混雜纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料性能影響

呂方濤，周銀笙，孔德文，陳思翰，安紅芳，王玲玲

（貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州貴陽550025）

煙氣脫硫（Flue gas desulfurization，F(xiàn)GD）石膏是火電廠處理煙氣中的SO2產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)品，其主要成分是二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）。因脫硫石膏易脆性和耐水性差等缺點［1-2］，限制了脫硫石膏的大量利用，脫硫石膏的利用率一直有待提高［3］。纖維能明顯改善石膏的脆性，增加石膏強(qiáng)度。謝浪等［4］研究了玄武巖纖維改性脫硫建筑石膏，研究其物理及力學(xué)性能；王裕銀等［5］將秸稈纖維加入脫硫建筑石膏中研究其力學(xué)性能；李國忠等［6］將聚丙烯纖維和有機(jī)乳液加入脫硫建筑石膏中研究其力學(xué)性能及耐水性能；李元琦等［7］將玄武巖纖維和EPS 顆粒加入脫硫石膏中研究其物理性能、力學(xué)性能及耐水性能；曹立久等［8］將密胺樹脂與玻璃纖維加入石膏中，研究其力學(xué)性能及耐水性能，力學(xué)性能較空白組均有所提升，耐水性能較空白組也得到改善；DURGUN［9］研究了玄武巖浮石和聚丙烯纖維增強(qiáng)石膏的耐久性，在25 次干濕循環(huán)下測量其質(zhì)量變化、表觀孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，玄武巖浮石對試樣的力學(xué)性能有負(fù)面影響，但提高了隔熱性能，聚丙烯纖維的加入提高了試樣的抗彎強(qiáng)度，降低了試樣干濕強(qiáng)度的負(fù)面影響。

國內(nèi)外學(xué)者通過將纖維加入石膏中研究其各項性能，但研究基本上集中于單摻纖維的物理性能、力學(xué)性能及耐水性能，耐久性能研究很少，且對于混雜纖維摻入石膏中的研究極少，所以對于單摻纖維加入石膏中來改善耐久性及混雜纖維加入石膏研究其各項性能還有待研究。本文的研究在內(nèi)容上增加了耐干濕性能，增加了混雜纖維對力學(xué)性能和耐水性能的影響研究，且得到單摻纖維和混雜纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料的力學(xué)性能、耐水性能及耐干濕性能均有提升。聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）纖維是一種具有良好黏結(jié)性與親水性的有機(jī)綠色建材纖維。玄武巖纖維（Basalt fiber，BF）是一種親水性的無機(jī)纖維材料，具有耐高溫、耐燒蝕等特點。BF 會使復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低應(yīng)變的能力，而PVA 纖維加入基體中則表現(xiàn)出相反的能力［10］，將不同性能的纖維混摻在基體中，期望其共同發(fā)揮作用改性石膏類材料。

本文將同種長度、不同摻量的有機(jī)纖維PVA、無機(jī)纖維BF以及BF與PVA混雜纖維，分別加入脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料中，將3 種不同種類或不同工藝的纖維進(jìn)行對比分析，研究其對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料的力學(xué)性能、耐水性能及耐干濕性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

原狀脫硫石膏取自貴州金元茶園發(fā)電有限責(zé)任公司，黃色粉末，含水率為12.7%，燒失量為17.9%；脫硫建筑石膏是將原狀脫硫石膏置于180 ℃煅燒2 h、室溫放置7 d而形成；生石灰取自宜賓川灰生物科技有限公司，白色粉末；礦粉取自鞏義市龍澤凈水材料有限公司，灰白色粉末；硫鋁酸鹽水泥（SAC）取自淄博云鶴水泥有限公司，灰色粉末，經(jīng)X射線熒光（XRF）檢測其化學(xué)成分見表1；減水劑為聚羧酸類減水劑，白色粉末。

