（材料学专业论文）水泥基复合材料增韧用水镁石纤维性能研究.pdf

摘要 水镁石纤维是一种安全的非石棉天然矿物纤维。经过前期的试验研究，水镁石纤 维加入水泥基复合材料中不但可以有效地提高其强度以及抗硫酸盐侵蚀性，同时还具 有其他增强纤维无法比拟的优越性。在实际应用中水镁石纤维由于生产时加工技术参 数和生产工艺条件的不同，使水镁石纤维具有不同的物理性能。水镁石纤维的物理性 能对其在水泥基复合材料中增强作用的发挥有很大的影响。因此，研究符合何种性能 的水镁石纤维适用于水泥基复合材料中，对推广水镁石纤维增强水泥基复合材料的工 业化大规模适用具有很重要的现实意义。 本文选取了1 8 种不同牌号的水镁石纤维，对其先后进行了水泥砂浆试验、长度测 试、湿容积测试、叩解度测试、混凝土试验以及水泥砂浆试块扫描电镜分析。通过水 泥砂浆试验研究表明，a 类水镁石纤维对水泥砂浆的增强作用明显优异于其它种类的 水镁石纤维。当a 类水镁石纤维掺量为水泥用量的4 时增强效果最为显著且施工工 艺性良好。通过长度测试发现较短的水镁石纤维平均增效果较为理想。进一步进行了 湿容积试验，得出湿容积值与强度之间存在着线性关系。水镁石纤维的湿容积值越大， 其水泥砂浆的强度也就越大。综合水镁石纤维的水泥砂浆试验、长度测试、湿容积测 试得到适用于增强水泥基复合材料的水镁石纤维性能标准为：1 4 m m 筛余质量分数介 于2 3 - - - - 3 5 之间，1 4 m m - - - o 4 m m 筛余质量分数3 0 ，同时湿容积数值1 9 0 m l 。 最后通过混凝土实验与扫描电镜分析进一步验证了上述结论的准确性与可靠性。另外， 本文还进行了水镁石纤维的叩解度试验，通过实验分析得出水镁石纤维的叩解度数值 并不能真实反映其对水泥基复合材料的增强效果。 关键词：水镁石纤维，水泥砂浆，强度，长度，湿容积，混凝土，性能指标 a b s t r a c t f i b e rb r u c i t ei sak i n do fn a t u r a lm i n e r a lf i b e rw h i c hi ss a f ea n dn o na s b e s t o s t h e e a r l yr e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ec e m e mm a t r i xc o m p o s i t e 、历t l lf i b e rb r u c i t en o to n l y h a v eh i g h e rs t r e n h t ha n ds u l f a t er e s i s t a n c e ，b u ta l s oh a v em o r ea d v a n t a g et h a no t h e rf i b e r i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , d i f f e r e n tp r o c e s s i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dp r o d u c t i o nt e c h n i q u e m a d et h ef i b e rb r u c i t eh a v ed i f f e r e n tp h y s i c a lp r o p e r t y 1 1 1 ep h y s i c a lp r o p e r t yo ff i b e r b r u c i t eh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h es r e n h t ho ft h ec e m e n tm a t r i xc o m p o s i t e s ot h er e s e a r c h t h a tf i n dw h i c hk i n do ff i b e rb r u c i t ei sa d a p tt ot h ec e m e n tm a t r i xc o m p o s i t e ，h a v ep r o f u n d m e a n i n gt ot h el a r g es c a l ei n d u s t r i a l i z e da p p l i c a t i o no ff i b e rb r u c i t ei nt h ec e m e n tm a t r i x c o m p o s i t e i nt h i sp a p e r , e i g h t e e nk i n d so ff i b e rb r u c i t eh a v eb e e nc h o o s e dt od os o m e e x p e r i m e n t ss u c ha s ，c e m e n tm o r t a re x p e r i m e n t ，l e n g t ht e s t ，w e t - v o l u m et