玄武巖短切纖維表面改性及其對水泥基材料力學性能的影響

王宇峰 舒春雪

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

0 前言

水泥基材料是建筑材料領域內的重要材料，其開裂及耐久性問題一直是研究的重點。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用。近年來，玄武巖短切纖維在水泥基材料中的應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度高、耐腐蝕和耐高溫等多種優異性能。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，一般在使用前需要對玄武巖短切纖維表面進行改性，其中用硅烷偶聯劑對玄武巖短切纖維進行改性是一種常見的方法。本文主要探討不同改性工藝對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 實驗用材料

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

表1 玄武巖短切纖維技術性能

表2 玄武巖短切纖維改性用硅烷偶聯劑

1.2 玄武巖短切纖維改性方法

預處理：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，配成質量分數分別為0.4%、0.8%、1.2%的CG570、Z6518、CG550的三種硅烷偶聯劑溶液，充分攪拌均勻后靜置5-10min進行水解；（3）改性：將預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 實驗用改性玄武巖短切纖維水泥基材料配合比/g

1.4 檢測方法

（1）力學性能：按照《碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》（GB/T 3362-2017）進行拉伸強度、拉伸彈性模量和斷裂伸長率檢測。

（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℃溫度下充分攪拌3h，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度損失評價其耐腐蝕性[3]。

2 檢測結果分析

2.1 改性玄武巖短切纖維的力學性能

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。對于CG570改性劑，改性后的玄武巖短切纖維E值隨CG570濃度增長先升高后降低，當CG570濃度為0.8%時，E值較原玄武巖短切纖維提升11.1%；對于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CG550濃度為1.2%時，E值較原玄武巖短切纖維提升11.3%；對于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對玄武巖短切纖維抗變形能力改性效果較好，Z6518對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。幾種不同硅烷偶聯劑改性效果的差異主要是由于硅烷偶聯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溶液濃度下的強度保持率如圖2、圖3和圖4所示，經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CG550改性后玄武巖短切纖維的強度保持率

圖3 不同HCl濃度下經CG570改性后玄武巖短切纖維的強度保持率

圖4 不同HCl濃度下經Z6518改性后玄武巖短切纖維的強度保持率

相同處理條件下，隨著HCl濃度的增加，玄武巖短切纖維的強度保持率逐漸降低。經CG550或CG570改性后纖維的耐酸腐蝕性要優于原纖維，且偶聯劑濃度在0.8%以上時改性效果明顯；經Z6518處理后的纖維，與預處理組的纖維相比，其強度保持率在高Z6518濃度下有所提高。綜合考慮不同改性方法對纖維強度保持率的影響，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溶液濃度下的強度保持率如圖5、圖6和圖7所示，經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CG550處理后玄武巖短切纖維的強度保持率

圖6 不同NaOH濃度下經CG570處理后玄武巖短切纖維的強度保持率

圖7 不同NaOH濃度下經Z6518處理后玄武巖短切纖維的強度保持率

改性后玄武巖短切纖維在不同NaOH濃度下的強度保持率如圖5、圖6、圖7所示，經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。與酸侵蝕試驗相比，耐堿腐蝕實驗的強度損失相對較大。隨著堿濃度的增加，改性后的玄武巖短切纖維的強度保持率隨NaOH濃度變化趨勢與原纖維組變化類似都呈逐漸下降的趨勢。由圖5可知，在相同NaOH溶液濃度下，玄武巖短切纖維的強度保持率隨著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度保持率與Z6518無線性關系，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，僅僅經預處理的玄武巖短切纖維表面非常光滑。從圖8b可以看出，經濃度為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水泥基材料力學性能的影響

三種硅烷偶聯劑改性后的玄武巖短切纖維對水泥基材料力學性能的數據如圖9所示。

圖9 改性玄武巖短切纖維對水泥基復合材料力學性能的影響

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

綜上，對比原始纖維組，三種改性方法中，CG550和CG570相對Z6518對纖維增強水泥基材料的力學性能作用效果較好，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水泥基復合材料的力學性能。這主要是由于通過硅烷偶聯劑對玄武巖表面進行改性后，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度提高，進而提高了水泥基材料的力學性能[10]。

3 結論

本文研究了不同硅烷偶聯劑及不同濃度對玄武巖短切纖維的改性效果，得到以下主要結論：

1）經一定濃度的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度。

2）經一定濃度的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性能。