不同表面改性方式對木質(zhì)纖維分散性影響的試驗研究

周 楠， 沈明燕， 劉 鑄， 朱亞峰

(1.浙江省麗水市縉云縣建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站， 浙江 麗水 323000； 2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201; 3.浙江省麗水市縉云縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局， 浙江 麗水 323000)

以水泥作為主要膠凝材料的注漿材料在交通基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)中有廣泛應(yīng)用，為了提高注漿材料的抗裂性能、耐久性，通常添加各類纖維材料。王敏、張益等[1-2]研究了木質(zhì)纖維、礦物纖維和聚酯纖維摻量對瀝青混合料使用性能的影響，試驗結(jié)果表明，纖維的摻入能有效提高瀝青的高溫性能和低溫抗裂性能。王明剛[3]研究了石墨烯摻量對水泥基材料的影響，試驗結(jié)果表明，石墨烯的加入能改善水泥基材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加其內(nèi)部致密性，從而提升其耐久性。高文軍等[4]分析了鋼纖維的加入對混凝土性能的影響，結(jié)果表明，鋼纖維能有效延緩裂縫的發(fā)展和混凝土菠蘿的發(fā)生。近年來，在纖維增強壓漿材料方面也有了很多的研究成果。但添加纖維材料后，漿體的流動性、纖維的分散性、漿體的均勻性等工作指標(biāo)受到顯著影響，不同纖維類型對漿體的工作性能影響亦不同[5-7]。袁齡卿、余保英、周博等[8-10]研究了纖維分散程度的影響因素，表明纖維長度增加會降低分散量，并抑制對拌和漿體流動性。Deming Jiang等[11]通過乳液噴涂、化學(xué)溶液浸漬等方法，改善葉片纖維與水泥基材料的相容性，來提高漿體的工作性能。Xiaoyu Shang等[12]采用對稻草纖維進(jìn)行改性的方法，降低纖維吸水性，改善其工作性能。由此可見，根據(jù)纖維特點對其進(jìn)行合理的改性，對水泥基注漿材料的工作性和力學(xué)性能有較大提升。

本文運用3種纖維表面處理方法對木質(zhì)纖維表面進(jìn)行處理，以不同材料改性后的纖維在水中與水泥漿體中的分散狀況，來探討不同改性方式對木質(zhì)纖維處理效果的影響程度。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

木質(zhì)纖維不溶于水，但具有很好的吸水性，其吸水量一般為自身重量的6～8倍，且木質(zhì)纖維具有一些毛細(xì)管道，有良好的導(dǎo)水功能。這種傳輸水分的功能能使?jié){料表面與基層界面水化反應(yīng)充足，保證材料強度的均勻性。同時木質(zhì)纖維具有良好的韌性，極強的聯(lián)結(jié)能力，與其他材料混合后纖維之間相互搭接，形成穩(wěn)定的空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

水泥基材料抗壓強度高、抗拉強度低，木質(zhì)纖維的加入可有效抑制水泥基體材料裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展，提高水泥基體材料的抗裂性能，因此，選用木質(zhì)纖維對注漿材料進(jìn)行改性。

纖維采用來自于無錫某科技有限公司生產(chǎn)的TM300型木質(zhì)纖維，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 纖維主要技術(shù)參數(shù)

1.2 改性試驗方案

通過表面改性的方式對木質(zhì)纖維進(jìn)行改性，能在一定程度上改善纖維在懸浮漿體中的分散程度。本文采取高分子涂覆改性、硅烷偶聯(lián)劑改性和表面活性劑改性3種不同的方法對木質(zhì)纖維進(jìn)行改性，改性試驗方案見表2。

表2 改性試驗方案

1.3 高分子涂覆改性過程

高分子涂覆改性的目的是在不改變基體材料原有化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過試驗將高分子材料中的親水基團(tuán)引入到纖維表面，提高纖維表面的親水性能，從而實現(xiàn)對纖維的改性。采用殼聚糖高分子化合物對木質(zhì)纖維進(jìn)行改性[13]，其改性流程見圖1。

