浅谈无机矿物纤维增强水泥砂浆的试验研究

・３９０・　学术论坛　浅谈无机矿物纤维增强水泥砂浆的试验研究　朱庭波　（漳州紫金建材有限公司，福建，漳州，３６３０００）　【摘要】本文首先阐述了碳酸钙晶须　和玄武岩纤维的特性。主要通过对碳酸钙晶　须进行试验，分析了碳酸钙晶须对水泥砂浆　物理力学性能的改善。　机非金属材料，且生产制备过程无环境污染，　工艺简单，有利于实现大规模工业化生产，　将其作为矿物微纤维对传统工程材料水泥进　行增强，有望克服传统纤维存在的诸多弊端，　【关键词】碳酸钙晶须；玄武岩纤维；　也是对水泥基材料增强增韧技术的全新探　水泥砂浆；试验；影响　索；而玄武岩纤维作为近些年发展起来的新　型环保纤维，具有一系列其他纤维无法比拟　１、引言　的优异性能，已经在混凝土领域进行了大量　目前，纤维增强水泥基复合材料，是指　研究与应用，而且玄武岩纤维生产原料来自　在水泥基材料基体中均匀分散一定掺量和特　天然的火山岩矿石，无有害的矿物成分，加　定性能的纤维，从而使水泥基材料的力学和　之生产工艺简洁，原材料利用率高，成本低　耐久性等综合性能得到有效改善。水泥基材　廉，为其在水泥基材料领域的更广泛应用创　料中掺入纤维是增强水泥基材料强度、韧性、　造了有利条件。　耐久性以及向高性能化方向发展的有效途　２．１碳酸钙晶须的基本物性　径，已在矿山、隧道、铁路、公路、工业与　作为一种重要且极为常见的无机矿物，　民用建筑、水利水电、防爆抗震和维修加固　碳酸钙有三种晶型，分别是方解石型、文石　等工程中迅速发展并广泛应用。本文将碳酸　型和球霹石型，其热力学稳定性逐渐降低。　钙晶须和玄武岩纤维引入水泥砂浆，通过试　在自然界中，方解石型碳酸钙晶须是热力学　验研究，首先考察了碳酸钙晶须对水泥砂浆　稳定相，常温常压下，以大理石和石灰石的　物理力学性能的改善，然后探讨了不同长度　形式存在；文石型是亚稳相，形貌特征呈针　和掺量玄武岩纤维对砂浆的增强增韧效果，　状，在自然界中常存在于海洋沉积物以及珍　进而研究了不同长度纤维混杂对砂浆力学性　珠层中；球霹石则是人工合成碳酸钙，性能　能的影响。在此基础上，将晶须掺入玄武岩　极其不稳定，呈球形，在自然界中没有天然　纤维水泥砂浆，考察晶须和纤维的复合增强　存在的球霹石。碳酸钙晶须属于文石型，由　效果。　于它结晶时高度有序的原子排列结构，几乎　２、碳酸钙晶须和玄武岩纤维的概述　不存在削弱其强度的如空洞、位错等结构缺　碳酸钙晶须和玄武岩纤维作为新型无机　陷，因而它所具有的机械强度接近于原子间　矿物纤维增强材料，在成分上均与水泥基材　的价键强度。　料具有天然的相容性，凭借优异的物理力学　碳酸钙晶须的化学式为ＣａＣｏ　，其相对　性能和低廉的生产成本以及良好的环保性迅　分子质量为１００，外观为蓬松状的白色粉末，　速成为材料研究领域的热点。碳酸钙晶须属　微观形貌呈针状或纤维状，由于碳酸钙晶须　于单晶体增强材料，尺寸极其微细，其生产　颗粒间具有良好的分散性，且长径比较高，　原料为来源广泛的碳酸钙，是十分常见的无　形貌类似于短纤维，是一种性能优异的增强　表１水泥的化学组成　增初材料，同时，晶须外观平滑完整且无明　显缺陷，具有良好的加工流动性，用其增强　后制品表面光洁度较高，加之碳酸钙晶须丰　富的原料来源及低廉的生产成木，因此开发　和应用前景十分广阔。　２．２玄武岩纤维增强水泥基复合材料　玄武岩纤维（ＢａｓａｌｔＦｉｂｅｒ）是近些年来研　发的一种新型增强材料，它是由单组分玄武　岩矿物原料在１４５０￣ｌ　５０（ｒＣ高温熔融后，利　用铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的一种连　续纤维。