e s t ，b e a t i n g d e g r e e ，c o n c r e t ee x p e r i m e n ta n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) n l er e s u l to fc e m e n t m o r t a re x p e r i m e n ts h o w e dt h a taf i b e rb r u c i t ec a ne v i d e n t l yi n c r e a s et h es t r e n h t ho ft h e c e m e mm a t r i xc o m p o s i t et h a no t h e rk i n d so ff i b e rb r u c i t e w h e nt h ed o s a g eo ff i b e r b r u c i t e t h ed o s a g eo fc e m e n ti s4 ，t h es t r e n h t ho fc e m e mm o r t a ri sh i g e s ta n dt h e e x e c u t i o no fw o r ki sb e t t e r b yt h el e n g t ht e s t ，w ef i n dt h a tt h es h o tf i b e rb r u c i t eh a v e b e t t e re f f e c to ni n c r e a s i n gt h es t r e n h t ho fc e m e n tm o r t a l t h ew e t - v o l u m eo ff i b e rb r u c i t e i sf u r t h e rt e s t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ew e t v o l u m eo ff i b e rb r u c i t ea n dt h es t r e n h t ho f c e m e n tm o r t a ri sl i n e rr e l a t i o n s h i p 1 1 l eb i g g e rw e t - v o l u m eo ff i b e rb r u c i t ei s ，t h eh i g h e r t h es t r e h t ho ft h ec e m e n tm a t r i xc o m p o s i t ei s n l ep e r f o r m a n c ei n d e xo ff i b e rb r u c i t e w h i c hi su s e di nt h ec e m e mm a t r i xc o m p o s i t ei sa c q u i r e db yt h ec e m e mm o r t a re x p e r i m e n t ， l e n g t ht e s ta n dw e t - v o l u m et e s t 1 1 1 ep e r f o r m a n c ei n d e xi st h a tt h em a s sf r a c t i o no fr e s i d u e o n1 4 r a ms i e v eb e t w e e n2 3 3 5 ，t h em a s sf r a c t i o no fr e s i d u eo n1 4 m m o 4 m ms i e v e 3 0 a n dt h ef i g u r eo fw e t - v o l u m et 19 0 m 1 a tl a s t ，t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f a b o v e - m e n t i o n e dc o n c l u s i o ni sv a l i d a t e db yt h ec o n c r e t ee x p e r i m e n ta n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) i na d d i t i o n , b e a t i n gd e g r e eo ff i b e rb r u c i t ei st e s t e di nt h i sp a p e r n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef i g u r eo fb e a t i n gd e g r e e ，f i n dt h a tt h eb e a t i n gd e g r e eo ff i b e rb r u c i t e c a nn o tt r u l yr e f l e c tt h es t r e n g t ho