絕緣子早強(qiáng)型水泥膠合劑配方優(yōu)化

龐小峰，袁志勇，唐瑛，孫帥

(1.廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院)，廣東 廣州 510080；2.中材江西電瓷電氣有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337200)

絕緣子是輸配電線路、電站設(shè)備的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件和最重要的絕緣元件，主要起支撐和絕緣的作用。瓷絕緣子的質(zhì)量水平直接影響到輸配電線路和電力設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[1-2]，是制約輸變電技術(shù)發(fā)展的重要因素。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸對(duì)電力設(shè)施造成極大破壞，其中隔離開關(guān)設(shè)備的損失破壞最為嚴(yán)重[3-5]。隔離開關(guān)在臺(tái)風(fēng)中損壞的突出表現(xiàn)之一是瓷絕緣子斷裂[6-8]，這是因?yàn)榇山^緣子的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，在極高的風(fēng)速以及嚴(yán)重的雨雪等惡劣天氣條件下，容易破損和斷裂[9-11]。為了增強(qiáng)支柱瓷絕緣子在惡劣天氣條件下抵抗破損和斷裂的能力，提高支柱瓷絕緣子自身的機(jī)械強(qiáng)度是一個(gè)有效的途徑。膠裝型瓷絕緣子由水泥膠合劑、瓷件和金屬附件3部分組成[12-13]，其中水泥膠合劑填充瓷件和金屬附件之間的預(yù)留空隙主要起組織和連接的作用。在瓷件和金屬附件性能穩(wěn)定的前提下，水泥膠合劑的性能直接影響著膠裝型瓷絕緣子的整體性能、壽命和可靠性[14-16]；因此，研究開發(fā)出高強(qiáng)度的水泥膠合劑成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，目前主要采用提高水泥標(biāo)號(hào)、添加摻合料的方式來(lái)提高水泥膠合劑的最終強(qiáng)度[15-18]。

隨著絕緣子自動(dòng)化生產(chǎn)線的推進(jìn)，尤其是近年來(lái)智能化生產(chǎn)線的建設(shè)，對(duì)水泥膠合劑的早期強(qiáng)度提出了新的要求，以滿足絕緣子在生產(chǎn)線上膠裝養(yǎng)護(hù)1 d后就能達(dá)到特定強(qiáng)度，因此急需研發(fā)出滿足生產(chǎn)線要求的早強(qiáng)型水泥膠合劑配方。目前對(duì)水泥膠合劑的研究主要集中在提高最終強(qiáng)度，對(duì)如何提高水泥膠合劑的早期強(qiáng)度，尤其是1 d的強(qiáng)度這方面的研究很少。

本文在保證膠合劑流動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究水泥種類、膠裝砂、減水劑種類和用量對(duì)膠合劑早期強(qiáng)度的影響，并優(yōu)選膠合劑配方用于實(shí)際生產(chǎn)，從而驗(yàn)證膠合劑配方的使用效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料包括：水泥——快硬硫鋁酸鹽水泥(KS)，大連小野田PⅡ52.5R(PS)；膠裝砂——水洗干海砂；纖維——上海博寧工程纖維材料有限公司生產(chǎn)的PM-I系列聚丙烯纖維，長(zhǎng)度3 mm，直徑31 μm；膨脹劑——北極熊CSA-Ⅰ型膨脹劑；減水劑溶液—NF萘磺酸型高效減水劑，聚羧酸減水劑；硅灰——無(wú)機(jī)非晶質(zhì)灰白色固體粉末，平均粒徑小于0.1 μm，密度為2.44 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法

先將砂、水泥、摻加劑一起加入鍋內(nèi)，低速攪拌約3 min；然后加水，繼續(xù)攪拌1 min后停機(jī)，用刀或鏟子清理攪拌葉和鍋邊；再開機(jī)低速/中速繼續(xù)攪拌6 min，且必須攪拌均勻。