相比于沉积岩中的页岩、砂岩和变　质岩，由于玄武岩的杨氏模量更高，所以用　玄武岩制备的纤维具有抗拉强度和弹性模量　高、耐高温和耐腐蚀性能好等其它矿物纤维　无法比拟的优势。此外，玄武岩融化过程中　没有有害物质和工业垃圾排出，对环境无害，　是一种绿色、环保的无机非金属矿物纤维，　因而被称为２１世纪无污染的”绿色工业材料　和新型材料”。　由于玄武岩纤维具有优良的力学性能、　化学稳定性以及低廉的生产成本，自问世以　来，就有大量学者对玄武岩纤维增强复合材　料进行了研究，凭借其突出的性能优势，已　广泛用于宇航、化工、建筑等工程领域［６０１。　虽然用其增强水泥的研究起步较晚，但目前　仍是纤维增强水泥基材料领域的研究热点，　在未来有着广阔的发展和应用前景。　３、碳酸钙晶须试验方法　３．１主要原材料　（１）水泥　本试验所选用的水泥为Ｐ，０４２．５Ｒ普通　硅酸盐水泥，其化学组成如表１所示。　本试验所选用的砂为标准砂。　（３）碳酸钙晶须　本试验所选用的碳酸钙晶须由四川成都　蜀阳硼业化工有限公司生产，合成方法为碳　酸化法，外观为白色蓬松状粉末。　在碳酸钙晶须中化学成分中，ＣａＯ和　ＣＯ２占到总质量的９７％，故所选用碳酸钙晶　须的主要化学成分为ＣａＣＯ３，且具有较高纯　度。　碳酸钙晶须的微观形貌进行观测，文石型碳　定进行。主要操作步骤如下：　碳酸钙晶须呈针状结构，具有较高长径比，　①首先将跳桌台面、截锥圆模内壁、模　长度约为２０￣４０ｌａｍ之间，平均直径约为　套以及捣棒擦拭干净并充分润湿，再将试模　Ｏ．５～１．０１ｍａ，且表面光滑，分散性较好。　放在跳桌台而中心，然后用湿布将其覆盖；　（４）玄武岩纤维　②将拌合好的水泥砂浆分两次先后装入　本试验所用的短切玄武岩纤维为浙江金　截锥圆模内。第一层以试模高度的三分之二　石玄武岩纤维有限公司产品，外观呈古铜色。　为准，装好后用捣棒沿试模边缘向中心均匀　本试验选用３ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍ、２０ｍｍ四　插倒１５次；然后，将第二层砂浆快速装入，　种长度规格的短切玄武岩纤维。　直到高出试模顶端约２０ｍｍ为止，再用捣棒　利用扫描电子显微镜对玄武岩纤维的微　以同样的方式均匀插倒ｌ０次。在装模和插倒　利用ＸＲＤ．６０００型ｘ射线衍射仪对所用　观形貌进行观测，由观测结果可以看出，玄　过程中，要保持试模稳定，不要使其移动，　（２）砂　碳酸钙晶须进行晶型测试，判定晶型结构。　武岩纤维符合一般纤维材料的形貌特征，截　插倒后的砂柴应略高于试模顶端：　通过ｘ衍射图谱分析可知，碳酸钙晶须的主　面呈圆形，表面光滑，具有较高的长径比，　③将模套取下，把高出截锥圆模的多余　要晶型为文石相（ａ＝０．４９６２ｎｒ￣ｂ＝０．７９６８ｎｍ，ｃ　且直径尺寸分布较为均匀。　砂聚由中间向两边刮去，并清除落在桌面上　Ｏ．５７４３ｎｍ），故所选用晶须为文石型碳酸钙　３．２水泥砂浆物理性能测试方法　的砂浆；　晶须。同时，根据衍射峰强度可知，碳酸钙　（１）流动性　④沿竖直方向缓慢匀速提起试模。并立　晶须具有很高的纯度和结晶度。　水泥砂柴流动性试验根据标准ＧＢ／Ｔ　即开动跳桌进行测试，完成２５次跳动；　利用ＱＵＡＮＴＡ一４５０型扫描电子微镜对　２４１９—２００５《水泥胶砂流动度测定方法》的规　⑤跳桌测试结束后，测量砂柴底面上相　学术论坛　・３９１・　５％：２８ｄ龄期时，抗折　互垂直的两个直径，并计算平均位，作为该　中一个数值与平均值偏差大于２Ｏ％，应剔除　佳，提高幅度为２９．