ft h ec e m e n tm a t r i xc o m p o s i t ew i t hf i b e rb r u c i t e k e y w o r d s ：f i b e rb r u c i t e ；c e m e n tm o r t a r ；s t r e n h t h ；l e n g t h ；w e t v o l u m e ；c o n c r e t e ； p e r f o r m a n c ei n d e x 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 纤维增强水泥基复合材料的应用现状 水泥基复合材料在建筑、道路、桥梁等方面应用广测1 1 。水泥砂浆与水泥混凝土 均是一种脆性材料。由于抗拉强度低、变形性能差、脆性大、抗冲击性差，一旦外载 超过设计的极限强度，混凝土就会出现断裂。特别是高强度的混凝土与高标号高性能 的混凝土，脆性就更大了【2 】。因此，改善水泥基复合材料的韧性和抗拉强度提高水泥 基复合材料的使用价值和耐久性，是水泥基复合材料的一个非常重要的研究方向。应 用不同方式将水泥基复合材料与某些抗碱性能强、力学性能优良的纤维材料复合制成 纤维增强水泥基复合材料是提高水泥基复合材料韧性的一个重要途径1 3 l 。研究应用各 类纤维作为水泥基体的增强材料已成为一个重要的研究方向。 混凝土是一种复合材料，混凝土在硬化形成强度的过程中，会因为体积的收缩从 而产生内部应力。当这些应力超过基体的抗拉强度时，就会在混凝土的内部引起微裂 缝。混凝土的破坏经常是从这些微裂缝开始的。在外力的作用影响下，微裂缝不断的 扩展开来，并且相互搭接与贯通，形成一个整体的裂缝网络最终使混凝土破坏。纤维 水泥基复合材料中由于纤维以单位体积内较大数量均匀分布于材料内部，纤维的加入 犹如在水泥基复合材料中掺入了数量巨大的微细筋。裂缝在发展过程中必然会遇到纤 维的阻挡，消耗了一部分能量，从而阻止裂缝扩展，起到了抗裂的作用，增强了混水 泥基复合材料的耐久性。同时，加入了纤维后提高了基体的变形能力，改善了其韧性 与抗冲击性，水泥基复合材料凝固后握裹水泥的高强纤维互相粘联成为致密的乱向分 布的网状增强系统，增强了水泥基复合材料的韧性与整体强度。当水泥基复合材料受 到冲击时，纤维吸收大量的能量，从而有效地减少了集中应力的作用效果。纤维还对 水泥基复合材料裂缝有搭接作用，对分离的水泥块之间有牵连作用。此外，当纤维从 水泥基体剥落时页要消耗摩擦功，这有助于提高水泥基复合材料的耐磨性【4 ，5 ，6 , , 7 t8 9 j 。 目前国内外在建筑工程中常用的纤维水泥基复合材料有：碳纤维混凝土，合成有 机纤维混凝土，钢纤维混凝土以及玻璃纤维混凝土。但是，以水镁石纤维作为水泥基 复合材料的增强材料，目前的研究和应用还不多。 第一章绪论 1 1 1 碳纤维增强水泥基复合材料 碳纤维是将含有碳的有机纤维，在惰性气氛中，经预氧化和高温碳化等多道工序， 使其具有石墨状的结构，正是这一特殊结构使碳纤维获得了特殊的高性能。按照原料 的不同，可将碳纤维分为两大类型：一类以聚丙烯腈纤维为原料，称为聚丙烯腈基础碳 纤维；另一类是以沥青为原料，称为沥青基碳纤维【l o l 。其中聚丙烯腈基碳纤维性能优 越，但价格贵，限制了其大范围的使用。沥青基碳纤维性能比聚丙烯腈基碳纤维稍差， 但价格仅为聚丙烯腈基碳纤维的1 l o t l l 】，用来增强水泥基复合材料较好，并已形成工 业化生产。 碳纤维增强水泥基复合材料指的是短纤维或长纤维增强的水泥基复合材料，它主 要用作高层建筑的外墙墙板。碳纤维增强水泥基复合材料具有普通增强型水泥基复合 材料所不具备的优良耐自然温差性能、机械性能、防水渗透性能；在强碱环境下具有 非常稳定的化学性能、持久的机械强度以及尺寸的稳定性。用碳纤维来取代钢筋，可 消解钢筋混凝土的盐水降解以及劣化作用；使得建筑构件结构减轻安装施工方便，缩 短了建筑工期。碳纤维混凝土比普通混凝土抗压强度提高1 2 1 5 倍。 由于碳纤维生产成本较高，应用在我国受到了很大的限制【1 2 1 。最近几年开发的沥 青基短碳纤维已使它们的价格大为下降，但是与其它聚合物纤维比较，其价格仍然很 高。碳纤维各方面性能都比较优异，却由于易受损以及高比表面积而给均匀混合与操 作造成了相当大的困难，这些都还没有找到圆满的解决办法。 1 1 2 聚丙烯纤维增强水泥基复合材料 聚丙烯原材料是从单体c 3 h 6 获得的，是一种高分子碳氢化合物。它的化学稳定性 较好，和大多数化学物质一般不发生作用；表面疏水性，不会被水泥浆浸湿；聚丙烯 纤维在水泥基复合材料的碱性环境下很稳定，有较高的熔点，表面憎水，1 0 0 的湿强 保持率，价格低，质量轻，加工性能优良【1 3 1 。 将聚丙烯纤维加入水泥基复合材料中，由于纤维细微并且比表面积大，纤维能在 水泥基复合材料内部构成一种均匀的乱向支撑体系，从而阻挡微裂缝扩展 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】。 