磷酸鎂水泥/糖槭界面剪切性能與酸堿度關(guān)系的研究

遲恒烜(中科(常州)創(chuàng)新科技園有限公司，江蘇 常州 213002)

0 引言

在木/磷酸鎂水泥復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，磷酸鎂水泥(MPC)體系的酸堿度對(duì)材料整體性能有潛在影響。首先，決定MPC水化反應(yīng)速率的主要因素是氧化鎂的水解速率，而氧化鎂水解速率取決于反應(yīng)體系的酸堿度。堿性越強(qiáng)，氧化鎂水解速率越高，進(jìn)而影響材料硬化后的性能[1]。其次，酸堿度的改變也改變反應(yīng)產(chǎn)物六水合磷酸鎂鉀的溶解度與微觀結(jié)構(gòu)，從而影響材料強(qiáng)度[2]。MPC與木材界面之間主要的結(jié)合力來自于化學(xué)鍵力及機(jī)械鎖結(jié)力[3]。復(fù)合材料水化過程的酸堿度可影響纖維素與磷酸鹽成化學(xué)鍵的數(shù)量以及整體結(jié)合力[4]。

MPC體系中，氧化鎂及磷酸二氫鉀(MDP)是常用的反應(yīng)體系[5]，不同的鎂/鉀比值對(duì)反應(yīng)體系的酸堿度產(chǎn)生不同的影響。添加摻合料也可改變材料的力學(xué)性能及酸堿度。比如普通硅酸鹽水泥(PC)可提升MPC機(jī)械性能[6]，且PC水化過程中可改變反應(yīng)體系的酸堿性，對(duì)界面性能產(chǎn)生潛在影響。玻璃化鋁硅酸鈣(VCAS)是一種白火山灰，在MPC中可起到提升耐水性的效果[7]。纖維狀硅灰石(WO)是一種天然偏硅酸鈣纖維晶體[8]，微溶于水，可參與MPC的水化反應(yīng)并增強(qiáng)其韌性以及抗折性。增強(qiáng)纖維也常被用于增強(qiáng)無機(jī)膠凝材料的力學(xué)性能。MPC可以通過摻加玻璃纖維或PVA纖維，提升抗折、抗壓、增韌、提升斷裂延性、抗裂等方面性能[9]。文章通過分析不同MPC及摻合料的組分配比對(duì)體系pH值的影響，分析MPC/糖槭界面剪切性能，觀察失效界面的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究MPC組分配比、酸堿度、PVA纖維含量、以及MPC/糖槭復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的間關(guān)系。

1 原材料

糖槭，試驗(yàn)前切成長(zhǎng)度114.3 mm的圓木棒并用200目砂紙打磨干凈，并于相對(duì)濕度64%，22 ℃條件下養(yǎng)護(hù)7 d。MPC膠材包含MDP(分析純)、重?zé)趸V(95%)，MPC的摻合料及增強(qiáng)纖維包括：PC(PO I型，強(qiáng)度 42.5)、WO(短纖維狀)、VCAS(160 目，GE型)、PVA 纖維 (8 mm 長(zhǎng)，8 旦尼爾，單絲)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備及拉拔試驗(yàn)法

MPC/糖槭界面力學(xué)測(cè)試采用如圖1所示的方法。MPC試塊直徑為31.75 mm，長(zhǎng)度為25.4 mm，試塊中央粘接了糖槭木棒，粘接面長(zhǎng)度即為試塊長(zhǎng)度。下端預(yù)留12.7 mm用于與模具固定。糖槭木棒設(shè)計(jì)直徑為6.35 mm，制備試件前用游標(biāo)卡尺測(cè)量5次得每個(gè)樣件的實(shí)際木棒直徑d。測(cè)試樣件在相對(duì)濕度64%，22 ℃條件下養(yǎng)護(hù)7 d。樣件脫模后打磨、修整以備測(cè)試，糖槭木棒的非粘接面?zhèn)冗呬S平便于夾具夾持，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件實(shí)際界面長(zhǎng)度。拉拔測(cè)試采用8.9 kN通用力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(英斯特朗電子材料試驗(yàn)機(jī))。測(cè)試時(shí)采用1.27 mm/min的速率拉拔試樣，直至斷裂。載荷采集頻率15Hz。所測(cè)得的位移為夾具和樣品固定模塊之間的位移。

