不同纤维对赤泥-煤系偏高岭土地聚合物力学性能的影响_王瑞杰.pdf

第 卷第期 年月太原理工大学学报 引文格式：王瑞杰，贾立军，郭天天，等不同纤维对赤泥煤系偏高岭土地聚合物力学性能的影响太原理工大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）；山西省基础研究计划资助项目（，）第一作者：王瑞杰（），硕士研究生，（）通信作者：韩鹏举（），教授，博士生导师，主要从事环境岩土工程的研究，（）不同纤维对赤泥煤系偏高岭土地聚合物力学性能的影响王瑞杰，贾立军，郭天天，申攀，赵文婧，冯辉民，马富丽，白晓红，何斌，韩鹏举（太原理工大学 土木工程学院，太原 ；山西山安立德环保科技有限公司，太原 ）摘要：为推进节能减排和实现固废利用，以赤泥、煤系偏高岭土和碱激发剂为主要原料，制备赤泥煤系偏高岭土地聚合物（），研究了玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维对 抗压强度、峰值应变、弹性模量、压缩韧性、吸能能力、抗折强度及微观形貌的影响。讨论了种纤维对 的增韧机理，研究结果表明：掺入纤维会改善 力学性能，提高其韧性和延性，其中玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维在强度方面增强效果接近，而聚乙烯醇纤维可有效改变 的脆性破坏模式，对压缩韧性和吸能能力的提升较大；从微观形貌上看，聚乙烯醇纤维的回潮率高，与基体的粘结效果优于其他纤维，对 的物理力学性能改善较好。关键词：地聚合物；纤维；抗压强度；抗折强度；微观中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（.，；.，）：，（），：；水泥是目前应用最广泛的建筑材料之一，据 中国建筑材料工业碳排放报告（年 度）显 示，年我国水泥产量为 ，是二氧化碳排放的重点行业之一，使用其他材料代替水泥是近年来讨论的重要课题。地聚合物作为一种低碳环保的新型胶凝材料受到了国 内 外 学 者 的 广 泛 关注，它由碱激发剂与赤泥、粉煤灰等硅铝质工业废渣制 备而 成，具 有早期强 度高、致 密性 好 等优势，在快速修补、耐火材料等领域有广泛的应用前景。赤泥是生产氧化铝过程中产生的强碱性固体废弃物，其堆存会对土地和环境安全造成隐患。煤系偏高岭土以煤系高岭土为原料生产而成，煤系高岭土是指高岭土含量在 以上的煤矸石，是可开发的重要无机非金属原料。目前，偏高岭土已被广泛应用于水泥基材料中，主要用于提高材料的力学特性和耐久性能。以赤泥和煤系偏高岭土为原材料制备地聚合物不仅实现了赤泥和煤系高岭土固体废弃物的资源化利用，而且对于环境保护具有重要意义。研究了不同 摩尔比对赤泥基地聚合物力学性能的影响，发现当 摩尔比为时，抗压强度可达 然而，研究中发现以赤泥和煤系偏高岭土为原材料制备的地聚合物存在着抗弯强度低和脆性较大的问题。掺入纤维是一种改善脆性的有效方法，在水泥基材料中已得到广泛应用，而地聚合物与水泥基材料相比，凝胶物质不同，且碱性较大，因此纤维在地聚合物中能否发挥增韧作用尚未可知。目前，已有学者已经针对这一问题展开研究。采用正交试验的方法研究了聚乙烯醇纤维对粉煤灰地聚合物的增韧效果，结果表明聚乙烯醇纤维能够提升地聚合物的拉伸性能和弯曲韧性。然而，当前关于纤维增韧地聚合物的研究大多只关注一种纤维的性能，而缺乏对多种纤维增韧性能的对比研究，因此本文将玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维分别掺入赤泥煤系偏高岭土地聚合物（）中，通过测试其抗压强度、抗折强度、弹性模量、压缩韧性和延性等来对比不同纤维的增韧效果；并结合扫描电镜研究了不同纤维在赤泥偏高岭土基地聚合物中的增韧机制。试验原材料本试验采用拜耳法赤泥，取自山西河津某铝厂，并将赤泥原料进行粉磨处理，粉磨至 目。煤系偏高岭土产自忻州金宇工贸有限公司，由煤系高岭土在 下煅烧 得到，外观呈现为白色粉末状，属硬质偏高岭土，具有高火山灰活性。赤泥和煤系偏高岭土的累积筛余曲线见图，通过射线荧光（）测得两材料的主要化学成分见表图赤泥和煤系偏高岭土粒径分布曲线 水玻璃由山西省圣海建材加工厂生产，其化学成分（）（）（），初始模数为 ，波 美度 为 ，密度 氢氧化钠产自中国天津凯通化学试剂有限公司，纯度大于 试验中的碱激发剂由水玻璃加氢 氧 化 钠 的 方 法 复 配 而 成，二 者 质 量 之 比 为，最终模数为 玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维均产自上海臣启化工科技有限公司，纤维长度为 时，在强度、韧性方面表现较好，因此本文选取纤维长度为进行试验，主要物理力学参数见表试验方案根据地聚合物的力学性能和耐久性等多个方面综合考虑，本文选用 ，（原子物 质的量之比），水灰比为，纤维体积掺量为太 原 理 工 大 学 学 报第 卷表拜耳法赤泥和煤系偏高岭土主要化学成分（质量分数）（）原材料 赤泥 煤系偏高岭土 表不同纤维的物理力学参数 纤维种类密度（）直径抗拉强度 弹性模量 断裂伸长率回潮率玻璃纤维 玄武岩纤维 聚丙烯纤维 聚乙烯醇纤维 ，煤系偏高岭土与赤泥的质量比为制备 试块，和 通过赤泥、煤系偏高岭土和碱激发剂中的、含量来计算。