该数值；若其中有两个数值偏差超过２０％，　强度的提高幅度有所减小，当品须掺量为　配比水泥砂浆的流动度。　则该组测试结果无效。　１０％时，抗折强度提高７．２％，随着渗量的进　（２）干燥收缩测定方法　４、晶须对水泥砂浆物理性能的影响　步增加，增幅有所降低。　水泥砂浆干缩试验按ＪＧＪ／Ｔ７０—２００９《建　筑砂浆基本性能试验方法》的规定进行。本　（１）通过水泥砂聚流动度试验发现，随　（３）掺入晶须后的水泥砂浆试件的劈裂　实验所用仪器为立式砂浆收缩仪，精度为　着晶须掺量的增加，流动性呈现下降趋势，　抗拉强度也得到提高。当碳酸钙品须掺量为　Ｏ．０１ｍｍ。所采用试件尺寸为４０ｍｍ　Ｘ　４０ｍｍ　Ｘ　当晶须掺量小于１Ｏ％时，砂浆流动性无明显　１０％时，试件劈裂抗拉强度达到最大值　ｌ６０ｍｍ。　劣化现象，当掺量进一步增加时，流动性降　４．２４ＭＰａ，与纯水泥砂浆试件相比，提高幅　度为２６．２％，而晶须掺量继续增加后，劈裂　砂浆收缩试验的步骤如下：　低较为明显。　（２）水泥砂浆试件干缩值随着晶须掺量　抗拉强度有所下降，但幅度不大，仍明显高　①在成塑试件之前，首先将收缩头在试　模两端的孔洞位置中进行固定，并在试件两　的增加而增大。当晶须掺量分别为５％和１０％　于纯水泥砂浆试件。　端面各露出８￣ｌｍｍ；　时，对砂浆试件干缩无明显改善效果，２８ｄ　（４）碳酸钙晶须的掺入能够一定程度上　　②将拌合好的水泥砂浆装入试模中，经　以后干缩值与基准试件基本相同；随着晶须　改善砂浆的抗冲击性能。当品须掺量为１Ｏ％，一振动台振动密实后，成型试件带模在标准养　掺量的进一步增加，干缩值也随之增大，当　对冲击次数和吸收冲击能的提高幅度最大，　护条件（温度２０￣２。Ｃ，相对湿度９Ｏ％以上）　掺量为２０％￣４０％时，干缩值要显著高于基　但基体初裂后，继续祗抗冲击荷载的能力无　下养护７Ｄ后，然后拆模，并标注试件测试　准试件。　显明提高。从砂浆基体受冲击破坏形态上可　方向；　（３）通过压汞试验可知，水泥石的孔隙　以看出，纯水泥砂浆试件为典型的脆性破坏，　③将试件在温度２０￣２。Ｃ，相对湿度　率随着晶须掺量的增加而逐渐增大。当晶须　而碳酸钙晶须增强水泥砂浆试件的脆性降　（６０５：５）％的室内进行预置，４ｈ后即可按照标　掺量为２０％以内时，主要孔径分布无显著变　低，细小裂纹分支增多，切性和延性有所提　注的测试方向对其初始长度进行测定；　化，增加孔隙主要为５０ｎｍ以下的少害或无　高。　④完成初始长度测定后，再将砂浆试件　害孔，随着晶须掺量进一步增加，孔隙率增　６、结语　重新放回温度２０ａ：２。Ｃ，相对湿度（６０士５）％　大更为显著。当晶须掺量为１０％时，２００ｍｍ　对碳酸钙晶须增强水泥基材料的耐久性　的室内进行养护，在第７ｄ、１４ｄ、２１ｄ、２８ｄ、　以上的多害孔总数有所降低，且随着多　能还缺乏系统研究。由于碳酸钙晶须具有优　５６ｄ、９０ｄ分别测定试件长度；　害孔径的不断增大，降低趋势也越来越明显，　异的物理化学性质和机械性能，可以显著改　⑤砂浆干缩值按下面公式计算：　表明适宜掺量的晶须可在一定程度上对水泥　善水泥基材料的力学性能，因此，全面考察　石起到填充密实作用。　晶须增强水泥基复合材料（混凝土）的耐久　Ｓ　竺．　５、晶须对水泥砂浆力学性能的影响　性对完善整个研究体系具有重要意义。　