GF/PP纖維對(duì)磷石膏試件力學(xué)性能的影響研究*

高育欣,麻鵬飛,2,康升榮,程寶軍

(1.中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610064；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引言

磷石膏是濕法磷酸生產(chǎn)的主要副產(chǎn)物，主要成分是二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)，還有未完全分解的磷礦、殘余的磷酸、氟化物、酸不溶物、有機(jī)質(zhì)等[1]。我國(guó)磷石膏的綜合利用率很低，堆存量逐年增長(zhǎng)。磷石膏作為一種排放量大、堆存量大、環(huán)境污染嚴(yán)重的固體廢棄物不僅污染環(huán)境，還浪費(fèi)土地資源[2-4]，因此提高磷石膏的綜合利用率意義重大。目前我國(guó)磷石膏綜合利用的主要領(lǐng)域是建材行業(yè)，主要用于生產(chǎn)水泥緩凝劑和建筑磷石膏[5]。

建筑材料用磷石膏屬于脆性材料，抗裂性及抗變形能力較差，極易變形、開裂，從而嚴(yán)重影響材料的正常使用[6-7]。磷石膏中摻加聚丙烯纖維(PPF)或玻璃纖維(GF)后，纖維與磷石膏基體間可形成良好的黏結(jié)，從而降低磷石膏的脆性和提高其韌性與抗裂性，達(dá)到增強(qiáng)阻裂的目的[8]。因此，通過摻加纖維改善磷石膏的脆性是一種較為有效的方法。

本文系統(tǒng)研究了GF、PPF的長(zhǎng)度(6～18 mm)及其摻量(GF摻量為0.10%～0.30%；PPF由于密度較小，摻量在0.2%以上時(shí)不易分散，故選擇摻量為0.10%～0.20%)對(duì)磷石膏力學(xué)性能的影響，同時(shí)還研究了摻量為0.20% 的PPF和摻量為0.05%的GF組成的復(fù)配纖維對(duì)磷石膏力學(xué)性能的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

磷石膏來自四川省高宇集團(tuán)有限公司，P·O 42.5水泥來自四川峨勝水泥集團(tuán)股份有限公司，S95級(jí)礦粉來自河北石家莊州林礦產(chǎn)品有限公司，緩凝劑來自河北石家莊祥慶建筑裝飾材料有限公司，減水劑來自中建西部建設(shè)新材料科技有限公司，水為普通自來水，GF和PPF均來自四川成都水藍(lán)藍(lán)科技有限公司。GF和PPF的各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。

表1 GF和PPF的各項(xiàng)性能指標(biāo)

1.2 配合比

試驗(yàn)所用纖維與磷石膏的配合比見表2，其中纖維摻量用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，纖維摻量后括號(hào)中的數(shù)據(jù)為纖維的長(zhǎng)度。

表2 試驗(yàn)材料配合比

1.3 強(qiáng)度測(cè)試

抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(IOS法)》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試齡期為7 d。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維長(zhǎng)度對(duì)磷石膏試件力學(xué)性能的影響

纖維長(zhǎng)度對(duì)磷石膏試件力學(xué)性能的影響如圖1所示。

圖1 纖維長(zhǎng)度對(duì)磷石膏試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響

由圖1(a)可知：纖維長(zhǎng)度對(duì)磷石膏試件的抗折強(qiáng)度有顯著影響，試件抗折強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)PPF和GF的長(zhǎng)度分別為15和18 mm時(shí)，其最大抗折強(qiáng)度分別為5.1 MPa和4.6 MPa；并且當(dāng)纖維長(zhǎng)度在6～18 mm時(shí)，PPF對(duì)試件抗折強(qiáng)度的提升遠(yuǎn)高于GF。由于PPF具有疏水性[9-10]，其與磷石膏基體界面處的水膠比偏??；而GF表面光滑且具有親水性[11]，其與磷石膏基體界面處的水膠比偏大；通常在較小的水膠比下磷石膏可以獲得更高的強(qiáng)度和黏結(jié)性，所以PPF與磷石膏基體的黏結(jié)更加緊密，試件的抗折強(qiáng)度也更高[10]。

由圖1(b)可知：纖維長(zhǎng)度對(duì)磷石膏試件的抗壓強(qiáng)度也有一定影響，當(dāng)纖維長(zhǎng)度在12 mm以下時(shí)，PPF更有利于試件抗壓強(qiáng)度的提高；當(dāng)纖維長(zhǎng)度在12 mm以上時(shí)，GF更有利于試件抗壓強(qiáng)度的提高。當(dāng)采用的PPF和GF的長(zhǎng)度分別為6 mm和15 mm時(shí)，磷石膏試件的最大抗壓強(qiáng)度分別為12.7 MPa和13.1 MPa。

