為摩擦塊滑動距離，代表纖維的拔出長度，m；x為彈簧的伸長，代表纖維的伸長，m；k為彈簧模型的剛度，與纖維性質有關的一個常數(shù)；Δ代表基體開裂后裂縫的擴展寬度，m；F1、F2纖維對裂縫的阻力，N。

由圖5可知，由于化纖嵌入長度不斷遞減，以及拔出過程中界面被磨光滑，致使動摩擦系數(shù)μ減小。由公式（1）知，隨著裂縫擴展，動摩擦系數(shù)μ減小，纖維對裂縫的阻力（F1）減小，在PGS固化體中所起的抗裂作用主要表現(xiàn)在裂縫擴展初期（即微裂紋），克服微裂紋所需的阻力主要表現(xiàn)為纖維的拔出。由圖6可知，化纖具有較高的極限延伸率，隨著微裂紋擴展，纖維主要通過提高PGS固化體的延展性來提高抗裂性能，抗裂過程中所需的阻力主要表現(xiàn)為纖維的拔出、拉斷、拉伸。由公式（2）可知，隨著裂縫的擴展（Δ增大），纖維對裂縫的阻力（F2）增加，對PGS固化體的抗裂作用主要表現(xiàn)為裂縫擴展后期（即長裂紋）。可見微裂紋的產(chǎn)生至試塊的破碎期間，化纖能有效阻止PGS固化體的開裂。

4 結論

（1）在20℃（濕度＞90%）條件下，化纖對PGS固化體增韌作用優(yōu)于礦纖和玻纖，摻量在0.7%時PGS固化體28d的抗沖擊功和抗折強度分別較同齡期的凈漿固化體提高了389.5%和50.6%。

（2）在凍融循環(huán)15次后，化纖能有效提高PGS固化體的抗裂性能，摻量在0.7%時PGS固化體28d的化纖抗沖擊功、抗折強度和質量損失率較凈漿固化體分別降低了87.4%、71.4%和86.0%。

（3）在PGS中摻入0.7%的化纖后，大量單絲纖維形成一種三維的網(wǎng)狀包裹狀態(tài)，橋聯(lián)搭接作用更顯著，受力的纖維可以將力傳到其他纖維上，有效阻止PGS固化體的微裂紋的產(chǎn)生和裂紋的擴展。

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Fiber Modified Phosphogypsum-based Cementitious Material and Anti-cracking Mechanism Analysis

HE Yu-xin1,WANG Jian-dong1,LIU Xiao-quan1,HUA Su-dong2
(1 Jiangsu Yi Fu New Material Technology Co.,Ltd.,Nanjing 211178; 2 Nanjing Univesity of Technology,Nanjing 210009)

Municipal Fibers were used to improve phosphogypsum-based cementations material(PGS) anti-cracking ability.The influence of adding fiber was investigated by measuring the impact work,flexural strength,freeze-resistance,and the microscopy of fracture surface.Results showed that fiber could prevent PGS from cracking obviously better than both mineral fiber and glass fiber.The impact work and the flexural strength of PGS with 0.7%fiber cured at 20℃（R.H.≥90）for 28d were increased by 389.5%and 50.6%respectively; after 15 freeze-thaw cycles,the impact work,flexural strength and mass loss rate of cementitious material with 0.7%fiber were decreased by 87.4%,71.4%and 50.4%respectively.The fiber distributed in the matrix of hardened PGS offered a bridging function notably because of three-dimensional network structure.

phosphogypsum;cementitious material;fiber;anti-crack;anti-freezing function

TQ172.462

A

1001-6171（2013）05-0023-04

通訊地址：1江蘇省一夫新材料科技有限公司，南京 211178；2南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210009；

2012-12-29； 編輯：趙 蓮