因此，聚丙烯纤维是通过消除或减少原生裂隙的数量和尺度来改善混凝土的品质，从 而实现对混凝土使用性能的改善，通过减少混凝土的泌水，使表面混凝土的质量得以 改善，从而使混凝土的耐磨性能得以提高，以及阻裂效应能显著改善混凝土的抗渗漏性 2 长安大学硕士学位论文 能等【1 3 】。 聚丙烯纤维的缺点是耐火性差、对氧气和阳光敏感。易燃性，导致混凝土的耐火 性降低；对单丝聚丙烯纤维而言，纤维与基体间的粘结差，使拔出强度较低【1 8 1 9 , 2 们。 聚丙烯纤维的弹性模量低( 约为混凝土的1 l o ) 、具有一定的增稠作用和弱界面效应， 都是对混凝土强度不利的因烈1 5 】。聚丙烯纤维虽能阻止早期混凝土发生塑性开裂，但 对硬化混凝土并没有增强作用。聚丙烯纤维对水泥基复合材料的其他耐久性指标，诸 如抗渗透性、抗冻、抗盐冻性、抗化学侵蚀性等也无不利的影响，但改善程度有待进 一步研究。 1 1 3 钢纤维增强水泥基复合材料 钢纤维水泥基复合材料是以较细骨料水泥基复合材料为基体，均匀掺入短而细的 钢纤维而形成的复合材料。因为钢纤维在水泥基复合材料中是乱向分布的，水泥基复 合材料受荷载作用后，纤维能够阻止并且延续混凝土中裂缝的失稳扩展。因其具有较 高的阻裂效应，而使原先的脆性水泥基复合材料变为具有良好变形特性的弹塑性水泥 基复合材料【2 1 1 。钢纤维水泥基复合材料具有良好的卓越的抗疲劳能力以及抗变形能 力，这对于结构抗震以及抗疲劳时十分有利的，并且能够承受较大的动荷载作用。 钢纤维水泥基复合材料有很多优势，同时也存在着很多缺点。钢纤维性能优良， 但因其应用环境有限、使用成本高、易腐蚀，它没有消除水泥基复合材料固有的抗拉 强度低、韧性差的弱点，操作上也麻烦。因此，关于钢纤维的改性和钢纤维水泥基复 合材料的工艺改进，是材料界和建筑界的一个很受关注的难题 2 1 , 2 2 】。 1 1 4 玻璃纤维增强水泥基复合材料 用玻璃纤维来增强水泥基复合材料是开发应用较早的一种纤维增强水泥基复合材 料方法。玻璃纤维有玻璃丝和玻璃棉两种，但是只有纺织玻璃纤维才可用于水泥基复 合材料中。在玻璃纤维增强水泥基复合材料中，玻璃纤维的作用是当基材受到的应力 超过了极限应变时，能够以尽量可能小的间距产生大量的微小裂缝，从而使得水泥基 材的抗冲击强度与抗弯拉强度可以得到较为明显改善。试验结果表明，少量的短切玻 璃纤维就能够控制裂缝并提高基材的抗冲击强度。纤维掺量超过临界值含量值以上， 就能从本质上提高水泥基材的抗拉强度、极限应变以及抗弯拉强度1 。 玻璃纤维增强水泥基复合材料的缺点是：由于硅酸盐水泥水化时产生大量 第一章绪论 c a ( o h ) 2 使水泥基复合材料呈现碱性环境，玻璃纤维常常因被碱腐蚀而脆化，使混凝 土的韧性、耐久性、抗弯强度急剧下降。虽然现在使用抗碱玻璃纤维代替普通玻璃纤 维，但这种情况并没有得到完全改善。因此，玻璃纤维用于水泥基复合材料方面还是 有很大的局限性】。 1 2 水镁石纤维增强水泥基复合材料 水镁石纤维是一种天然矿物纤维。经过前期试验研究，已经证实水镁石纤维经过 减水剂的分散处理加入水泥基复合材料中，可以非常有效的提高水泥基复合材料的抗 折、抗压强度以及抗硫酸盐侵蚀性，尤其是抗折强度。 1 2 1 水镁石纤维简介 1 、水镁石纤维概述 水镁石纤维又称纤维水镁石，英文名称是f i b e rb r u c i t e ， 匆蒸。 简称为f b ，是一种非石棉矿物，属于新型廉价的非金属纤维 絮 。薯_ 二8 东妒 矿产资源。水镁石纤维外观灰白或洁白，当混有少量f e ，z n ，“豫气：磊警参 + ja ，糍， - 蛾。 n i ， m n 等元素时会使水镁石矿物呈灰白，浅棕，淡绿色。氢= 赫母露 水镁石纤维的手感极其光滑，自然产出的长度一般情况 图1 1 水镁石纤维光学 下为2 0 - - 5 0 c m ，最长的可达到18 0 c m ，是自然界产出的显微镜照片 最长的矿物纤维之一1 2 4 ，2 5 1 。纤维水镁石具有良好的劈分性，亲水性和水分散性，其抗 拉强度可以达到9 0 0 m p a 左右，属于中等强度纤维。纤维水镁石是被验证安全的、没 有致病性的天然矿物纤维【2 6 】。图1 1 为水镁石纤维在光学显微镜下的照片。 2 、水镁石纤维的微观结构 2 6 1 水镁石的晶体结构为理想的八面体，属于三方晶系，水镁石的氢氧根近似作六方 紧密堆积，阳离子镁离子充填在堆积层相隔一层的八面体空隙中间，每个镁离子被六 个氢氧根所包围，每个氢氧根一侧有3 个镁离子，【m g ( o h ) 6 a 面体平行( 0 0 0 1 ) 以共棱 的方式连接成层，层与层间以很弱的氢氧键相联系，形成了层状结构。在自然界成矿 过程中，因为结构畸变，矿物便沿层的一个方向( a 轴) 较容易生长，从而形成纤维。 水镁石纤维的长轴平行于a 轴，具体结构参见图1 2 。 4 长安大学硕士学位论文 o 蜥( - ) “ 图1 2 水镁石的晶体结构 水镁石含有结构水，其热失重集中在4 0 0 5 0 0 c 之间。水镁石中含有的m g o 较 高，杂质较少，燃烧后可以得到化学活性较高的m g o 。 3 、水镁石纤维的化学成分 水镁石纤维的化学式为m g ( o h ) 2 其理论化学成分为m g o 占6 9 1 ，h 2 0 占3 0 9 。 实际当中除了m g ( o h ) 2 以外，还有少量杂质。其主要成分见表1 11 2 5 l 。 