BF顏色呈褐色，PVA纖維顏色為淡黃色，二者形貌圖見圖1。兩種纖維的物理及力學(xué)性能見表2。

圖1 纖維形貌圖Fig.1 Fiber morphology

表2 纖維的物理及力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of fiber

1.2 試驗方法

固定原狀脫硫石膏（80%）和半水脫硫石膏（20%）的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%［11］，其他組分與石膏總質(zhì)量比分別為生石灰為5.22%、礦粉為21%、減水劑為0.5%、硫鋁酸鹽水泥為7.82%；水膏質(zhì)量比設(shè)置為0.43；纖維長度均為9 mm；單摻的摻量為0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%；復(fù)摻的摻量為BF與PVA纖維質(zhì)量比為1∶1 混雜，總量依然為0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%。將上述粉體材料與纖維在電動攪拌機(jī)中混合攪拌2 min，得到均勻的混合物，隨后加入水，慢攪30～60 s、快攪60～90 s得到具有一定流動性的漿體，隨即倒入3 個40 mm×40 mm×160 mm 的三聯(lián)試模（共9 塊）中振搗，用刮平尺將高出試模的漿體刮掉并抹平，于室溫下成型24 h拆模，自然養(yǎng)護(hù)28 d 之后將試件放置烘箱中烘至絕干，取3 塊試件進(jìn)行絕干抗折強(qiáng)度、絕干抗壓強(qiáng)度的測定；取3塊試件放入水中24 h取出，用濕毛巾擦干表面的水進(jìn)行耐水性的測定；最后將剩下的3 塊試件進(jìn)行干濕循環(huán)的測定。絕干抗折強(qiáng)度、絕干抗壓強(qiáng)度測試方法按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗辦法（ISO法）》測定；耐水性按JC/T 698—2010《石膏砌塊》進(jìn)行測定；耐干濕性能按GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進(jìn)行測定并計算溶蝕率和干濕循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料絕干抗折強(qiáng)度的影響

圖2為不同試樣的絕干抗折強(qiáng)度。如圖2所示，摻有纖維的脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料較不摻纖維的絕干抗折強(qiáng)度高，相同摻量下單摻BF的復(fù)合材料較單摻PVA 纖維的絕干抗折強(qiáng)度高，兩組復(fù)合材料的絕干抗折強(qiáng)度在試驗范圍內(nèi)均隨纖維摻量的增加而顯著增大，且皆在摻量為1.5%時分別達(dá)到最大值6.93 MPa 和6.72 MPa，較空白組分別提升98.57%和92.55%。這是源于當(dāng)基體受到外力破壞后，纖維起到橋接作用，繼續(xù)承擔(dān)荷載，隨著纖維摻量的增加，纖維能承受的荷載隨之增大。彈性模量較高的BF失效較彈性模量較低的PVA 纖維失效所需的能量更大，所以BF 復(fù)合材料的絕干抗折強(qiáng)度較PVA 纖維復(fù)合材料的高。

圖2 纖維摻量對絕干抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of fiber doping content on absolute dry flexural strength

當(dāng)BF與PVA纖維按質(zhì)量比1∶1混雜時，試樣的絕干抗折強(qiáng)度隨著混摻纖維摻量的增加先增大后降低，在摻量為0.9%時達(dá)到最大值6.42 MPa，較空白組提升近83.95%。摻量為0.9%時，混雜纖維復(fù)合材料的絕干抗折強(qiáng)度比同摻量PVA 纖維的提高了6.64%，但比同摻量BF復(fù)合材料降低了1.71%，BF增強(qiáng)了整個基體的模量，使摻有BF 復(fù)合材料較沒摻BF 的絕干抗折強(qiáng)度略高?；鞊嚼w維的各項摻量比單摻的低，初始在基體中加入的BF量少，而PVA纖維的摻入不足以彌補(bǔ)缺失的BF 從而產(chǎn)生了纖維的負(fù)混雜效應(yīng)［12-13］；在纖維摻量過大時，纖維會發(fā)生成團(tuán)、聚集的現(xiàn)象，使受力面產(chǎn)生了初始微裂紋，從而降低復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度。

2.2 纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料絕干抗壓強(qiáng)度的影響

圖3給出纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料絕干抗壓強(qiáng)度的影響。由圖3 可知，摻有纖維的脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料較不摻纖維的絕干抗壓強(qiáng)度高，相同摻量下單摻PVA 纖維的復(fù)合材料較單摻BF的絕干抗壓強(qiáng)度高，兩組復(fù)合材料的絕干抗壓強(qiáng)度在試驗范圍內(nèi)皆隨纖維摻量的增加而增大，且皆在摻量增至1.5%時分別達(dá)到最大值31.71 MPa 和30.05 MPa，較空白組23.91 MPa 分別提升32.62%和25.68%，這是源于BF 更多起到增強(qiáng)的作用，而PVA纖維更多起到增韌的作用［14］，使得PVA纖維復(fù)合材料較BF 復(fù)合材料更具延性，在受壓破壞時PVA 纖維復(fù)合材料所需的能量更大，導(dǎo)致PVA纖維復(fù)合材料的絕干抗壓強(qiáng)度更高。

圖3 纖維摻量對絕干抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of fiber doping content on absolute dry compressive strength

