利用生態(tài)水泥制備高性能有機纖維電纜管*

陳建波，穆 琰，馬紅宵，任曉林，趙風清

(1.河北省建筑材料工業(yè)設計研究院，石家莊050051;2.河北科技大學化學與制藥工程學院，石家莊050018)

近年來，隨著我國城市化進程的加快及高等級公路的快速發(fā)展，架空線路暴露出很多與城市發(fā)展不協(xié)調(diào)的矛盾?，F(xiàn)有城市架空線路的發(fā)展趨勢以入地為主，由于線路屬地下敷設，不占用地上空間，有利于城市美觀和線路安全。從我國城鎮(zhèn)建設及改造實現(xiàn)空中電纜(線)地下化的需要來看，其數(shù)量是巨大的，時間是長期的。但地下線路的建設費用大，穿管是最經(jīng)濟的辦法，要求線路管具有機械強度大和耐壓、耐酸堿，管內(nèi)壁光滑無毛刺等特點。與其它電纜管相比，纖維水泥電纜管具有使用壽命長、運轉(zhuǎn)可靠、性能優(yōu)越、造價低等優(yōu)點，同時還可用作農(nóng)村和城市煙囪管，產(chǎn)品適用面廣，市場銷售前景十分看好。

傳統(tǒng)的纖維電纜管生產(chǎn)采用普硅水泥作為膠凝材料、石棉作為增強材料，但由于石棉資源日益減少，并且石棉粉塵對環(huán)境產(chǎn)生污染，因而用石棉作纖維水泥電纜管的增強材料已不合時代要求。目前，歐洲、日本等發(fā)達國家已全面禁止使用石棉制品;在國內(nèi)，一些城市也提出這方面的要求［1］。因此，傳統(tǒng)的石棉水泥電纜管，無論從原材料供應方面，還是從環(huán)保方面，都難以適應現(xiàn)代化生產(chǎn)和地下電纜工程的需要，研制開發(fā)無石棉的纖維水泥電纜管，尋找增強纖維石棉的代用品已迫在眉睫。

本文以礦渣和粉煤灰等固體廢棄物為主要原材料制備了生態(tài)型膠凝材料，用于替代普硅水泥，以期降低纖維水泥管的生產(chǎn)成本，并在此基礎上以復合纖維作為增強材料制備出高性能有機纖維水泥管，并利用XRD、SEM分析了其水化及增強機理。

1 試驗

1.1 試驗原材料

原材料包括:河北華電石家莊分公司南焦電廠濕法脫硫石膏;河北上安電廠粉煤灰;河北敬業(yè)集團水淬高爐礦渣;曲寨水泥有限公司硅酸鹽水泥熟料;助劑采用市售化工原料配制，包括CF-Ⅲ激發(fā)劑、減水劑等;市售海泡石纖維;市售專用高模量維綸。

主要原材料化學成分見表1，高模量維綸的技術性能見表2，海泡石纖維篩選指標見表3。

表1 原料化學成分 /%

表2 高模量維綸的技術性能

表3 海泡石纖維篩選指標

1.2 試驗方法

水泥強度測試依照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，其它指標依照GB/T1346-2001《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》?？拐酆奢d、外壓荷載、吸水率測定依照JC980-2005《纖維水泥電纜管及其接頭》中的方法進行測試。

生態(tài)型水泥的配制:采用Φ500mm×500mm試驗磨，將礦渣、粉煤灰、水泥熟料和激發(fā)劑等按一定配比粉磨至要求的細度。按照不同的物料配比，助劑溶于水先與膠凝材料混合，再與各種纖維混合均勻，在成管機上成型，養(yǎng)護至規(guī)定的齡期。