表1 1 水镁石纤维的化学成分嘲 组分 s i 0 2 m g o a 1 2 0 3f e 2 0 3 f e oc a o h 2 0 -h 2 0 + 含量 l 36 1 - - - 6 50 2 - - - 0 3o 6 1 92 - 6o 1 o 2o 0 82 8 0 2 取陕南大安水镁石纤维样品经过研磨处理后进行x 射线衍射分析，实验中采用 c u 靶，n i 滤玻片，采样步宽是0 0 1 d e g ，连续扫描，扫描速度是4 d e g m m i n ，获得x 射线衍射图。如图1 3 【2 5 1 。 s “p l en m ：t n l g i r i dc u k - il 5 4 0 舅i a f n i t e t - ：n j v o l c 岍= 3 6 - c 、r 2 0 口“ s u 协t d s1 r so 1 6 s si s m 卅掣d 4t l k g t n i l a 9 k 州矗h ：0 1d e g r e 】p 醴吐蚺# lt i m e ( ) i f f i l ei m e l 嵋一o lr w c i x z l t o r ：1 w 田k 啪l dd 咖t o $ 3 0 o o c 抽m - i t ： 图1 3 水镁石纤维x 衍射图 4 、水镁石纤维物化性质 水镁石纤维属于中等强度纤维，电阻率与介电常数较大，磁性较小，绝热性能优 5 蓉911重口i 第一章绪论 良。其具体物理性质参见表1 2 。 表1 2 水镁石纤维的物化性质 抗拉强度弹性模量显微硬度密度 9 5 x 9 8 l 1 0 6 p a1 5 2 0 x 9 8 x 1 0 6 p a7 0 - - - 2 4 0 2 4 4 - - - 2 4 8 9 c m 3 耐热区间热容热解焓导热系数热膨胀系数 4 5 0 - 4 8 0 1 2 6 j g 19 6 k j m o l0 1 3 1 w m k5 7 8 8 x 1 0 7 m 磁化系数电阻率介电常数白度折射率 1 1 5 - - - 1 5 5 c m 3 g 3 x 1 0 6 - 一6 1 x 1 0 6 q m4 7 7 27 3 5 n o = 1 5 7 1 5 7 7 n o = 1 5 5 2 1 5 5 6 在自然界的无机纤维中，水镁石纤维在强酸中的稳定性最差，是自然无机纤维中 酸蚀量最大的，几乎全部溶解，酸蚀量达到9 9 8 7 。水镁石纤维在强碱中稳定性很好， 几乎不溶，抗碱性最强，碱蚀量为0 5l ；水镁石纤维具有一定的抗水性能，微溶于 水，通过表面改性可以提高其抗水性，在干燥环境下耐侯性好。 水镁石纤维束比表面积远低于温石棉，也低于角闪石石棉，机械分散性能好；水 镁石纤维的表面电动电位为正，最外层包裹的一层o h 具有极性，在水中表现为亲水 性。 5 、水镁石纤维的工业应用 水镁石纤维主要应用在以下工业领域： ( 1 ) 提取m g 和m g o 原料：以水镁石提取m g 和m g o ，水镁石矿石中的m g o 含量高，杂质少，分解温度低，加热时产生的挥发成分无毒无害，因而可从水镁石中 提取m g 和m g o 等产品f 2 7 ，2 引。 ( 2 ) 制造镁质耐火材料：水镁石是制取高镁耐火材料用原料 2 s 1 。由水镁石制得 的重烧镁砂具有高密度( 3 5 5g c m 3 ) 、高耐火度q 2 8 0 0 c ) 、高化学惰性和高热震稳 定性等优点。 ( 3 ) 补强材料：纤维水镁石可在某些领域用作温石棉的代用品，可以用于微孔硅 酸钙、硅钙板等中档保温材料中，水镁石纤维含量为8 1 0 。加入水镁石纤维的保温 材料产品白度高，外观美观，容重低【2 9 t3 0 1 。水镁石纤维也可用于水泥基复合材料中， 根据长安大学材料学院刘开平教授的研究结果，水镁石纤维作为增强材料，可以较为 明显的改善水泥基复合材料的各项力学性甜3 9 1 。 6 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 阻燃剂：以聚丙烯为基体制作阻燃剂的试验表明，纤维水镁石具有较好的阻 燃效果，是理想的无毒、无烟、无污染、高温型阻燃剂。同时又可起到填料的增强效 果。水镁石经过超细粉碎并作表面处理制取无机卤阻燃剂是近几年备受关注的热点课 题【3 1 3 2 t3 3 1 。 ( 5 ) 造纸填料：水镁石白度高，剥片性好，粘着力强，吸水性较差。将其与方解 石配合用作造纸填料，可使造纸工艺由酸法改为碱法，并减小浆水的污染畔3 5 6 1 。 ( 6 ) 其它：水镁石纤维还有着许多尚待开发的领域，例如可做纺织品、轻质保温 材料等。水镁石纤维在环保领域也有着广泛的应用【3 7 ，3 8 1 。 1 2 2 水镁石纤维增强水泥基复合材料的优越性 1 、水镁石纤维的物理性能 纤维水镁石具有良好的水分散性、劈分性、以及亲水性。同时，抗弯拉强度较高。 因此，纤维水镁石应用于水泥基复合材料后，能够提高水泥基复合材料的强度。纤维 水镁石在水泥基复合材料中的用量可以明显地高于聚丙烯纤维的用量。因此，就可以 更加充分地发挥纤维的增强作用。 2 、水镁石纤维与水泥基复合材料的相容性 一 纤维水镁石是在碱性介质条件下形成的矿物纤维，属于组分较为简单的碱性矿物， 具有良好的抗碱性能。