￡一　（１）碳酸晶须能够提高水泥砂浆的３ｄ　参考文献：　其中，Ｓｔ为第ｔ天（７ｄ、１４ｄ．２ｌｄ、２８ｄ、　和２８ｄ抗压强度。当晶须掺量为５％、１０％、　［１］徐兆瑜．晶须的研究和应用新进展［Ｊ］．　５６ｄ．９０ｄ）时的试件干燥收缩值；Ｌ０为试件７ｄ　２０％时，３ｄ抗压强度分别增加了１９．２％、　化工技术与开发，２００７，（３４）．　后的长度，即初始长度（ｒａｍ）：Ｌ为试件的　１５．３％、１９．８％；２８ｄ时，相比于３ｄ的增强幅　［２］李武，靳治良，张志宏．无机晶须材料　长度１６０ｍｍ；Ｌａ为两个收缩头埋入砂浆试件　度有所降低，但各掺量下的抗压强度仍有提　的合成与应用［Ｊ］．化学进展，２００３，（１５）．　中的长度之和，即２０￣２ｍｍ．Ｌｔ为第ｔ天（７ｄ、　高，晶须掺量为１０％时，抗压强度最大提高　［３】崔小明．无机晶须的研究和应用进展　１４ｄ、２１ｄ、２８ｄ、５６ｄ、９０ｄ）时砂浆试件的实　幅度为１３．０％。　［Ｊ］．精细化料及　问体，２００７，（５）　．测长度（ｍｍ）。　（２）与抗压强度类似，掺入晶须的水泥　［４】贺云果，宋永才．碳酸钙品须的制备与　每组成型３个试件，取其测试值的算术　砂浆试件抗折强度均有了明显的提高，随着　应用研究进展［Ｊ］．材料导报，２００５，（１９）．　平均值作为该组砂浆的干燥收缩值，若当其　晶须掺量的增加，呈现先上升后下降的趋势。　３ｄ龄期时，在晶须掺量为１Ｏ％时增强效果最　（上接第３ｌ５页）　３）。　基坑支护工程、降排水工程、桩基工程、地　宽度１０００ｍｍ，其新旧混凝土交接面采用快易　下结构工程的相互影响，选择科学合理、技　收口网模板，底板高度中部留置３ｍｍ钢板止　术经济可行的地下室工程施工方案。　水带。　参考文献：　６．２－３混凝土的浇筑　『１］Ｇｍ０２—９８，广州地区建筑基坑支护技　６．２．３．１各区段混凝土最大浇筑量约为　术规定　２５００ｍ３，采用３台混凝土ＨＢＦ６０输送泵，约　『２］ＪＧＪ３．２００２，高层建筑混凝土结构技术　可在４８ｈ内完成浇筑。　规程　６．２－３．２采用‘‘一个坡度，斜面分层，层　『３］ＧＢ５０２０２．２００２，建筑地基基础工程施　层浇筑”的浇筑方法。　６．２．３－３根据泵送时形成的坡度，在坡度　６－３．２施工缝。施工缝处新、旧混凝土的　工质量验收规范　上、下层各布置一道振捣点。　结合力较差，是构件中的薄弱环节，宜留在　作者简介：　６．２．４混凝土的养护　结构受剪力较小且便于施工的部位，并在施　张福蕾，性别：女，出生年月：１９７２．７，籍　６．２．４．１采用一层塑料薄膜加两层麻袋　工前确定。　贯：吉林白山，单位：吉林正洋工程管理咨询有　片，淋水进行保温保湿养护。养护期间严格　６．３．２．１工程地下室除结构本身后浇带　限公司，研究方向：工程造价，职称：高级工程　控制混凝土内外温差＜２５℃；　外，不设垂直施工缝，各施工段混凝土施工　师，学历：本科。　董露桃，性别：女，出生年月：１９７３．８，籍　一６．２．４．２安排专人定时养护。　次完成。　６－３后浇带与施工缝　６－３．２．２地下室外墙与地下室底板施工　贯：吉林长春，单位：吉林正洋工程管理咨询有　６＿３．１后浇带。后浇带两侧模板采用快易　缝留在地下室底板以上５００ｍｍ处，接缝处加　限公司，研究方向：工程造价，职称：高级工程　收口网，底板后浇带下（混凝土垫层上）预　设３ｍｍ钢板止水带。　师，学历：本科。　留４００ｍｍｘ２００ｍｍ水沟（适当找坡）（见图表　７、结语　高层建筑地下室工程施工，需综合考虑