玄武巖纖維表面改性及其對砂漿性能的影響

李林香 譚鹽賓 齊婧 楊魯 葛昕 吳俊杰 王志勇

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081

玄武巖纖維具有抗拉強度高、耐腐蝕、耐高溫等優點，已廣泛應用于水泥混凝土領域。文獻［1-3］研究了玄武巖纖維對水泥基材料力學性能的影響，結果表明，在一定摻量范圍內，玄武巖纖維對混凝土力學性能有增強作用。文獻［4-5］研究了玄武巖纖維對混凝土抗裂性能的影響，結果表明，摻加適量的玄武巖纖維對混凝土早期開裂面積、初裂時間都起到積極改善作用。文獻［6-7］通過研究發現，玄武巖纖維雖然對混凝土力學性能、耐久性能有一定的增強作用，但是玄武巖纖維對混凝土力學性能的提升效果有限，甚至會降低混凝土的抗壓強度。

玄武巖纖維是以天然玄武巖為原料，經高溫熔融后通過鉑銠合金漏板高速拉制而成，熱熔后的玄武巖表面張力巨大，經鉑銠合金板漏過后，成型的玄武巖纖維一般呈表面光滑的圓柱狀。這種光滑的表面狀態導致纖維與水泥基材料的化學膠著力、摩擦力和機械咬合力均不理想［8］，使得摻玄武巖纖維的水泥基材料的力學性能增強效果不理想。對玄武巖纖維進行表面改性可增強玄武巖纖維與水泥基材料之間的界面結合力。

對玄武巖纖維進行表面改性的方法主要有摻入偶聯劑、表面噴涂、酸堿刻蝕、等離子體改性等［9-11］。酸堿刻蝕會對纖維造成一定的損傷，表面噴涂和等離子體改性所需的儀器昂貴，操作也比較復雜。目前研究較多的是摻入硅烷偶聯劑對玄武巖纖維進行表面改性［12-13］。但是僅通過硅烷偶聯劑的橋梁作用增強玄武巖纖維和水泥基材料之間的界面黏結，效果非常有限［14］。

納米SiO2由于粒子尺寸小，表面活性大，引入到玄武巖纖維改性體系中可增加纖維表面粗糙度，改善纖維與水泥基材料之間的浸潤效果，促進纖維與水泥基材料間的應力傳遞，進而增加纖維與水泥基材料界面的黏結力［15-16］。基于此，本文通過摻KH550 溶液、納米SiO2和KH550 復合液對玄武巖纖維進行表面改性，提高玄武巖纖維與水泥基材料的界面黏結力，從而增強水泥基材料的力學性能。

1 試驗

1.1 原材料

玄武巖纖維為短切纖維，長度18 mm，單絲直徑15 μm，主要性能指標見表1。KH550 為無色透明液體，可溶于水和有機溶劑。納米SiO2為水性納米SiO2，粒徑20 ～ 30 nm。水泥為基準水泥，砂為標準砂，化學試劑有丙酮、無水乙醇、氫氧化鈉。

表1 玄武巖纖維的主要性能

1.2 試驗方法

1）改性玄武巖纖維的制備

①玄武巖纖維預處理。將玄武巖纖維在250 ℃的烘箱中加熱2 h，去除纖維表面的浸潤劑；待冷卻后將纖維放置于丙酮溶液中浸泡2 h，用自來水沖洗干凈，而后在自然環境中晾干，干燥后密封保存。

②制備KH550 溶液。以無水乙醇為溶劑，加入KH550，配制成質量分數分別為1%、2%、5%的溶液，然后在60 ℃恒溫水浴鍋中用玻璃棒攪拌30 min。

③制備納米SiO2和KH550 的復合液。以無水乙醇為溶劑，加入KH550，配制成質量分數2%的溶液，在60℃恒溫水浴鍋中用玻璃棒攪拌30 min。然后加入摻量（納米SiO2占KH550 的質量百分比）分別為5%、15%、25%的納米SiO2攪拌1 h。

④按照3∶10的浴比（纖維與溶液的質量比），往上述6種溶液中加入預處理后的玄武巖纖維，浸泡3 h后取出。在室溫下自然晾干后放入120 ℃烘箱中加熱2 h，在室溫下冷卻后密封保存。

2）玄武巖纖維表面形貌觀察

對未改性的和經6種溶液改性后的玄武巖纖維單絲樣品進行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡觀察玄武巖纖維表面情況。

3）玄武巖纖維接枝率計算

纖維預處理前，稱取纖維質量（W0），改性試驗結束后稱取質量（W1），按照計算式（W1-W0）/W0求得玄武巖纖維接枝率。

4）玄武巖纖維耐腐蝕性能測試

用玄武巖纖維在氫氧化鈉溶液中的質量損失率評價玄武巖纖維的耐腐蝕性能。

取未改性的和經6 種溶液改性后的玄武巖纖維，按照1∶10 的浴比放入濃度1.0 mol/L 的氫氧化鈉溶液中，在室溫20 ℃下靜置3 h后取出，然后用去離子水將纖維洗凈晾干，測試纖維質量損失率。

玄武巖纖維質量損失率計算式為（m0-m1）/m0。其中m0、m1分別為腐蝕前后纖維的質量。

5）玄武巖纖維砂漿強度試件制備

纖維體積摻量設計為0.1%。先把標準砂加入到砂漿攪拌鍋中，然后加入玄武巖纖維，先慢攪30 s，再快攪30 s，再加入水泥，慢攪30 s，加入拌和水后慢攪30 s，停90 s，再快攪60 s，然后出鍋成型。試模尺寸為160 mm × 40 mm × 40 mm，成型好的試件放置于標準養護箱中，24 h 后拆模，置于標準養護室，達到3、7、28 d齡期時測試砂漿試件的抗壓、抗折強度。