纤维水镁石在强碱中稳定性极好，碱失量仅仅为2 左右，远 远强于抗碱玻璃纤维。因此，水镁石纤维与硅酸盐水泥具有非常好的结合强度以及相 容性【2 9 1 。纤维水镁石应用于水泥基复合材料中，与水泥中得的氧化镁的存在方式不同。 水泥中氧化镁在水泥水化的过程中形成氢氧化镁，从而发生了体积膨胀，因而经常引 起水泥硬化体的破坏。而纤维水镁石是一种在自然界经过漫长的地质作用形成的矿物， 具有稳定的成分氢氧化镁和结构。因此，纤维水镁石应用于水泥基复合材料中不会对 水泥基复合材料的安定性造成破坏。 3 、水镁石纤维水泥基复合材料成本较低【冽 表1 3 是常用增强纤维在混凝土中的造价对比表。 7 第一章绪论 表1 3 常用增强纤维在混凝土中的价格比较表 纤维名称 规格单价，元吨用量，k g m 3造价，元m 3 备注 钢纤维扭曲4 2 0 05 0 9 02 9 4用量取中值 钢纤维平直3 5 0 05 0 9 0 2 4 7 用量取中值 钢纤维片状 3 6 0 0 - 4 0 0 0 5 0 9 0 3 7 4 用量单价均取中值 钢纤维针状5 2 0 0 5 5 0 0 5 0 9 02 7 0 用量单价均取中值 聚丙烯网 8 6 0 0 01 21 3 7 8 用量取中值 聚丙烯 缝 4 6 0 0 01 28 6 用量取中值 。 玻璃纤维 普通 4 3 5 04 0 5 01 8 3 5用量取中值 玻璃纤维低锆耐碱 1 5 0 0 04 0 5 0 6 9 5 用量取中值 玻璃纤维高锆耐碱1 9 5 0 04 0 5 0 7 7 0 用量取中值 水镁石a 类 2 0 0 6 0 05 05 5 按照最高价格，用量翻倍 附注：表中产品的单价均为江苏某钢纤维公司网上的资料；西安某建材公司网上资料；河南 某纤维生产公司资料；陕西某矿业公司资料。 从表1 3 可知，常用的增强纤维中纤维水镁石的单价是最低的。依据材料用量计 算混凝土增加的价格中，纤维水镁石尽管是在采用最高价格的情况下，成本也是里面 几种常用纤维中最低的。 4 、水镁石纤维矿产资源丰富 水镁石纤维是一种独特的新型工业矿物，是取代石棉的最为理想与廉价的天然矿 物纤维。 天然的水镁石矿床主要集中在中国、俄罗斯、加拿大、美国等少数几个国家。水 镁石纤维矿是我国的一个得天独厚的优势矿产资源 4 0 1 。近年来，我国相继在陕西宁强、 青海祁连山、四川石棉、河南西峡、辽宁风城、吉林集安、宽甸等地，发现了水镁石 矿床。使我国的水镁石矿床储量成为世界第一，国内的水镁石矿床中以纤维水镁石矿 床的质量较高，所以纤维水镁石矿床的利用开发潜力很大。其中陕西水镁石纤维矿床 是世界上唯一具有工业价值的特大型矿床，其储量约为7 0 0 多万吨。水镁石纤维增强 水泥基复合材料是我国的一种特色材料，同时也是优势资源合理化利用的一种非常重 要的途径。 5 、水镁石纤维的安全性 8 长安大学硕士学位论文 纤维水镁石是一种天然的纤维材料，从表面上看，纤维水镁石形貌类似于石棉， 曾经一直被误认为是石棉而受到冷落，近几年来这种错误的认识才得以改正与澄清。 纤维水镁石无论是从化学构成、晶体结构、还是化学性质等方面均与石棉有着本质的 不同。水镁石纤维是氢氧化物矿物，石棉为硅酸盐矿物，两者在化学性能上以及纤维 结构特征上存在着显著的不同。经过人群流行病调查、动物试验、矿物的溶解性试验、 水镁石矿物作用、体外细胞以及生物耐久性试验等系统的研究，已经充分证明了纤维 水镁石是对人体无害的纤维状矿物【4 1 t4 2 1 。因此无论从材料物性、经济性、还是安全性 上看，是取代短切玻璃纤维、石棉纤维等最理想的工业纤维。 6 、施工工艺性良好 因为用于水泥基复合材料中的水镁石纤维主要是以短纤维为主体的，在应用于水 泥基复合材料中较为容易的分散均匀，在搅拌的过程中可以避免其它增强纤维在应用 过程中出现的缠结、打团等问题，也不存在钢纤维水泥基复合材料在施工及应用中对 设备的磨损问题。 1 3 本文的研究目的及意义 水镁石纤维是我国得天独厚的新工业矿产优势资源。水镁石纤维具有良好的劈分 性、水分散性、抗拉强度以及与水泥有良好的相容性。因此，将水镁石纤维加入水泥 基复合材料中，能代替传统的水泥基复合材料增强材料，并具有良好的机械性能以及 经济效益。 然而在实际应用中水镁石纤维由于生产时的加工技术参数和生产工艺条件的不 同，水镁石纤维具有不同的牌号，不同牌号的水镁石纤维具有不同的物理性能。即使 是同一牌号，不同批次及不同加工条件下得到的水镁石纤维物理性能也不全相同。水 镁石纤维的物理性能对其在水泥基复合材料中增强作用的发挥有很大影响，特别是纤 维的长度分布、纤维束松解程度、纤维中含尘量等物理性能的影响。因此，研究符合 何种指标的水镁石纤维适用于水泥基复合材料中，对推广水镁石纤维增强水泥基复合 材料的工业化大规模适用具有很重要的现实意义。 本文的主要研究目的就是通过对各种类型的水镁石纤维的主要物理指标进行研 究，以及对照其对水泥砂浆的增强效果，并且在混凝土中加以验证，寻找出最适合用 于水泥基复合材料中的水镁石纤维类型并制定出其物理性能指标。 