原料的化學(xué)成分采用X射線熒光光譜儀測(cè)試；水泥膠合劑掃描式電子顯微鏡-能譜儀(scanning electron microscope-energy disperse spectroscopy，SEM-EDS)測(cè)試采用JSM-7500F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；膠合劑抗折、抗壓強(qiáng)度等性能依據(jù)JB/T 4307—2004《絕緣子膠裝用水泥膠合劑》進(jìn)行測(cè)試。制作40 mm×40 mm×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)試條，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后在電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)上按(50±5)N/s的速度增加荷載直至試條折斷破壞，完成抗折強(qiáng)度測(cè)試；抗折試驗(yàn)后的斷塊在壓力試驗(yàn)機(jī)上按(5±0.5)kN/s的速度施加載荷，直至破壞。懸式瓷絕緣子的機(jī)電破壞負(fù)荷試驗(yàn)、熱機(jī)械性能試驗(yàn)依照GB/T 1001.1—2003《標(biāo)稱電壓高于1 000 V的架空線路絕緣子》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥種類對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響

在保證膠合劑流動(dòng)度的情況下，設(shè)計(jì)2種水泥配方，見表1。

由表1可以看出：快硬硫鋁酸鹽水泥早期強(qiáng)度發(fā)展非?？?，3 d的抗折強(qiáng)度達(dá)到12.5 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到101 MPa；早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度發(fā)展雖相對(duì)較慢些，3 d的抗壓強(qiáng)度也能達(dá)到62.5 MPa，達(dá)到了PⅡ52.5R水泥強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地了解2種水泥各自的強(qiáng)度發(fā)展過程，對(duì)2種水泥的水化過程進(jìn)行SEM-EDS研究，結(jié)果如圖1、圖2所示，其中(a)、(b)、(c)為水化1 d后的結(jié)果，(d)、(e)、(f)為水化3 d后的結(jié)果，(g)、(h)、(i)為水化7 d后的結(jié)果。

圖2 快硬硫鋁酸鹽水泥水化SEM-EDS結(jié)果Fig.2 SEM-EDS hydration results of fast hardening early-strength sulphoaluminate cement

圖1 早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥水化SEM-EDS結(jié)果Fig.1 SEM-EDS hydration results of early-strength ordinary Portland cement

表1 2種水泥的膠合劑配方和早期強(qiáng)度對(duì)比Tab.1 Adhesive formulas of two kinds of cement and comparisons of the early strength

從SEM-EDS分析可以清楚地觀察到：早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥水化1 d后，水泥顆粒大部分已經(jīng)水化，并伴有大量C-S-H凝膠和高硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)生成，但水泥石致密度不高，仍有一定量水泥顆粒未水化；水化3 d后，水泥石水化程度進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)C-S-H凝膠和AFt生成量進(jìn)一步增多，水泥石致密度開始明顯提高，但水化產(chǎn)物之間相互連接不夠緊促，沒有形成致密的交織組織結(jié)構(gòu)；水化7 d后，幾乎看不到未水化的顆粒，同時(shí)生成的凝膠將AFt包裹起來(lái)，水化產(chǎn)物相互交織，形成密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使水泥石具有較高的強(qiáng)度。

從快硬硫鋁酸鹽水泥的SEM-EDS分析可以發(fā)現(xiàn)：養(yǎng)護(hù)1 d后，快硬硫酸鹽水泥絕大部分已經(jīng)水化，并且形成較為密實(shí)的水泥石結(jié)構(gòu)，生成了大量的C-S-H或C-S-A-H凝膠，同時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)有Ca(OH)2的存在，說(shuō)明它們已經(jīng)被吸收轉(zhuǎn)化為凝膠，此時(shí)水泥石已經(jīng)具有較高的強(qiáng)度；到養(yǎng)護(hù)3 d后，發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥顆粒幾乎全部水化，生成了大量的凝膠，形成一個(gè)非常密實(shí)的結(jié)構(gòu)，相比水化1 d，此時(shí)的水化產(chǎn)物更多，相互連接組織更為致密，所以強(qiáng)度進(jìn)一步提高；養(yǎng)護(hù)7 d后試樣的SEM照片與水化3 d的差別不明顯，水化程度進(jìn)一步加深，其水泥石致密度得到很大程度的提高，從EDS分析可以發(fā)現(xiàn)，生成的凝膠主要是C-S-H和C-S-A-H凝膠。

由上述分析可以得出結(jié)論：快硬硫鋁酸鹽水泥的早期強(qiáng)度發(fā)展比早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥快，但由于快硬硫鋁酸鹽水泥的初凝時(shí)間太短，不利于大規(guī)模作業(yè)。因此在后續(xù)研究中，主要針對(duì)早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥進(jìn)行配方調(diào)整。

