玄武巖纖維表面改性及其對(duì)砂漿性能的影響

李林香 譚鹽賓 齊婧 楊魯 葛昕 吳俊杰 王志勇

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

玄武巖纖維具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水泥混凝土領(lǐng)域。文獻(xiàn)［1-3］研究了玄武巖纖維對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，在一定摻量范圍內(nèi)，玄武巖纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能有增強(qiáng)作用。文獻(xiàn)［4-5］研究了玄武巖纖維對(duì)混凝土抗裂性能的影響，結(jié)果表明，摻加適量的玄武巖纖維對(duì)混凝土早期開裂面積、初裂時(shí)間都起到積極改善作用。文獻(xiàn)［6-7］通過研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維雖然對(duì)混凝土力學(xué)性能、耐久性能有一定的增強(qiáng)作用，但是玄武巖纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的提升效果有限，甚至?xí)档突炷恋目箟簭?qiáng)度。

玄武巖纖維是以天然玄武巖為原料，經(jīng)高溫熔融后通過鉑銠合金漏板高速拉制而成，熱熔后的玄武巖表面張力巨大，經(jīng)鉑銠合金板漏過后，成型的玄武巖纖維一般呈表面光滑的圓柱狀。這種光滑的表面狀態(tài)導(dǎo)致纖維與水泥基材料的化學(xué)膠著力、摩擦力和機(jī)械咬合力均不理想［8］，使得摻玄武巖纖維的水泥基材料的力學(xué)性能增強(qiáng)效果不理想。對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性可增強(qiáng)玄武巖纖維與水泥基材料之間的界面結(jié)合力。

對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性的方法主要有摻入偶聯(lián)劑、表面噴涂、酸堿刻蝕、等離子體改性等［9-11］。酸堿刻蝕會(huì)對(duì)纖維造成一定的損傷，表面噴涂和等離子體改性所需的儀器昂貴，操作也比較復(fù)雜。目前研究較多的是摻入硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性［12-13］。但是僅通過硅烷偶聯(lián)劑的橋梁作用增強(qiáng)玄武巖纖維和水泥基材料之間的界面黏結(jié)，效果非常有限［14］。

納米SiO2由于粒子尺寸小，表面活性大，引入到玄武巖纖維改性體系中可增加纖維表面粗糙度，改善纖維與水泥基材料之間的浸潤效果，促進(jìn)纖維與水泥基材料間的應(yīng)力傳遞，進(jìn)而增加纖維與水泥基材料界面的黏結(jié)力［15-16］?；诖耍疚耐ㄟ^摻KH550 溶液、納米SiO2和KH550 復(fù)合液對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性，提高玄武巖纖維與水泥基材料的界面黏結(jié)力，從而增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

玄武巖纖維為短切纖維，長度18 mm，單絲直徑15 μm，主要性能指標(biāo)見表1。KH550 為無色透明液體，可溶于水和有機(jī)溶劑。納米SiO2為水性納米SiO2，粒徑20 ～ 30 nm。水泥為基準(zhǔn)水泥，砂為標(biāo)準(zhǔn)砂，化學(xué)試劑有丙酮、無水乙醇、氫氧化鈉。

表1 玄武巖纖維的主要性能

1.2 試驗(yàn)方法

1）改性玄武巖纖維的制備

①玄武巖纖維預(yù)處理。將玄武巖纖維在250 ℃的烘箱中加熱2 h，去除纖維表面的浸潤劑；待冷卻后將纖維放置于丙酮溶液中浸泡2 h，用自來水沖洗干凈，而后在自然環(huán)境中晾干，干燥后密封保存。

②制備KH550 溶液。以無水乙醇為溶劑，加入KH550，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、5%的溶液，然后在60 ℃恒溫水浴鍋中用玻璃棒攪拌30 min。

③制備納米SiO2和KH550 的復(fù)合液。以無水乙醇為溶劑，加入KH550，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的溶液，在60℃恒溫水浴鍋中用玻璃棒攪拌30 min。然后加入摻量（納米SiO2占KH550 的質(zhì)量百分比）分別為5%、15%、25%的納米SiO2攪拌1 h。