1.3 生態(tài)型膠凝材料的制備

膠凝材料是水泥電纜管強度形成的關鍵組分。本文所用的膠凝材料以固體廢棄物礦渣、粉煤灰、脫硫石膏等為主要原材料，復合少量的硅酸鹽水泥熟料和我院自主研制的水泥激發(fā)劑CF-Ⅲ，共同粉磨至比表面積450m2/kg左右，制成生態(tài)型水泥，試驗選擇不同的礦渣和粉煤灰的摻量，研究物料的匹配性能，水泥配比見表4。強度測試結(jié)果見表5。

表4 生態(tài)水泥原料配比 /%

表5 生態(tài)水泥強度測試結(jié)果 /MPa

由表5試驗數(shù)據(jù)表明:生態(tài)水泥中A1的抗壓強度最好，抗折強度卻最差，隨著摻灰量的提高，水泥的抗壓強度有趨于降低，抗折強度卻趨于提高，這說明粉煤灰增強了膠凝材料的柔韌性，摻灰量超過15%時，強度明顯下降;對比以上結(jié)果，選擇A4組為適宜配方，對A4配比進行優(yōu)化，得到最優(yōu)配方為礦渣58%、熟料21%、粉煤灰14%、脫硫石膏6%、CF-Ⅲ激發(fā)劑1%。生態(tài)水泥與普硅水泥性能對比見表6。

表6 生態(tài)水泥與普硅水泥的性能對比

由表6可以看出，生態(tài)水泥抗壓強度略有提高，抗折強度提高的幅度較大，標準稠度需水量相近，凝結(jié)時間延長，安定性合格，綜合性能滿足《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007標準要求?？傊?，采用該配比制備的生態(tài)型水泥完全可以替代普通硅酸鹽水泥用于水泥電纜管的生產(chǎn)。

1.4 電纜管配方設計試驗

確定纖維的品種及復合性能研究，不同纖維的長度、直徑的分散系數(shù)規(guī)律，均勻性分布效果評價用于水泥基材料的纖維種類很多，有鋼纖維、石棉纖維、纖維素纖維、玻璃纖維、碳纖維、尼龍纖維、維綸纖維和聚丙烯纖維等［2］。

本文以國產(chǎn)專用高模量維綸和海泡石纖維替代石棉作為增強材料，用于纖維水泥制品的生產(chǎn)，通過對所制備的電纜管進行抗折荷載、外壓荷載、吸水率測試，探討二者代替石棉的可行性。

試驗采用的基本配方是:自制生態(tài)水泥83%，纖維增強材料15%，其他輔助材料2%。根據(jù)基本配方，確保生態(tài)水泥與輔助材料比例恒定，調(diào)整增強材料的比例。在生產(chǎn)線試制一定數(shù)量的樣品，根據(jù)試制結(jié)果確定其配比，確定最優(yōu)方案。

(1)纖維摻加比例的確定。根據(jù)既往經(jīng)驗，對此步提出以下要求:可以抄取卷制成管坯，回水濃度不超過3.0%，管體經(jīng)養(yǎng)護后有一定強度(移動時纖維管不易斷裂)，部分試制配方及其結(jié)果見表7。

(2)性能測試。依據(jù)表7的結(jié)論，選取用3#、4#配方試制的纖維管分別制備10支對其物理性能進行測試，并與石棉水泥電纜管對比。結(jié)果見表8。

從表8可以看出，采用3#、4#配方生產(chǎn)的電纜管，抗折、外壓荷載均高于石棉水泥電纜管，吸水率略高，但滿足JC 980-2005《纖維水泥電纜管及其接頭》中吸水率不大于23%的要求，因此，3#、4#均符合標準要求，考慮到成本因素，選取3#為生產(chǎn)配方。

表7 確定纖維增強材料配比的試驗結(jié)果(部分)

表8 物理性能測試結(jié)果

1.5 水化機理探討

本文運用SEM和XRD兩種檢測手段，對制備的生態(tài)型膠凝材料水化產(chǎn)物的種類和結(jié)構(gòu)進行分析，并研究該膠凝材料水化產(chǎn)物形成過程中的物理和化學變化，提出該體系的水化硬化機理。