2.2 硅灰添加量對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響

在保證膠合劑流動(dòng)度的情況下，分別設(shè)計(jì)5種不同硅灰摻量的膠合劑配合比，見表2，研究硅灰摻量對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響。

由表2可以看出：隨著膠合劑中硅灰摻量(相對(duì)于水泥用量)從0增加到10%，膠合劑1 d、2 d和3 d的抗折與抗壓強(qiáng)度均有增加。這主要是2方面原因：一是比表面積大的硅灰在水泥的水化過程中起到晶核的作用，能夠顯著促進(jìn)水泥水化，加速C-S-H凝膠的形成；另一方面是硅灰作為礦物摻合料，具有較好的火山灰活性，能夠與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)形成較穩(wěn)定的二次水化產(chǎn)物，有效抑制集料-界面處Ca(OH)2晶體的取向排列和由Ca(OH)2粗晶形成的疏松多孔結(jié)構(gòu)的形成，提高水泥膠合劑的密實(shí)程度[19-20]。但是，硅灰摻量的增加會(huì)導(dǎo)致水泥膠合劑流動(dòng)度的下降，因此綜合考慮硅灰對(duì)水泥膠合劑的增強(qiáng)效果和工作性的影響，將硅灰的摻量定在7.5%。

表2 硅灰添加量對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響Tab.2 Effect of silica fume addition on adhesive strength

2.3 減水劑種類對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響

在保證膠合劑流動(dòng)度的情況下，對(duì)4種減水劑分別設(shè)計(jì)配合比，見表3，研究減水劑種類對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響。

由表3可以看出：在保證膠合劑流動(dòng)度相同的情況下，使用蕪湖弘馬TOJ800-10A和萍鄉(xiāng)友聯(lián)聚羧酸減水劑的膠合劑試條強(qiáng)度均明顯低于使用NF萘磺酸型高效減水劑和蕪湖弘馬TOJ800-10T聚羧酸減水劑的膠合劑試條強(qiáng)度；使用NF萘磺酸型高效減水劑的膠合劑試條養(yǎng)護(hù)1 d后的強(qiáng)度高于使用蕪湖弘馬TOJ800-10T聚羧酸減水劑的膠合劑試條，但是2 d和3 d的抗壓強(qiáng)度要低。這是因?yàn)镹F萘磺酸型高效減水劑主要成份為β-萘磺酸縮合物鈉鹽，蕪湖弘馬TOJ800-10T屬于聚羧酸型減水劑。研究表明，聚羧酸減水劑中的活性基團(tuán)會(huì)與水化生成的離子(如Ca2+)生成不穩(wěn)定絡(luò)合物，從而抑制C3S的早期水化，但是會(huì)促進(jìn)后期體系中水化產(chǎn)物的生成[21]。

表3 減水劑種類對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響Tab.3 Effect of types of water reducing agents on adhesive strength

2.4 減水劑用量對(duì)膠合劑的影響

2.4.1 NF減水劑用量對(duì)膠合劑的影響

在保證膠合劑流動(dòng)度的情況下，針對(duì)NF萘磺酸型高效減水劑不同用量分別設(shè)計(jì)配合比，研究NF萘磺酸型高效減水劑用量對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響，見表4。

表4 NF萘磺酸型高效減水劑用量對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響Tab.4 Effect of NF naphthalene sulfonic acid water reducing agents addition on adhesive strength

由表4可以看出：隨著NF萘磺酸型高效減水劑摻量(相對(duì)于水泥)從0.25%增加到1.0%，膠合劑的強(qiáng)度逐漸增加；但是當(dāng)NF萘磺酸型高效減水劑的摻量達(dá)到1.25%時(shí)，膠合劑的強(qiáng)度急劇下降，這是因?yàn)榇藭r(shí)NF萘磺酸型高效減水劑添加過量，膠合劑出現(xiàn)了離析、分層的現(xiàn)象。

2.4.2 聚羧酸減水劑用量對(duì)膠合劑的影響

在保證膠合劑流動(dòng)度的情況下，針對(duì)TOJ800-10T聚羧酸減水劑不同用量分別設(shè)計(jì)配合比，研究TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響，見表5。