圖1 高分子涂覆改性纖維流程

1.4 硅烷偶聯(lián)劑改性過程

硅烷偶聯(lián)劑因其表面應(yīng)變能低，對不同的材料都具有較好的浸潤性，且有2種特殊的官能團(tuán)，能在單一材料基體之間形成一層均勻的親和性膜，能提高單一材料在其他基體材料中的分散性，從而實現(xiàn)纖維在水泥基漿體中分散的目的。由于影響纖維表面吸附硅烷偶聯(lián)劑分子吸附率的主要因素是NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此，在試驗中通過改變NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來設(shè)計試驗條件。硅烷偶聯(lián)劑改性纖維流程見圖2。

圖2 偶聯(lián)劑改性纖維流程

1.5 表面活性劑改性過程

表面活性氧化劑是同時具有親水和親油基團(tuán)的多重親和性材料，利用其對纖維進(jìn)行改性時，能在不破壞纖維原有結(jié)構(gòu)、降低表面張力吸附在纖維表面的情況下，增加親水基團(tuán)的數(shù)量和增大纖維的比表面積，提高纖維與其他材料的嚙合力。不同的表面活性養(yǎng)護(hù)劑有不同的改性效果，改性試驗方案見表2。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 改性纖維在水中的分散性

高分子涂覆改性、硅烷偶聯(lián)劑改性和表面活性劑改性的3種改性方式均是在不改變纖維物理、化學(xué)性質(zhì)的前提下，通過增加纖維表面的親水基團(tuán)數(shù)量或增大其比表面積來實現(xiàn)其改性的目的。由于親水基團(tuán)的增加和比表面積的增大，改性纖維在水中的分散性必然會提升，可通過觀察纖維在懸浮液中的懸浮時間來判斷其分散性。

將通過不同方法改性的木質(zhì)纖維放入裝滿相同水的容器中，使用玻璃棒對容器中的纖維進(jìn)行攪拌，待攪拌停止后，觀察改性后的纖維在水中的懸浮時間。通過纖維在水中的懸浮時間來判別不同改性方式對纖維分散性的影響，試驗結(jié)果見表3。

表3 纖維在水中分散性試驗結(jié)果

1) 殼聚糖涂覆改性試驗結(jié)果分析

從表3可知，A組殼聚糖涂覆改性后纖維在水中懸浮試驗結(jié)果如下：

(1) 水中懸浮時間最長的為醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%試驗組；

(2) 當(dāng)醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.4%時，纖維的懸浮時間呈正相關(guān)；

(3) 當(dāng)稀醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時，改性木質(zhì)纖維懸浮時間出現(xiàn)峰值16 min；當(dāng)稀醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時，懸浮時間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，懸浮時間均有下降。

2) 硅烷偶聯(lián)劑表面改性分散試驗結(jié)果分析

分析表3可知，B組硅烷偶聯(lián)劑表面改性后纖維在水中懸浮試驗結(jié)果如下：

(1) 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液中處理的纖維在水中分散性要優(yōu)于NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試驗組；

(2) 在水中的懸浮時間隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減??；

(3) 當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，懸浮時間出現(xiàn)最大值12 min；當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加到20%時，懸浮時間減少了41.6%。

3) 表面活性劑表面改性分散試驗結(jié)果分析

從表3可知，C組表面活性劑表面改性后纖維在水中懸浮試驗結(jié)果如下：

(1) 在不同改性劑摻量的條件下，烷基酚聚氧乙烯醚乳液始終優(yōu)于月桂基兩性咪唑啉表面改性劑；

(2) 水中懸浮時間隨著活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的懸浮時間有增有減；

(3) 當(dāng)活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，懸浮時間最長。經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%OP-10改性后的纖維懸浮時間出現(xiàn)最大值14 min，較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的咪唑啉改性后的纖維，其懸浮時間增加2 min。

綜上分析，經(jīng)過3種表面改性方法改性后的纖維，在水中的分散性都要優(yōu)于普通纖維，從水溶液中的懸浮時間來看，A組殼聚糖高分子涂覆改性要優(yōu)于其他2種改性方法，其中稀醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的溶液處理殼聚糖再涂覆纖維進(jìn)行改性為最優(yōu)改性試驗條件。

