不同纖維對磷建筑石膏性能的影響研究

王思驊 文 江 王 錦 謝玉菡

（畢節(jié)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工礦建筑系，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

磷石膏作為濕法生產(chǎn)磷酸產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，屬于危廢污染物，其性能極不穩(wěn)定，通常每生產(chǎn)磷酸（以ω(P2O5)100%計(jì)）1t 副產(chǎn)磷石膏4.5～5.0t[1-2]。磷石膏的堆存會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，阻礙綠色可持續(xù)發(fā)展，因此有必要尋求磷石膏的合理利用途徑，以實(shí)現(xiàn)磷肥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和磷石膏的合理化利用。

磷石膏中摻入聚乙烯醇（PVA）纖維、玄武巖（BF）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維等材料，形成磷建筑石膏。磷建筑石膏屬于脆性材料，容易發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象[3]。而纖維具有良好的韌性和較大的拉伸性能，能夠改善材料的缺陷：呂方濤[4]將PVA 纖維、BF 纖維加入至脫硫石膏復(fù)合膠凝材料中，改進(jìn)其性能。高真[5]設(shè)置養(yǎng)護(hù)時間、纖維長度、摻量為變量，通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合，在混凝土中摻入玄武巖纖維，探究其性能指標(biāo)的優(yōu)化。李國忠[6-7]添加聚丙烯纖維、玻璃纖維、植物纖維等到石膏基復(fù)合材料中，對性能指標(biāo)進(jìn)行研究分析。PVA纖維分散性能良好，將其摻入至石膏基復(fù)合材料中，纖維與石膏基體的緊密程度，優(yōu)化提高其工作性能[8]；BF纖維價格低廉，能顯著改善混凝土性能[9]；PAN纖維能改善混凝土的耐久性[10]。目前，關(guān)于對比聚乙烯醇（PVA）纖維、玄武巖（BF）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維摻入到磷建筑石膏中的研究相對較少。鑒于此，本文選用PVA 纖維、BF 纖維、PAN 纖維摻入到磷建筑石膏中，探究纖維對其性能的影響，并對其作用機(jī)理進(jìn)行分析。

1 磷石膏摻纖維試驗(yàn)

1.1 原料

（1）磷石膏：取自云南云天化三環(huán)公司，呈灰黃色，附著水含量0.745%，加入50%自來水測pH 值約為6。其主要成分為CaSO4·2H2O，其含量為86.49%，主要礦物組成成分見表1。

表1 磷石膏礦物組成（單位：%）

（2）纖維：聚乙烯醇（PVA）纖維、玄武巖（BF）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維，均為上海某公司生產(chǎn)。BF纖維呈現(xiàn)褐色，PVA、PAN纖維呈現(xiàn)淡黃色。

1.2 原料處理

水洗法：將水：磷石膏=1:3 充分?jǐn)嚢瑁o置，反復(fù)洗滌3～4次加入Ca(OH)2將溶液pH調(diào)制中性，將處理后的磷石膏放入烘箱烘至恒重后過100目篩。

1.3 試驗(yàn)方法

選取三種纖維，長度均為6mm。將不同摻量的纖維、減水劑和水混合均勻后，加入磷建筑石膏中，制備成纖維磷建筑石膏復(fù)合材料。

凝結(jié)時間測定：參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T 1346-2011）進(jìn)行測定。

磷建筑石膏力學(xué)性能測定：參照《建筑石膏力學(xué)性能的測定》（GB/T17669.3-1999）進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三種纖維對磷建筑石膏凝結(jié)時間的影響

對聚乙烯醇（PVA）、玄武巖（BF）、聚丙烯腈（PAN）三種纖維分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，PVA 纖維、BF 纖維摻量在0.4%～2.0%范圍內(nèi)，PAN 纖維摻量在0.2%～1.0%范圍內(nèi)。纖維在不同摻量下對磷建筑石膏凝結(jié)時間的影響，見圖1、圖2。

圖1 不同纖維對磷建筑石膏初凝時間的影響

圖2 不同纖維對磷建筑石膏終凝時間的影響

由圖1可得，不同纖維隨著摻量的增加對磷建筑石膏初凝時間的影響均呈現(xiàn)下降的趨勢，呈明顯的線性負(fù)相關(guān)。三種纖維中，PAN 纖維使磷建筑石膏的初凝時間下降速率最快，其次是PVA 纖維，最緩慢的是BF纖維。隨著摻量的增加，初凝時間逐漸下降，復(fù)合材料就沒有足夠的時間進(jìn)行加工處理，在工程中的應(yīng)用不太理想。當(dāng)BF、PVA 纖維摻量達(dá)到2.0%時，磷建筑石膏的初凝時間降低29.23%、70.80%；當(dāng)PAN 纖維摻量達(dá)到1.0%時，初凝時間降低至65.40%。三種纖維在相同摻量的情況下，初凝時間大小呈現(xiàn)：BF 纖維＞PVA纖維＞PAN纖維。