9 第一章绪论 1 4 本文的主要工作内容 结合与西部交通建设科技项目水镁石纤维增强道路水泥混凝土路面工程技术研 究与交通部应用基础研究项目水镁石纤维在道路水泥混凝土中的应用研究确定 本文的主要工作内容有： 1 对各种类型牌号的水镁石纤维进行水泥砂浆试验，主要研究其水泥砂浆的抗折 强度、抗压强度以及流动度。确定出适合用于水泥基复合材料的水镁石纤维类型以及 用量。 2 对各类型牌号的水镁石纤维进行长度的检测，经过多次反复试验的测量确定出 各类型牌号水镁石纤维的长度分布。对照其强度数据制定出适合于水泥基复合材料的 水镁石纤维的长度指标。 3 对符合长度指标的水镁石纤维类型牌号进行湿容积的测试，经过多次反复试验 的测量确定出各种类型的水镁石短纤维的湿容积数值，并与其强度数据进行对照，制 定出适合用于水泥复合材料的水镁石纤维的湿容积指标。 4 对各类型牌号的水镁石纤维进行叩解度的测试，检测水镁石纤维的分散程度。 并对叩解度指标进行可行性分析。 5 对各试样进行扫描电镜分析，结合扫描电镜图片进一步证实长度指标以及湿容 积指标的准确性。 6 进行混凝土试验，进一步证实长度指标以及湿容积指标在水镁石纤维混凝土中 应用的可靠性与准确性，最终确定适用于水泥基复合材料的水镁石纤维性能指标。 7 针对试验中的问题以及结合目前的研究现状，对以后的研究方向及重点提出了 建议。 l o 长安大学硕士学位论文 第二章水镁石纤维砂浆试验研究 2 1 试验原材料和仪器 2 1 1 试验原材料及其性质 本试验所用的原料有水泥、中粗河砂、水镁石纤维、萘系高效减水剂、水。 l 、胶凝材料一水泥 本试验进行强度测试用的水泥，宣选用普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥，并应符合 标准g b1 7 5 1 9 9 9 的规定。须为新鲜、干燥、未被污染或积压成块的水泥。本试验所 选用的是秦岭水泥厂生产的4 2 5 r 普通硅酸盐水泥，其基本性能见表2 1 。 表2 1 水泥技术性能指标 生产厂家秦岭水泥厂 水泥品种出厂编号出厂日期、批号代表批量取样地点 p 0 4 2 5 r4 n 3 6 62 0 0 9 4 51 0 0 0 吨秦岭水泥厂 养护条件温度2 0 - m o c 湿度1 0 0 使用标准 g b1 7 5 1 9 9 9 标准法维卡仪，负压筛，水泥胶砂搅拌机，水泥胶砂振动台，水泥净浆搅拌机， 主要检测仪器 全自动压力机，标养箱，电动抗折机 检验结果 项目国家标准要求实测值 物 细度 _ 4 5 r a i n 4 5 m i n 1 2 5 m i n 时间 _ 6 0 0 m i n_ 4 2 54 8 7 结论所检指标符合g b l 7 5 1 9 9 9 标准 2 、增强材料一水镁石纤维 本实验所选用的水镁石纤维是产自陕西大安的不同类型牌号的水镁石纤维。纤维 l l 第二章水镁石纤维砂浆试验研究 的主要化学成分见表2 2 。纤维的主要物理性能指标见表2 3 。纤维的显微照片见图2 1 。 表2 2 水镁石纤维的化学成分陆踟 组分 s i 0 2 m g o a 1 2 0 3f e 2 0 3 f e oc a o h 2 0 。h 2 0 + 含量1 36 1 - 6 50 2 0 30 6 1 92 - - - 6o 1 - 0 20 0 82 8 0 2 表2 3 纤维的主要物理性能指标乜2 1 抗拉强度( m p a )弹性模量( g p a ) 砂粒量丰，备注 9 0 21 3 81 5 图2 1 水镁石纤维照片( x 2 3 ) 3 、细集料一中粗河砂 本实验所用的砂子粒径为1 1 8 n u n - - - 2 3 6 m m 。泥含量 3 5 ，对水泥砂浆的2 8 d 抗折、抗压强度增强效果并不显著。即纤维过长对水泥砂浆的增强效果并不显著，甚 至会没有增强作用。这主要是由于水镁石纤维过长，容易在制作过程中缠结、打结， 造成在进行分散工艺时，长纤维难以搅拌和分散。最终很难将长纤维束劈分到纳米级 别的单根纤维，如图4 3 ( a ) 在扫描电镜下观察长纤维是以一整束的形态存在于水泥 砂浆中。同时由于长的纤维在水泥砂浆中无法以纳米级的单根纤维均匀分布于水泥砂 浆中，形成网状分布，很难阻止水泥砂浆中微裂纹的成长，因此自然也无法起到增强 作用，如图4 3 ( b ) 所示。 图4 3 长水镁石纤i g ：t g 泥砂浆s e l l 照片( 日本电子公司产j s m - e 4 6 0 l v 测) 本章小节 1 、水镁石纤维进行长度质量分布检测，由于干法检测方法较湿法更容易操作且更 长安大学硕士学位论文 加经济。因此，本次试验选用干法对水镁石纤维进行长度检测。 2 、通过试验得出，水镁石纤维在进行长度检测时，最佳的筛分时间为6 r a i n 。 3 、水镁石纤维中长于1 4 m m 的纤维含量过多，会影响水镁石纤维对水泥砂浆的 增强效果，因此，水镁石纤维中1 4 i 1 1 筛余质量分数在2 3 - - - - 3 5 之间，同时1 4 m m - 4 ) 4 m m 的筛余质量分数应不小于3 0 。 3 7 长安大学硕士学位论文 第五章水镁石短纤维湿容积对水泥砂浆强度的影响 5 1 研究的意义 由第四章得出结论1 4 m m 长纤维的质量分布2 3 0 0 , , - 3 5 的水镁石短纤维在水泥砂 浆中的增强效果较长水镁石纤维显著。