④按照3∶10的浴比（纖維與溶液的質(zhì)量比），往上述6種溶液中加入預(yù)處理后的玄武巖纖維，浸泡3 h后取出。在室溫下自然晾干后放入120 ℃烘箱中加熱2 h，在室溫下冷卻后密封保存。

2）玄武巖纖維表面形貌觀察

對(duì)未改性的和經(jīng)6種溶液改性后的玄武巖纖維單絲樣品進(jìn)行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡觀察玄武巖纖維表面情況。

3）玄武巖纖維接枝率計(jì)算

纖維預(yù)處理前，稱取纖維質(zhì)量（W0），改性試驗(yàn)結(jié)束后稱取質(zhì)量（W1），按照計(jì)算式（W1-W0）/W0求得玄武巖纖維接枝率。

4）玄武巖纖維耐腐蝕性能測(cè)試

用玄武巖纖維在氫氧化鈉溶液中的質(zhì)量損失率評(píng)價(jià)玄武巖纖維的耐腐蝕性能。

取未改性的和經(jīng)6 種溶液改性后的玄武巖纖維，按照1∶10 的浴比放入濃度1.0 mol/L 的氫氧化鈉溶液中，在室溫20 ℃下靜置3 h后取出，然后用去離子水將纖維洗凈晾干，測(cè)試?yán)w維質(zhì)量損失率。

玄武巖纖維質(zhì)量損失率計(jì)算式為（m0-m1）/m0。其中m0、m1分別為腐蝕前后纖維的質(zhì)量。

5）玄武巖纖維砂漿強(qiáng)度試件制備

纖維體積摻量設(shè)計(jì)為0.1%。先把標(biāo)準(zhǔn)砂加入到砂漿攪拌鍋中，然后加入玄武巖纖維，先慢攪30 s，再快攪30 s，再加入水泥，慢攪30 s，加入拌和水后慢攪30 s，停90 s，再快攪60 s，然后出鍋成型。試模尺寸為160 mm × 40 mm × 40 mm，成型好的試件放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，24 h 后拆模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，達(dá)到3、7、28 d齡期時(shí)測(cè)試砂漿試件的抗壓、抗折強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改性前后玄武巖纖維微觀形貌

改性前后玄武巖纖維微觀形貌對(duì)比見圖1。

圖1 改性前后玄武巖纖維微觀形貌對(duì)比（放大1000倍）

從圖1（a）—圖1（d）可見，采用KH550 溶液改性前，玄武巖纖維表面光滑，隨KH550 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，玄武巖纖維表面附著物逐漸增多，纖維表面也逐漸變粗糙。

從圖1（e）—圖1（g）中可見，采用納米SiO2和KH550 復(fù)合液改性后，隨復(fù)合液中納米SiO2摻量增加，玄武巖纖維表面附著物逐漸增多。納米SiO2摻量為25%時(shí)玄武巖纖維表面附著大量顆粒物，大大增加了玄武巖纖維表面的粗糙度。

2.2 改性玄武巖纖維接枝率

改性玄武巖纖維接枝率見表2。

表2 改性玄武巖纖維接枝率%

由表2 可知：①采用KH550 溶液對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性時(shí)，隨KH550 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，玄武巖纖維接枝率逐漸增加；采用納米SiO2和KH550 復(fù)合液對(duì)玄武巖纖維表面改性時(shí)，隨納米SiO2摻量增加，玄武巖纖維的接枝率逐漸增加。這與改性玄武巖纖維表面電子顯微鏡觀察結(jié)果吻合，說明隨著KH550 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)或納米SiO2摻量的增加，有更多的顆粒接枝到了玄武巖纖維表面。②采用KH550 溶液對(duì)玄武巖纖維表面改性時(shí)，當(dāng)KH550溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增至5%時(shí)，纖維接枝率增幅并不大，故選擇2%KH550 溶液改性的玄武巖纖維進(jìn)行砂漿力學(xué)性能分析。采用納米SiO2和KH550 復(fù)合液改性，KH550 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，納米SiO2摻量由15%增至25%時(shí)，纖維接枝率增幅較大，故選擇2%KH550 + 25%納米SiO2溶液改性的玄武巖纖維進(jìn)行砂漿力學(xué)性能分析。