圖1 測(cè)試方法

計(jì)算剪切強(qiáng)度τ：

式中：F為解離力；d為實(shí)測(cè)木棒直徑；l為實(shí)測(cè)界面長(zhǎng)度。每組樣品測(cè)試5次取平均值。

2.2 酸堿度測(cè)試

參考Zhong的測(cè)試方法[10]，先用pH=4、7、10的緩沖液標(biāo)定帶有玻璃電極的pH計(jì)(OAKTON牌 pH15)。因制備試塊用的MPC漿體粘度過高無法直接測(cè)試，測(cè)試酸堿度用的MPC漿體由10 g MPC粉末與100 g水混合制得，也用類似方法測(cè)試了每種摻合料與水混合物的pH。

2.3 MPC配方中需水量的測(cè)定

為了測(cè)試不同MPC配方在相近流動(dòng)性情況下與糖槭的界面剪切強(qiáng)度，參考GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，分別測(cè)試了以下質(zhì)量比的MPC在凈漿流動(dòng)度為80 mm時(shí)的需水量：MgO比MDP=1∶3(以下簡(jiǎn)稱此質(zhì)量比的MgO、MDP 混合物為“膠材”)、膠材∶PC=1∶4、膠材∶WO=1∶4、膠材∶VCAS=1∶4、膠材∶PC∶WO∶VCAS∶PVA纖 維 =3∶4∶4∶4∶0.15。并將需水量代入下式計(jì)算求得各組分需水系數(shù)(如表1所示)。

表1 MPC中各組分的需水系數(shù)

式中：CMPC為某MPC配方的需水量；WCCi為i組分的需水系數(shù)；Ci為i組分在配方中所占的質(zhì)量比，在其他MPC配方需水量的計(jì)算中也使用此式與試驗(yàn)中得到的組分需水系數(shù)。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析方法

采用Stat-Ease DX8軟件進(jìn)行中的優(yōu)化IV模型進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。膠材 (20%～100%)、PC(0%～80%)、WO(0%～80%)、VCAS(0%～80%)含量為試驗(yàn)設(shè)計(jì)變量。其中因100%膠材組因?yàn)楣袒磻?yīng)過于迅速難以制件，在該組配方中加入了1%硼酸減緩反應(yīng)，再額外補(bǔ)充90%膠材、3.33%PC、3.33%WO、3.33%VCAS組以減小誤差，因PVC纖維性質(zhì)比較特殊，單獨(dú)設(shè)計(jì)了另外一系列試驗(yàn)。共設(shè)計(jì)了32組試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 MPC/糖槭的界面斷裂特性

在23組拉拔試驗(yàn)中，共有兩大類試樣斷裂方式，分別為MPC塊體碎裂以及MPC/糖槭界面斷裂。圖2是拉拔試驗(yàn)斷裂后糖槭木棒的照片及顯微圖像，顯微圖像采用奧林巴斯BX51光學(xué)顯微鏡拍攝。圖2(a)是典型的MPC塊體碎裂，產(chǎn)生的原因是MPC塊體強(qiáng)度低于MPC/糖槭界面強(qiáng)度。圖2(b)是典型的MPC/糖槭界面斷裂，因?yàn)槟z材含量較高，MPC塊體自身有一定強(qiáng)度，斷裂面干凈整潔，可觀測(cè)到稀疏的木纖維，可以證實(shí)MPC/糖槭界面結(jié)合是因?yàn)榛瘜W(xué)鍵力及機(jī)械鎖結(jié)力。

圖2 拉拔試件斷裂面

數(shù)據(jù)顯示各試驗(yàn)組MPC/糖槭界面斷裂特性相近，以序號(hào)17的試驗(yàn)組為例，得到如表2中所示五個(gè)樣件的拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及圖3所示的力-位移曲線。由力-位移曲線可知，MPC/糖槭界面斷裂方式為脆性斷裂。

表2 第17試驗(yàn)組拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 第17試驗(yàn)組拉拔試驗(yàn)力-位移曲線