當(dāng)BF與PVA纖維按質(zhì)量比1∶1混雜時，試樣的絕干抗壓強(qiáng)度隨著混摻纖維摻量的增加先增大后降低，在摻量為0.9%時達(dá)到最大值29.33 MPa，較空白組提升近22.67%，在摻量為0.3%～0.9%時，同摻量下，混雜纖維復(fù)合材料絕干抗壓強(qiáng)度基本高于單摻纖維復(fù)合材料。PVA 纖維彈性模量較低，具有延緩硬化膠凝復(fù)合材料早期裂紋的形成和擴(kuò)展的作用［14］，BF的彈性模量較高，混雜纖維摻量小于0.9%時，纖維對硬化復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展具有積極的影響，纖維之間互補(bǔ)產(chǎn)生正混雜效應(yīng)。隨著纖維摻量的增加，混雜纖維復(fù)合材料強(qiáng)度降低，兩種纖維因為摻量過多，導(dǎo)致纖維交纏在一起使基體內(nèi)的初始裂縫增多，降低復(fù)合材料的強(qiáng)度。

2.3 纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料抗折軟化系數(shù)和吸水率的影響

圖4 和圖5 分別給出纖維摻量對軟化系數(shù)和吸水率的影響規(guī)律。由圖4 可知，纖維能有效提升脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料的軟化系數(shù)，相同摻量下單摻BF較單摻PVA纖維的軟化系數(shù)低，在試驗范圍內(nèi)，隨著纖維摻量的增加單摻PVA 纖維復(fù)合材料出現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，摻量為0.9%時達(dá)到最大值0.691，較空白組0.427 提升近61.83%；而BF 復(fù)合材料則出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，摻量為1.2%時達(dá)到最大值0.627，較空白組提升近46.84%。這是由于兩者均為親水性纖維，能吸收和保留部分自由水，有利于水化產(chǎn)物在纖維表面沉淀［15-16］，形成致密界面，但PVA 纖維復(fù)合材料的吸水率較BF 復(fù)合材料的低，如圖5 所示，增加了BF 復(fù)合材料內(nèi)部與水分子的接觸，使得BF復(fù)合材料內(nèi)部遭到更大破壞。

圖4 纖維摻量對軟化系數(shù)的影響Fig.4 Effect of fiber doping content on softening coefficient

當(dāng)BF與PVA纖維按質(zhì)量比1∶1混雜時，試樣的軟化系數(shù)隨著混摻纖維摻量的增加先增大后降低再增大，在摻量增至1.5%時達(dá)到最大值0.801，較空白組提升近87.59%，這是源于兩種纖維產(chǎn)生了正混雜效應(yīng)，較強(qiáng)、較硬的BF在中、小裂紋開口處承擔(dān)初始裂紋應(yīng)力，而相對柔性的PVA纖維在大裂紋開口處承擔(dān)后裂紋應(yīng)力作用［16］?；鞊嚼w維摻量小于1.2%時，混雜纖維復(fù)合材料的吸水率較低，如圖5 所示，結(jié)合圖4 可以看出耐水性能較好的摻量為0.9%，此摻量下，抗折軟化系數(shù)為0.626，較空白組提升近46.60%，吸水率低至13.87%；因為纖維摻量適中，兩種纖維混雜改變了基體的物理性能，減少了基體內(nèi)部孔隙，致使此摻量下復(fù)合材料耐水性能較優(yōu)。

圖5 纖維摻量對吸水率的影響Fig.5 Effect of fiber doping content on water absorption

2.4 纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料溶蝕率的影響

圖6給出纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料質(zhì)量損失率的影響規(guī)律。由圖6 可知，相同摻量下大部分單摻BF 較單摻PVA 纖維的溶蝕率低；在試驗范圍內(nèi)，兩組單摻纖維復(fù)合材料的溶蝕率隨著纖維摻量的增加先減小后增大，且皆在摻量增至0.6%時分別達(dá)到最小值0.015%和0.013%，較空白組0.032%降低了0.017%和0.019%。纖維摻量在0.6%之前，纖維有效防止試件崩解，但隨著纖維摻量的增加，纖維對基體產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)［17］。

圖6 纖維摻量對溶蝕率的影響Fig.6 Effect of fiber doping content on dissolution rate

當(dāng)BF與PVA纖維按質(zhì)量比1∶1混雜時，試樣的溶蝕率隨著混摻纖維摻量的增加先增大后降低，且溶蝕率均高于空白組，但從圖5 中可以看到混雜纖維的吸水率均低于空白組，這是因為干濕循環(huán)對試件表面的溶蝕影響較大，對其內(nèi)部影響較小，纖維摻量為1.5%時出現(xiàn)下降的趨勢，則是纖維摻量過多，分布于表層的纖維增多，使得表層的脫落得到有效控制，溶蝕率下降。