2.3 玄武巖纖維耐腐蝕性能

改性前后玄武巖纖維質(zhì)量損失率對(duì)比見表3。可知：改性后玄武巖纖維質(zhì)量損失率均小于改性前。采用KH550 溶液改性時(shí)，隨KH550 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，玄武巖纖維的質(zhì)量損失率逐漸降低；KH550 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定，采用納米SiO2與KH550 復(fù)合液時(shí)，隨納米SiO2摻量增加，玄武巖纖維質(zhì)量損失率逐漸降低。這說明不管是KH550 溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，還是納米SiO2摻量增加，均可以提高玄武巖纖維的耐腐蝕性能。原因是：①KH550 水解后會(huì)在玄武巖纖維表面形成一層連續(xù)薄膜，阻礙腐蝕介質(zhì)的侵入，從而提高纖維的耐腐蝕性能；②KH550 溶液中的Si—O 鍵與腐蝕介質(zhì)中的OH-發(fā)生反應(yīng)，在一定程度上也可減少腐蝕介質(zhì)與玄武巖纖維的接觸［17］，提高纖維的耐腐蝕性能。

表3 改性前后玄武巖纖維質(zhì)量損失率對(duì)比%

2.4 摻玄武巖纖維砂漿力學(xué)性能

玄武巖纖維改性前后所制備的水泥砂漿力學(xué)性能對(duì)比見圖2。可知：①與摻改性前纖維制備的水泥砂漿相比，在3、7、28 d 齡期時(shí)，采用2%KH550 溶液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度分別提高1%、5%、2%，采用2% KH550 + 25%納米SiO2復(fù)合液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度分別提高4%、9%、4%。②與摻改性前纖維制備的水泥砂漿相比，3、7、28 d 齡期時(shí)，摻2%KH550 溶液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗折強(qiáng)度分別提高2%、3%、3%，摻2% KH550 + 25%納米SiO2復(fù)合液改性的玄武巖纖維制備的水泥砂漿抗折強(qiáng)度分別提高4%、8%、10%。這說明摻改性玄武巖纖維后，水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度均有一定程度提高。兩種改性溶液相比，采用2% KH550 + 25%納米SiO2復(fù)合液改性玄武巖纖維時(shí)水泥砂漿強(qiáng)度增幅較大。

圖2 玄武巖纖維改性前后所制備的水泥砂漿力學(xué)性能對(duì)比

KH550 是一個(gè)硅原子上含有兩種不同活性基團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑。經(jīng)KH550 溶液改性后的玄武巖纖維表面比較粗糙，一方面增加了與水泥砂漿的接觸面積，另一方面粗糙的表面也增大了與水泥砂漿的機(jī)械咬合力。此外，KH550 表面能較低，可均勻分布在玄武巖纖維表面，從而提高異種材料間的相容性［17］。

采用納米SiO2和KH550 復(fù)合液對(duì)玄武巖纖維表面改性后，玄武巖纖維表面粗糙度進(jìn)一步增加，玄武巖纖維表面的Si—OH 基與納米SiO2會(huì)形成新的Si—O—Si 鍵［18］，從而增加玄武巖纖維表面的極性基團(tuán)，增大玄武巖纖維與水泥基材料的化學(xué)鍵合力。因此，纖維與水泥基材料的黏結(jié)更緊密，從而提高了水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1）不論是采用KH550 溶液，還是采用納米SiO2和KH550 復(fù)合液對(duì)玄武巖纖維改性后，玄武巖纖維表面均附著顆粒物，表面變得粗糙。隨KH550 質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高和納米SiO2摻量增大，附著的顆粒物逐漸增多，纖維接枝率逐漸增加，耐腐蝕性能逐漸提升。

2）對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性，增大了玄武巖纖維與水泥基材料的機(jī)械咬合力和化學(xué)鍵合力，因而摻改性玄武巖纖維后水泥砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有所提高。