由表5可知：當(dāng)TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量(相對(duì)于水泥用量)從2%增加到2.5%時(shí)，水泥膠合劑養(yǎng)護(hù)1 d后的強(qiáng)度提高，但是2 d和3 d后的強(qiáng)度下降；這是因?yàn)椋谀z合劑流動(dòng)度相同的情況下，TOJ800-10T聚羧酸減水劑用量增加，膠合劑配比中水的用量減少，致使水泥水化的水量不足，膠合劑后期強(qiáng)度增長(zhǎng)更慢。

表5 聚羧酸減水劑用量對(duì)膠合劑強(qiáng)度的影響Tab.5 Effect of polycarboxylate superplasticizer addition on adhesive strength

2.5 優(yōu)選膠合劑配方驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選編號(hào)為4-4和5-1的水泥膠合劑，用于膠裝型號(hào)為U70B的懸式瓷絕緣子，養(yǎng)護(hù)1 d后，對(duì)產(chǎn)品分別做機(jī)電破壞負(fù)荷試驗(yàn)和熱機(jī)械性能試驗(yàn)[20]，試驗(yàn)結(jié)果見表6、表7。

機(jī)電破壞負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，對(duì)絕緣子原件施加工頻電壓45 kV，在金屬附件之間施加拉伸負(fù)荷，檢測(cè)絕緣子元件所能達(dá)到的最大負(fù)荷。由表6可以看出：除了1只采用編號(hào)為4-4的水泥膠合劑膠裝的產(chǎn)品發(fā)生鋼帽松動(dòng)外，其余產(chǎn)品破壞方式均為鋼腳拉伸；采用編號(hào)為4-4和5-1的水泥膠合劑膠裝的產(chǎn)品機(jī)電破壞負(fù)荷平均值分別高于規(guī)定負(fù)荷(73.7 kN和72.9 kN)。由標(biāo)準(zhǔn)偏差可以看出，產(chǎn)品的機(jī)電破壞負(fù)荷數(shù)值較穩(wěn)定，波動(dòng)很小。

表6 產(chǎn)品機(jī)電破壞負(fù)荷試驗(yàn)Tab.6 Electromechanical failure load test results of the products

熱機(jī)械性能試驗(yàn)時(shí)，絕緣子元件經(jīng)歷4個(gè)1 d冷卻、加熱循環(huán)，加熱循環(huán)溫度為(+40±5)℃，冷卻循環(huán)溫度為(-40±5)℃，試驗(yàn)中施加機(jī)械拉伸負(fù)荷45 kN，經(jīng)循環(huán)試驗(yàn)階段的熱機(jī)械性能試驗(yàn)完成后，于當(dāng)天進(jìn)行機(jī)電破壞負(fù)荷。由表7可以看出，產(chǎn)品經(jīng)過4個(gè)冷熱循壞試驗(yàn)階段的熱機(jī)械性能試驗(yàn)后均沒有損壞，且機(jī)電破壞負(fù)荷數(shù)值較冷熱循環(huán)試驗(yàn)前沒有明顯下降，表明產(chǎn)品熱機(jī)械性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 產(chǎn)品熱機(jī)械性能試驗(yàn)Tab.7 Thermal mechanical performance test results of the products

3 結(jié)束語(yǔ)

在保證水泥膠合劑流動(dòng)度的前提下，本文系統(tǒng)研究了硅灰摻量、減水劑種類以及減水劑用量對(duì)膠合劑早期抗折、抗壓強(qiáng)度的影響。研究表明：隨著硅灰摻量(相對(duì)于水泥用量)從0增加到10%，膠合劑1～3 d的抗折和抗壓強(qiáng)度隨之增加；使用聚羧酸減水劑的膠合劑1 d強(qiáng)度稍低于使用NF減水劑的膠合劑，但是3 d的強(qiáng)度相當(dāng)；隨著NF減水劑摻量(相對(duì)于水泥)從0.25%增加到1.0%，膠合劑的早期強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥、砂、水、TOJ800-10T聚羧酸減水劑、硅灰、纖維、膨脹劑的質(zhì)量比為1∶0.5∶0.238∶0.002∶0.5∶0.075∶0.004∶0.06時(shí)，膠裝的產(chǎn)品養(yǎng)護(hù)1 d后，機(jī)電破壞負(fù)荷試驗(yàn)和熱機(jī)械性能試驗(yàn)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。