由圖2可以看出，隨著纖維摻量的逐漸增加，會使磷建筑石膏的終凝時間呈現(xiàn)不同程度逐步下降的趨勢，總體呈線性負(fù)相關(guān)。三種纖維，在相同摻量的情況下，PAN纖維摻入到磷建筑石膏中終凝時間下降速率最快，其次是PVA纖維，下降速率最慢的是BF纖維。對于BF纖維，當(dāng)其纖維摻量為2.0%時，磷建筑石膏的終凝時間由空白組的30.2min下降至23.6min，相較于空白組下降21.85%；對于PVA 纖維、PAN 纖維，當(dāng)其摻量達(dá)到2.0%時，磷建筑石膏的終凝時間相較于空白組分別下降73.5%、76.82%。

2.2 不同纖維對磷建筑石膏力學(xué)性能的影響

不同纖維對磷建筑石膏絕干狀態(tài)下的力學(xué)性能影響情況如圖3、圖4所示。

圖3 不同纖維對磷建筑石膏絕干抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 不同纖維對磷建筑石膏絕干抗折強(qiáng)度的影響

由圖3可得，在磷建筑石膏中摻入纖維均可以提高其絕干抗壓強(qiáng)度，提高程度不盡相同，總體趨勢均是隨著纖維摻量的增加，絕干抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降。當(dāng)纖維摻量一定時，BF纖維對磷建筑石膏的絕干抗壓強(qiáng)度提升最為明顯，效果最優(yōu)，當(dāng)其摻量為1.2%時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，為29.5MPa，相對于空白組提高了132.4%。PVA纖維摻入到磷建筑石膏中，能使其絕干抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值22MPa，此時摻量為1.20%。PAN 纖維摻入量為0.6%時，絕干抗壓強(qiáng)度為21.4MPa，達(dá)到最大值。當(dāng)BF、PAN 摻量在0.8%前，PAN 纖維摻入至磷建筑石膏中，其絕干抗壓強(qiáng)度優(yōu)于BF纖維，當(dāng)摻量超過0.8%時，PAN纖維優(yōu)于BF纖維。

由圖4可得，在磷建筑石膏中摻入纖維均可以提高其絕干抗折強(qiáng)度，提高程度不盡相同，總體趨勢均是隨著纖維摻量的增加，絕干抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降。當(dāng)纖維摻量一定時，BF纖維對磷建筑石膏的絕干抗折強(qiáng)度提升最為明顯，效果最優(yōu)，當(dāng)其摻量為1.2%時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，為12MPa，相對于空白組提高了93.5%。

3 影響機(jī)理分析

在磷建筑石膏中添加纖維，纖維能夠與磷建筑石膏結(jié)合產(chǎn)生拉結(jié)作用，可使原本脆性的磷建筑石膏在受到荷載時，不會瞬間失去承載能力，增加其延性[11]。BF纖維與磷建筑石膏相結(jié)合，分子之間形成握裹力，使其連接更為緊密[12]。PVA纖維表面不光滑，與磷建筑石膏能夠較好地粘結(jié)，能夠有效地傳遞應(yīng)力，從而可以提高其強(qiáng)度。PAN纖維與磷建筑石膏結(jié)合狀態(tài)不緊密，存在一定的空隙，只有少量物質(zhì)附著。當(dāng)面對較大荷載時，界面難以承受較大的荷載，不能夠及時發(fā)揮復(fù)合材料抵抗荷載的優(yōu)勢。

BF纖維具有高彈性模量，PVA纖維彈性模量較低，復(fù)合材料能抵抗較高的荷載需要高彈性模量，因此，BF纖維磷建筑石膏復(fù)合材料無論是絕干抗折強(qiáng)度還是絕干抗壓強(qiáng)度，都優(yōu)于PVA纖維磷建筑石膏復(fù)合材料。

當(dāng)磷建筑石膏中纖維摻量較少時，纖維起不到明顯的增強(qiáng)作用；當(dāng)纖維含量適宜時，纖維能夠較為均勻地分布在磷建筑石膏基體中，此時，纖維可發(fā)揮較大的增強(qiáng)作用，承載能力達(dá)到最優(yōu)值，力學(xué)性能也最好；當(dāng)纖維含量較多時，纖維在磷建筑石膏中分散能力降低，出現(xiàn)一部分纖維相互交叉、纏繞，未被磷建筑石膏所包裹，當(dāng)面對荷載時，則出現(xiàn)薄弱區(qū)成為應(yīng)力集中區(qū)域，對強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。

4 結(jié)束語

（1）在本試驗(yàn)中，隨著三種纖維摻入量的逐步增加，磷建筑石膏的凝結(jié)時間呈現(xiàn)縮短的趨勢，因凝結(jié)時間會縮短，在工程應(yīng)用中會造成不利的影響。對比三種纖維，BF纖維對磷建筑石膏凝結(jié)時間下降趨勢最為緩慢，當(dāng)BF纖維摻量為2.0%時，磷建筑石膏的初凝、終凝時間分別由空白組13min 和30.2min 降低至9.2min 和23.6min。

（2）三種纖維均會對磷建筑石膏的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，并且影響趨勢幾乎一致，影響趨勢體現(xiàn)為隨著摻量的增加，磷建筑石膏絕干抗折、抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，BF纖維能夠使其力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)BF纖維摻量為1.2%時，磷建筑石膏絕干抗壓、抗折強(qiáng)度均達(dá)到最好，分別為：29.5MPa，12MPa，對比空白組分別提高：132.4%、93.5%。