2.5 纖維對脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料干濕強(qiáng)度系數(shù)的影響

圖7 纖維摻量對干濕強(qiáng)度系數(shù)的影響Fig.7 Effect of fiber doping content on wet-dry strength coefficient

當(dāng)BF與PVA纖維按質(zhì)量比1∶1混雜時，干濕強(qiáng)度系數(shù)隨著纖維摻量的增加先增大后降低，在摻量為0.6%時達(dá)到了最大值0.915，較空白組0.607提升近50.74%。纖維摻量小于0.9%時，混雜纖維產(chǎn)生了正混雜效應(yīng)，受到荷載作用時，PVA 纖維起到抑制復(fù)合材料早期裂紋形成和擴(kuò)展的作用，BF 除了增加復(fù)合材料強(qiáng)度外，對復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展也有積極的作用，致使混雜纖維復(fù)合材料干濕強(qiáng)度損失?。浑S著纖維摻量的增加，試樣孔隙率增大，增加了基體與水分子的接觸，部分纖維與基體分離，不承擔(dān)荷載，導(dǎo)致混雜纖維復(fù)合材料干濕強(qiáng)度系數(shù)大幅度下降。

2.6 纖維改性脫硫石膏復(fù)合材料的影響機(jī)制

BF與PVA纖維均為親水性纖維，兩種纖維表面均利于二水硫酸鈣在纖維表面沉淀結(jié)晶（結(jié)果如圖8 所示），使得纖維與基體之間致密性良好，使纖維能更好的發(fā)揮橋接作用。從而改善復(fù)合材料的耐水性及耐干濕性。纖維大多以拉斷、脫粘或拔出而失效（結(jié)果如圖9 所示），其中纖維拉斷所需要的能量更大，因纖維親水性特點，纖維大多是因拉斷而失效，從而極大提升了纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度。復(fù)合材料強(qiáng)度除了和纖維與基體接觸有關(guān)，還與纖維自身物理性能有關(guān)，彈性模量較高的BF失效較彈性模量較低的PVA 纖維失效所需的能量更大，所以BF 復(fù)合材料的絕干抗折強(qiáng)度較PVA復(fù)合材料的高。

圖8 纖維及附著其表面的水化物Fig.8 Fibers and hydrates attached to their surfaces

圖9 纖維失效Fig.9 Fiber failure

對于單摻纖維，加載初期纖維起到抑制裂縫出現(xiàn)和發(fā)展的作用，當(dāng)基體出現(xiàn)裂縫后，纖維起到裂縫的橋接作用［5］，繼續(xù)承擔(dān)荷載，進(jìn)而提高試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；對于混雜纖維，PVA 纖維起到抑制復(fù)合材料早期裂紋形成和擴(kuò)展的作用，BF纖維對復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展也有積極的作用，BF纖維更多起到增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的作用，PVA 纖維更多起到增強(qiáng)復(fù)合材料韌性的作用，兩種纖維協(xié)同作用，進(jìn)而提高混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能；復(fù)合材料浸泡水中24 h或進(jìn)行干濕循環(huán)時，其晶體結(jié)構(gòu)會遭到一定的破壞，但纖維的填充和橋接作用依然存在，從而增大了復(fù)合材料的軟化系數(shù)［17］，改善試件的耐水性和耐干濕性。

3 結(jié)論

1）單摻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能較混雜纖維試樣的力學(xué)性能提升效果更好，PVA纖維摻量為1.5%時，試樣強(qiáng)度提升顯著，試樣的絕干抗折強(qiáng)度和絕干抗壓強(qiáng)度較空白組分別提升了92.55%和32.62%。2）混雜纖維復(fù)合材料的耐水性能較單摻纖維的耐水性能提升效果更好，PVA 與BF 混雜纖維摻量為1.5%時，試樣的抗折軟化系數(shù)較空白組提升了87.59%，且摻量為0.9%時達(dá)到最低吸水率13.87%，復(fù)合材料的耐水性能得到極大改善。3）混雜纖維復(fù)合材料的干濕強(qiáng)度系數(shù)在摻量為0.6%時達(dá)到最大值0.915，較空白組提升了50.74%，復(fù)合材料耐久性能得到極大提升。4）PVA 纖維較BF 與基體接觸界面有更優(yōu)的致密性，PVA 纖維復(fù)合材料的耐水性能較BF的更優(yōu)；混雜纖維復(fù)合材料的耐干濕性能較單摻纖維的更好。