3.2 MPC/糖槭的界面剪切強(qiáng)度τ與酸堿度的關(guān)系

按照3.2所述的方法測(cè)試了摻合料的酸堿度：PC的pH為11.7，這種強(qiáng)堿性與PC水化過程中生成的氫氧化鈣有關(guān)；WO的pH為8.6，這與WO中含有CaO等堿性氧化物有關(guān)；VCAS的pH為7.7，PVA纖維的pH為7.1。表3列出了不同的MPC配比的pH值及數(shù)據(jù)分析后得到的剪切強(qiáng)度。

表3 不同的MPC配比的以及試件測(cè)試結(jié)果

圖4為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平方擬合結(jié)果的三維示意圖。剪切強(qiáng)度τ與酸堿度pH呈顯著的負(fù)相關(guān)性。根據(jù)平方擬合結(jié)果預(yù)測(cè)，τ最大值在3 100 kPa左右，此時(shí)MPC組分為膠材72%、VCAS28%，而此時(shí)pH約為5.3。膠材比例大于72%時(shí)，雖然pH更小，但因?yàn)镸PC水化反應(yīng)過于劇烈，導(dǎo)致結(jié)晶度下降，MPC/糖槭的剪切性能因而下降。綜上所述，在pH呈弱酸性時(shí)，MPC/糖槭剪切強(qiáng)度較好，可達(dá)到3 MPa以上。

圖4 不同MPC配比的平方擬合結(jié)果

3.3 加入PVA纖維后的MPC/糖槭剪切強(qiáng)度與酸堿度的關(guān)系

因PVA纖維相比于其他摻合料具有更長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)，PVA質(zhì)量超過1%時(shí)將使MPC漿體工作性顯著下降，難以成形，因此設(shè)計(jì)了PVA纖維含量0～1%的試驗(yàn)體系，共9組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 包含不同含量的PVA的各類MPC試件測(cè)試結(jié)果

圖5為上述試驗(yàn)結(jié)果的線性擬合圖。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，少量的PVA纖維對(duì)MPC的pH值沒有顯著影響。摻入PVA纖維可降低MPC/糖槭界面強(qiáng)度，尤其是對(duì)含有VCAS的MPC影響顯著。圖6為含有1%PVA纖維的MPC/糖槭斷裂面，雖然試件斷裂整體上仍屬于界面斷裂，但可見有少量的MPC附著在VMPC以及WMPC斷裂面表面，說明界面剪切強(qiáng)度τ降低的主要因素是PVA纖維增加了MPC/糖槭界面的缺陷，使表面致密度下降，進(jìn)而減弱了界面強(qiáng)度，而非降低了MPC塊體自身的剪切強(qiáng)度。

圖6 1% PVA纖維含量的MPC/糖槭斷裂面

4 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了包含膠材、PC、WO、VCAS、PVA纖維的不同組分的MPC，測(cè)試了這些MPC的pH值，通過拉拔試驗(yàn)法測(cè)試了MPC/糖槭的界面性能，并運(yùn)用平方擬合對(duì)這些試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)表明，MPC/糖槭試件斷裂主要有以塊體碎裂及界面斷裂兩種方式，這兩種方式與MPC中膠材含量密切相關(guān)。MPC/糖槭界面斷裂特性為脆性斷裂，通過對(duì)斷裂面顯微形貌的觀察及應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，可初步證實(shí)MPC/糖槭的界面結(jié)合力來自于化學(xué)鍵力及機(jī)械鎖結(jié)力。MPC中的幾種組分按照酸性強(qiáng)弱排序?yàn)槟z材＞PVA＞VCAS＞W(wǎng)O＞PC，界面結(jié)合力與pH值的大小呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。摻入PVA纖維可降低MPC/糖槭界面剪切強(qiáng)度。摻入PC可顯著增加MPC的堿性，摻入膠材增加MPC的酸性，摻入PVA對(duì)膠材酸堿度影響較小。雖然摻入PC的MPC塊體強(qiáng)度尚可，但pH過高破壞了MPC/糖槭界面結(jié)合力。因此，要提高M(jìn)PC/糖槭復(fù)合材料的性能，除了要重視MPC摻合料的選擇，也要重視控制MPC漿體的酸堿度。