圖1 生態(tài)水泥XRD圖譜

由圖1可以看出，XRD結(jié)果顯示，體系水化1d時，組分主要有硬石膏(Ⅱ型)、水化鋁酸鈣等，未形成明顯的鈣礬石特征峰。3d時少量形成鈣礬石，水化鋁酸鈣進一步增加，硬石膏(Ⅱ型)峰略有降低。7d時形成大量的鈣礬石，特征峰明顯。水化鋁酸鈣峰逐漸下降。28d時水化產(chǎn)物以大量的鈣礬石為主，同時硬石膏(Ⅱ型)含量大大降低，水化鋁酸鈣峰基本削弱不見，同時，峰的基線增高，無定型物質(zhì)增加，C-S-H凝膠大量形成。

通過XRD圖譜可以推斷纖維水泥管的水化及強度形成機理，即:熟料和激發(fā)劑為生態(tài)型水泥的水化提供堿性環(huán)境，激發(fā)劑在提供液相堿度的同時還直接破壞粉煤灰與礦渣中玻璃體的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)［3］，釋放出Ca2+和硅(鋁)氧四面體，不斷生成C-S-H凝膠，并與反應生成AFt晶體，礦渣水化放出的硅(鋁)氧四面體與液相中的Ca2+反應生成C-S-H凝膠，使液相中Ca2+含量減少。粉煤灰持續(xù)解離，不斷地釋放出Ca2+，礦渣不斷地吸收Ca2+生成C-S-H凝膠和AFt晶體，直至水化完全，水泥石中C-S-H凝膠及AFt量增加，空隙得到填充，孔隙率下降，結(jié)構(gòu)致密度提高，使生態(tài)型水泥表現(xiàn)出優(yōu)良性能。纖維在膠凝材料中的主要作用在于延緩水泥基材中裂縫的擴展，摻加一定量的纖維增強材料可使膠凝材料一旦出現(xiàn)裂縫后，可通過纖維與基材脫黏而由基材中拔出、或跨越裂縫承受拉力、或在應力達到最大值時拉斷，從而可提高復合材料的抗拉強度、或使復合材料具有一定的延性、并相應提高其韌性、或同時使復合材料兼具高抗拉強度及高韌性。膠凝材料的作用在于與分布于其中的纖維形成一整體，共向承受外力，并在其自身出現(xiàn)裂縫后，通過與纖維的界面黏結(jié)，將外力傳遞給纖維，因而彌補了其抗拉強度低、變形能力差等弱點。

2 結(jié)論

(1)以粉煤灰、?；郀t礦渣、脫硫石膏等制備了一種生態(tài)型膠凝材料，配比為礦渣58%、粉煤灰14%、熟料21%、脫硫石膏6%、自制CF-Ⅲ激發(fā)劑1%。該膠凝材料28d抗壓強度為48.5MPa，符合 GB175-2007《通用硅酸鹽水泥標準》。

(2)采用高模量維綸、海泡石纖維制備了一種復合水泥增強材料，確定了其最佳摻量，試驗表明以該復合水泥增強材料與結(jié)論(1)中的生態(tài)水泥聯(lián)合使用制備的水泥電纜管，符合JC 980-2005《纖維水泥電纜管及其接頭》的各項要求，外壓荷載28.3KN/m，抗折荷載19.7KN，吸水率20%。

［1］ 張忠彬，周永平.日本、韓國、東盟與我國石棉危害預防控制現(xiàn)狀［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術，2010，6(1):121-124

［2］ 劉奮醒.纖維水泥基復合材料及其性能特征［J］.新型建筑材料，2003，(08):63-65

［3］ 曹素改，張志國，陳建波，等.利用高鈣粉煤灰-礦渣制備低堿度生態(tài)型水泥［J］.粉煤灰綜合利用，2006，(3):37-38