2.2 纖維摻量對(duì)磷石膏試件力學(xué)性能的影響

纖維摻量對(duì)磷石膏試件力學(xué)性能的影響如圖2所示。

圖2 纖維摻量對(duì)磷石膏試件抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2(a)可知：磷石膏試件的抗折強(qiáng)度隨GF摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)GF摻量為0.10%和0.30%時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度均高于未摻加纖維的試件的抗折強(qiáng)度和其他GF摻量下的試件的抗折強(qiáng)度；當(dāng)GF摻量低于0.15%時(shí)，GF的摻入對(duì)磷石膏試件的抗壓強(qiáng)度不利[12]，但當(dāng)摻量提升至0.20%時(shí)，GF的摻入開始對(duì)磷石膏試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響，且GF摻量越高，試件的抗壓強(qiáng)度提升越明顯。綜合考慮試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，在試驗(yàn)GF摻量范圍內(nèi)，當(dāng)GF摻量為0.30%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最高，分別為13.7 MPa和5.1 MPa。

由圖2(b)可知，在試驗(yàn)PPF摻量范圍內(nèi)，當(dāng)PPF摻量大于等于0.20%時(shí)，其會(huì)對(duì)試件的抗折強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響；當(dāng)PPF摻量大于等于0.15%時(shí)，其會(huì)對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響；且當(dāng)PPF摻量為0.20%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最高，分別為12.8 MPa和5.1 MPa。

2.3 纖維復(fù)配對(duì)磷石膏試件力學(xué)性能的影響

分別采用摻量為0.20%及纖維長(zhǎng)度為6 mm的 PPF+摻量為0.05%及纖維長(zhǎng)度為6 mm的GF(組合Ⅰ)、摻量為0.25%及纖維長(zhǎng)度為6 mm的PPF+摻量為0.05%及纖維長(zhǎng)度為6 mm的GF(組合Ⅱ)、摻量為0.05%及纖維長(zhǎng)度為18 mm的PPF+摻量為0.15%及纖維長(zhǎng)度為18 mm的GF(組合Ⅲ)的復(fù)配纖維成型了磷石膏膠砂試件，測(cè)試并分析了不同復(fù)配纖維對(duì)試件抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 GF和PPF復(fù)配對(duì)磷石膏試件抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，復(fù)配纖維的摻加有利于磷石膏試件抗壓強(qiáng)度的提升，但會(huì)對(duì)試件的抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。其中摻加組合Ⅰ復(fù)配纖維的試件的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到了14.0 MPa。由2.2分析可知，PPF摻量為0.20%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度最高，而GF摻量小于0.15%時(shí)試件抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而減小[12]。綜合而言，摻加組合Ⅰ復(fù)配纖維的試件的力學(xué)性能最佳。

2.4 被破壞試件的纖維外觀

使用DJCK-2型裂縫測(cè)寬儀拍攝了磷石膏試件被破壞時(shí)的截面，以觀察試件被破壞后的纖維拔出或斷裂情況(放大倍數(shù)為60倍)。

圖4為摻入0.15%纖維長(zhǎng)度為9 mm的PPF的磷石膏試件和摻入0.15%纖維長(zhǎng)度為15 mm的PPF的磷石膏試件被破壞后的外露纖維外觀。由圖4可以明顯看出：摻入纖維長(zhǎng)度為15 mm的PPF的磷石膏試件被破壞后，大量纖維被拉斷，只有少量纖維被拔出；而摻入纖維長(zhǎng)度為9 mm的PPF的磷石膏試件被破壞后，幾乎所有的纖維均被拔出。理論上當(dāng)纖維摻量相同時(shí)，纖維越長(zhǎng)，則摻加的纖維數(shù)量越少，試件破壞時(shí)阻止裂紋擴(kuò)展的纖維就越少，同樣其抗折強(qiáng)度也應(yīng)該越小。但根據(jù)圖1結(jié)論可知，纖維越長(zhǎng)，試件的抗折強(qiáng)度越大，這是因?yàn)樵嚰黄茐臅r(shí)，纖維被拔出所消耗的能量遠(yuǎn)小于纖維被拉斷所消耗的能量，所以相對(duì)數(shù)量較少的長(zhǎng)纖維對(duì)磷石膏抗折強(qiáng)度提升貢獻(xiàn)更大[13-14]。

圖4 摻入PPF的磷石膏試件被破壞后的纖維外觀

3 結(jié)論

a.當(dāng)纖維長(zhǎng)度在6～18 mm時(shí)，摻加PPF對(duì)磷石膏試件的抗折強(qiáng)度的提升遠(yuǎn)高于摻加GF；當(dāng)纖維長(zhǎng)度在6～12 mm時(shí)，摻加PPF更有利于磷石膏試件的抗壓強(qiáng)度的提高，當(dāng)纖維長(zhǎng)度在12 mm以上時(shí)，摻加GF更有利于磷石膏試件的抗壓強(qiáng)度的提高。

b.當(dāng)GF摻量低于0.15%時(shí)，GF的摻入對(duì)磷石膏試件的抗壓強(qiáng)度不利，但當(dāng)其摻量提升至0.20%時(shí)，GF的摻入開始對(duì)磷石膏試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響；當(dāng)PPF摻量大于等于0.20%時(shí)，其對(duì)試件抗折強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響，當(dāng)PPF摻量大于等于0.15%時(shí)，其對(duì)試件抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響。

c.相較于數(shù)量較多的短纖維，數(shù)量較少的長(zhǎng)纖維更有利于磷石膏試件抗折強(qiáng)度的提升。