为了更加准确、细致的辨别何种水镁石短纤维 适合用于水泥基复合材料中，制定了本章节的主要研究内容为讨论水镁石短纤维 ( 1 4 m m 长纤维质量分布2 3 3 5 ) 的何种性能指标与其水泥砂浆的强度有关联。 湿容积是检测矿物纤维物理性能的指标之一【4 3 】。它是测定在一定时间内，矿物纤 维浸没于水中所占据的体积。湿容积数值的大小可以综合直观的表达矿物纤维自身的 松解程度及含尘量。 矿物纤维的湿容积大表示纤维的松解程度高并且含尘量小。纤维解离程度愈大， 在纤维在水中下降的速度就愈慢。因此，在一定时间内松解度大的纤维在水中的体积 就大。同时，在相同质量下松解度大的矿物纤维，本身所占据的体积就大，所以湿容 积数值也就较大。由于粉尘的比重大于矿物纤维的比重，粉尘的下降速度大于纤维的 下降速度，因此含尘量大的矿物纤维占据的体积小，在一定时间内相应的湿容积也就 相应的小。纤维水镁石的松散程度与含尘量与水泥基材料的强度息息相关。因此，矿 物纤维的湿容积数值应该也与增强水泥基材料强度效果有关。 本章就是主要研究矿物纤维的湿容积与水泥基材料强度之间的关系。这一研究有 利于通过应用湿容积的简单检测方法来判断水镁石纤维对水泥基复合材料的增强效 果。 5 2 试验 5 2 1 试验仪器 玻璃具塞量筒，从内底到1 0 0 0 m l 刻度处的高度为3 0 0 m m ! ：。 ，霉+ 氮 4 m m 。详细规格为：容积1 0 0 0 m l ，刻度l o m l ，内径5 0 m m ，壁厚 、 4 m m ，全高3 9 8 _ 2 r a m 。量筒口有外卷的加强缘，无出料嘴。 图5 1 试验用量筒 图5 1 为试验用量筒照片。 电子称，漏斗等。 3 9 第五章水镁石短纤维湿容积对水泥砂浆强度的影响 5 2 2 检测方法 将试验用水镁石纤维样品称取2 0 9 加入量筒中，加水至1 0 0 0 毫升刻度处加塞密封。 在3 0 秒内先匀速顺时针翻转量筒三十次，再在3 0 秒内匀速逆时针翻转量筒三十次。 将量筒静止1 0 分钟，再将翻转周期重复一次。将量筒小心放置在平台上。4 小时后记 录悬浮在水中纤维的体积，单位为毫升。如果两个试验的湿容积之差不超过5 ，则 试验结果可用。取两次可用的试验结果的平均值，作为湿容积试验结果。若超过最大 允许偏差5 ，用新试样重新进行试验。 5 3 试验安排及测试结果 5 3 1 试验安排 分别测试6 个编号水镁石纤维的湿容积，研究水泥砂浆强度与水镁石纤维湿容积 的关系。试验方案及试验数据如表5 1 。 5 3 2 试验结果 表5 1 试验方案及试验数据 试验序号水镁石纤维类型湿容积( m 1 ) la1 9 0 2 b 1 6 0 3c1 5 0 4d1 2 0 5e1 0 0 6f9 0 将水镁石短纤维的湿容积数值与其抗折、抗压强度进行对比研究。表5 2 是水镁 石短纤维湿容积与其抗折、抗压强度的对照表。 长安大学硕士学位论文 表5 2 水镁石短纤维湿容积与其抗折、抗压强度的对照表 试验 纤维种类 抗折强度( m p a )抗压强度( m p a ) 湿容积 号 7 d2 8 d7 d2 8 d ( m 1 ) la 类纤维 9 01 0 54 6 45 8 11 9 0 2 b 类纤维 8 89 94 3 65 6 51 6 0 3 c 类纤维 8 89 84 3 65 6 31 5 0 4 d 类纤维 8 39 23 8 55 2 71 2 0 5 e 类纤维 8 09 o4 1 o5 3 51 0 0 6f 类纤维 8 0 8 93 5 35 2 49 0 5 4 试验结果分析与讨论 5 4 1 纤维湿容积与水泥砂浆抗折强度的关系 图5 2 为水镁石纤维湿容积与其水泥砂浆抗折强度关系图。 山 篁 i 型 慧 辖 辐 1 1 1 0 9 8 7 5 07 09 01 1 01 3 01 5 01 7 01 9 0 2 1 0 湿容积，m l 图5 2 纤维湿容积与其水泥砂浆抗折强度关系图 由图5 2 可以看出，纤维水镁石水泥砂浆的7 天抗折强度与2 8 天抗折强度均与纤 维水镁石的湿容积数值有一定的关联。湿容积数值越大的纤维水镁石其相对应的水泥 砂浆抗折强度数值就高。从图中看出，湿容积最大的a 类纤维水镁石其水泥砂浆的抗 折强度提高幅度最大。从表5 2 可知，与对比样比较，7 天抗折强度相对提高了1 5 4 ， 2 8 天抗折强度提高了1 9 3 。 5 4 2 纤维湿容积与水泥砂浆抗压强度的关系 图5 3 为纤维湿容积与纤维水泥砂浆7 天与2 8 天龄期抗压强度的关系图。 4 1 第五章水镁石短纤维湿容积对水泥砂浆强度的影响 母 厶 i 倒 疆 幽 蝎 图5 3 纤维湿容积与其砂浆抗压强度的关系图 由图中可以看出，纤维水镁石的湿容积与其水泥砂浆的抗压强度关系并不像与抗 折强度关系那么十分明显，但是从总体趋势来看，水镁石纤维水泥砂浆的抗压强度依 旧是随着纤维湿容积数值的增大逐步提高。抗压强度最高的仍然是湿容积最大的a 类 纤维水镁石。从表5 3 可知，与无纤维得对比样相比，湿容积为1 9 0 r a l 的a 类纤维水 镁石对水泥砂浆的7 天抗压强度提高了1 6 5 ，2 8 天抗压强度提高了11 。 5 4 3 纤维湿容积与纤维砂浆强度的相关性检验 表5 3