2.2 改性纖維在漿體中的分散性

由于纖維和超細(xì)水泥的電阻率差異很大，當(dāng)分散性較差的纖維加入試件后會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，促使局部纖維數(shù)出現(xiàn)增加現(xiàn)象，致使試件的電阻率大幅增加，造成同一組試件的電阻率差異很大。

測試同一組試件中每一個試件的電阻率，并通過計算同一組試件的電阻率變異系數(shù)ψ來體現(xiàn)纖維的分散情況[14]，即

(1)

試驗的水灰比為0.28，木質(zhì)纖維摻量為1%。每組取6個養(yǎng)護(hù)7 d并烘干后的試件進(jìn)行電阻率測試，通過分析得到同一組試件電阻率的變異系數(shù)，試驗分別選取表2各改性方式中最優(yōu)方案的試件，即試驗編號為A-3、B-2、C-6的試驗組，試驗結(jié)果見表4。

由表4可知：1) 表面改性方法不同，電阻率的變異系數(shù)不同，且初凝前的電阻率和變異系數(shù)均較低；2) 采用高分子涂覆表面改性的纖維在漿體初凝前的變異系數(shù)要小于其他改性方法；3) 烘干后的變異系數(shù)遠(yuǎn)大于初凝前。其原因是水泥基漿體中含有各類可溶性物質(zhì)，在與水反應(yīng)后產(chǎn)生大量分散性很強的帶電離子，此時使用二級法測試出的試件電阻率偏小。而養(yǎng)護(hù)烘干后，一些未被水化反應(yīng)消耗的晶體和多余的鈣礬石不導(dǎo)電，導(dǎo)致烘干試件的電阻率普遍比初凝時試件的電阻率大。

表4 改性纖維在漿體中的分散性試驗結(jié)果[15]

綜上分析，以電阻率變異系數(shù)為指標(biāo)，高分子涂覆改性后的纖維在漿體中的分散性要優(yōu)于其他表面改性方法。

2.3 改性纖維對注漿材料力學(xué)性能的影響

仍采用0.28的水膠比和1.0%的木質(zhì)纖維摻量為水泥漿配合比，分析不同纖維改性方法對水泥基材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果見5。

表5 力學(xué)性能試驗結(jié)果 MPa

從表5可知，相較于未改性的纖維對照組，B組硅烷偶聯(lián)劑改性的水泥基材料力學(xué)性能增長很小，C組表面氧化劑改性后的水泥基材料力學(xué)性能反而下降，A組高分子涂覆改性的試驗組抗壓強度提升不明顯，但抗折強度提升明顯，其1 d、3 d、7 d抗折強度分別提升了20.8%、4.8%、15.1%。

2.4 高分子涂覆改性后微觀分析

采用改性纖維在水中的分散性試驗和漿體中的分散性試驗，從宏觀角度分析纖維改性效果。高分子涂覆改性纖維是在不改變纖維物理、化學(xué)性質(zhì)的前提下，通過增加纖維表面的親水基團(tuán)數(shù)量或增大其比表面積來實現(xiàn)其改性目的。在掃描電鏡下觀察纖維改性前后的差異，進(jìn)一步從微觀的角度了解纖維改性的機理，試驗結(jié)果見圖3。

(a) 改性前 (b) 改性后

從圖3中可見，改性后的木質(zhì)纖維表面附著一層殼聚糖膜，這增加了其表面的親水基團(tuán)數(shù)量，同時也增大了其比表面積，從而提升了其在懸浮液體中的分散能力。

3 結(jié)論

1) 3種改性方式均可用于纖維改性，改性后增加其親水性和比表面積，高分子涂覆改性后的纖維在漿體中的分散性要優(yōu)于其他表面改性方法。

2) 電阻率變異系數(shù)表明，高分子涂覆改性后的纖維在漿體中的分散性要優(yōu)于其他表面改性方法。

3) 水泥基材料的力學(xué)性能試驗表明，高分子涂覆改性的纖維能有效提高材料的抗折強度，從而提高水泥基材料的抗裂性能。