2 試驗結果分析

2.1 改性前后玄武巖纖維微觀形貌

改性前后玄武巖纖維微觀形貌對比見圖1。

圖1 改性前后玄武巖纖維微觀形貌對比（放大1000倍）

從圖1（a）—圖1（d）可見，采用KH550 溶液改性前，玄武巖纖維表面光滑，隨KH550 溶液質量分數增加，玄武巖纖維表面附著物逐漸增多，纖維表面也逐漸變粗糙。

從圖1（e）—圖1（g）中可見，采用納米SiO2和KH550 復合液改性后，隨復合液中納米SiO2摻量增加，玄武巖纖維表面附著物逐漸增多。納米SiO2摻量為25%時玄武巖纖維表面附著大量顆粒物，大大增加了玄武巖纖維表面的粗糙度。

2.2 改性玄武巖纖維接枝率

改性玄武巖纖維接枝率見表2。

表2 改性玄武巖纖維接枝率%

由表2 可知：①采用KH550 溶液對玄武巖纖維進行表面改性時，隨KH550 溶液質量分數增大，玄武巖纖維接枝率逐漸增加；采用納米SiO2和KH550 復合液對玄武巖纖維表面改性時，隨納米SiO2摻量增加，玄武巖纖維的接枝率逐漸增加。這與改性玄武巖纖維表面電子顯微鏡觀察結果吻合，說明隨著KH550 溶液質量分數或納米SiO2摻量的增加，有更多的顆粒接枝到了玄武巖纖維表面。②采用KH550 溶液對玄武巖纖維表面改性時，當KH550溶液質量分數由2%增至5%時，纖維接枝率增幅并不大，故選擇2%KH550 溶液改性的玄武巖纖維進行砂漿力學性能分析。采用納米SiO2和KH550 復合液改性，KH550 溶液質量分數為2%，納米SiO2摻量由15%增至25%時，纖維接枝率增幅較大，故選擇2%KH550 + 25%納米SiO2溶液改性的玄武巖纖維進行砂漿力學性能分析。

2.3 玄武巖纖維耐腐蝕性能

改性前后玄武巖纖維質量損失率對比見表3。可知：改性后玄武巖纖維質量損失率均小于改性前。采用KH550 溶液改性時，隨KH550 溶液質量分數增加，玄武巖纖維的質量損失率逐漸降低；KH550 溶液質量分數一定，采用納米SiO2與KH550 復合液時，隨納米SiO2摻量增加，玄武巖纖維質量損失率逐漸降低。這說明不管是KH550 溶液的質量分數增加，還是納米SiO2摻量增加，均可以提高玄武巖纖維的耐腐蝕性能。原因是：①KH550 水解后會在玄武巖纖維表面形成一層連續薄膜，阻礙腐蝕介質的侵入，從而提高纖維的耐腐蝕性能；②KH550 溶液中的Si—O 鍵與腐蝕介質中的OH-發生反應，在一定程度上也可減少腐蝕介質與玄武巖纖維的接觸［17］，提高纖維的耐腐蝕性能。

表3 改性前后玄武巖纖維質量損失率對比%

2.4 摻玄武巖纖維砂漿力學性能

玄武巖纖維改性前后所制備的水泥砂漿力學性能對比見圖2。可知：①與摻改性前纖維制備的水泥砂漿相比，在3、7、28 d 齡期時，采用2%KH550 溶液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗壓強度分別提高1%、5%、2%，采用2% KH550 + 25%納米SiO2復合液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗壓強度分別提高4%、9%、4%。②與摻改性前纖維制備的水泥砂漿相比，3、7、28 d 齡期時，摻2%KH550 溶液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗折強度分別提高2%、3%、3%，摻2% KH550 + 25%納米SiO2復合液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗折強度分別提高4%、8%、10%。這說明摻改性玄武巖纖維后，水泥砂漿的抗壓、抗折強度均有一定程度提高。兩種改性溶液相比，采用2% KH550 + 25%納米SiO2復合液改性玄武巖纖維時水泥砂漿強度增幅較大。

圖2 玄武巖纖維改性前后所制備的水泥砂漿力學性能對比

KH550 是一個硅原子上含有兩種不同活性基團的硅烷偶聯劑。經KH550 溶液改性后的玄武巖纖維表面比較粗糙，一方面增加了與水泥砂漿的接觸面積，另一方面粗糙的表面也增大了與水泥砂漿的機械咬合力。此外，KH550 表面能較低，可均勻分布在玄武巖纖維表面，從而提高異種材料間的相容性［17］。

采用納米SiO2和KH550 復合液對玄武巖纖維表面改性后，玄武巖纖維表面粗糙度進一步增加，玄武巖纖維表面的Si—OH 基與納米SiO2會形成新的Si—O—Si 鍵［18］，從而增加玄武巖纖維表面的極性基團，增大玄武巖纖維與水泥基材料的化學鍵合力。因此，纖維與水泥基材料的黏結更緊密，從而提高了水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度。

3 結論

1）不論是采用KH550 溶液，還是采用納米SiO2和KH550 復合液對玄武巖纖維改性后，玄武巖纖維表面均附著顆粒物，表面變得粗糙。隨KH550 質量分數提高和納米SiO2摻量增大，附著的顆粒物逐漸增多，纖維接枝率逐漸增加，耐腐蝕性能逐漸提升。

2）對玄武巖纖維進行表面改性，增大了玄武巖纖維與水泥基材料的機械咬合力和化學鍵合力，因而摻改性玄武巖纖維后水泥砂漿抗壓強度和抗折強度均有所提高。