试验前，先将纤维用气枪吹散。按照试验要求，称取赤泥和煤系偏高岭土于砂浆搅拌机中搅拌 至混合均匀，随后边搅拌边将纤维多次分批放入，防止纤维聚集，继续干搅 后缓慢加入碱激发剂溶液充分搅拌，当浆料流动度合适时，停止搅拌，获得 浆料。本试验共制备组试块，第组为不掺纤维的空白对照组，记为 ，其他组分别掺入玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维以及聚乙烯醇纤维，记为 、和 试件尺寸为 的棱柱体试样。制备完成后，在 和相对湿度为 的条件下固化，分别在和 时测试其力学性能。抗压强度和抗折强度测试在量程为 的电液伺服万能试验机（，）进行。根据 水泥胶砂强度检验方法（法）测试抗压强度和抗折强度，加载速率分别为 和，强度取个试验结果的平均值。在试验过程中，通过数据采集系统记录施加的荷载和位移，以研究不同纤维增韧 的应力应变关系和荷载挠度关系。微观试样取自地聚合物抗压破坏面附近，使用 台式扫描电镜仪获取样品微观图像。试验时，用双面胶带将试件固定在铝桩上，为了防止电荷在样品表面积聚，在样品表面镀一层薄金。结果与讨论抗压强度分析不同纤维增韧的 抗压强度如图所示。测试结果表明，纤维增韧的 与无纤维 的抗压强 度结 果 较为接近，表明 纤 维的 掺 入对 的早期抗压强度影响不大。对于 抗压强度，除 外，纤维增韧的 均高于 对照组。对比发现 的 抗压强度明显高于其他纤维增韧的 ，其值达到 ，较不掺纤维的对照组提高了 ；此外，玄武岩纤维和聚丙烯纤维对 的 抗压强度也有一定程度的提升，增幅分别为 和 这是因为纤维在试块内部无序分布，在受到压荷作用时，有效阻 碍 了 横 向 变 形 和 微 裂 纹 的 扩 展，提 高 了 的抗压强度。图不同纤维增韧 的抗压强度 应力应变曲线分析试件标准养护 后，测得不同纤维增韧的 应力应变曲线如图 所示。在弹性变形阶段，应力随应变增加呈近似线性增长，当达到峰值应力时，试件上的裂纹开始迅速扩展，不同纤维增韧的 峰 值 后 应 力应 变 响 应 有 较 大 差 异。对 于 、，在峰值应力之后，随着应变的增加，应力显著降低，且残余应力迅速下降，这表明试件在达到峰值应力后突然崩坏，脆性破坏特性明显。相比之下，和 ，在峰值应力后强度下降较缓慢，具有较高的残余应力，表明纤维有效地延缓了裂缝扩展，改善了试样脆性破坏的特性，使得 由脆性破坏转变为具有一定塑性的破坏形态。第期王瑞杰，等：不同纤维对赤泥煤系偏高岭土地聚合物力学性能的影响图不同纤维增韧 的应力应变曲线 峰值应变对应应力应变曲线中最大应力处的应变值，见图 结果表明，随着纤维的掺入，的峰值应变有所提高。在四种纤维增韧的 中，和 在抗压破坏时表现出较大的峰值应变，分 别 为 和 ，与 无 纤 维 的 相比提高了 和 ；而 的峰值应变较低，仅为，表明玻璃纤维对 峰值应变的提高作用不明显。弹性模量能够反映材料的刚度特性，是一项重要的力学性能指标，本试验的弹性模量通过下式计算。（）式中：为 的弹性模量，；为 ；为对应的抗压强度值，；为峰值应力的倍，；是对应的应变。不同纤维增韧的 弹性模量如图所示。结果 表明，除玻 璃 纤维 外，其他纤 维的 掺 入 均使 弹性模量降低。与其他纤维增韧的 相比，的 弹 性 模量最 低，其值为 ，相较于不掺纤维的 降低了 以上结果说明，纤维的掺入降低了 的整体刚度。通过核磁共振对样品的孔隙率进行测试，、的孔隙率分别为 、和 可以看出，掺入纤维的 孔隙率变大，较大的孔隙率是引起其弹性模量降低的原因之一。此外，纤维作为外掺料加入 后，在应力作用下会产生变形，降低了整体的弹性模量，提高了抗裂能力。与 的弹性模量较为接近，这可能是因为玻璃纤维与地聚合物基体粘结不良，在受力过程中传递和消散应力的能力较弱，纤维易于与基体产生相对滑移，降低裂纹拓展速度的作用较弱导致的。图不同纤维增韧 的峰值应变和弹性模量 压缩韧性和总能量吸收分析韧性反映了材料在塑性变形和破坏过程中的吸能能力，本文中 的压缩韧性采用应力应变曲线下达到峰值应力前所包裹的面积表示 ，其计算式如下。（）（）式中：表示 的压缩韧性，；（）为材料的应力应变函数；为峰值应变。通过上式计算出的不同纤维增韧 的压缩韧性如图所示。可以看出，种纤维对 的压缩韧性均有积极作用，但不同纤维的增韧效果有所差异，其中 具有最大的压缩韧性，表明其增韧效果最好，与无纤维的 相比，压缩韧性的增幅达到 ，而 则表现出较差的压缩韧性，说明玻璃纤维对 的韧性改善作用不明显。将压缩韧性与应力应变曲线共同分析可知，峰值应变和抗压强度大小是影响 压缩韧性的两个重要因素，的峰值应变最大，但是其抗压强度较小，因此聚丙烯纤维的增韧效果并不理想，与 不同，的抗压强度大，但玄武岩纤维作为一种无机纤维，抗拉强度和弹性模量较高，与基体共同变形时，断裂伸长率较低，脆性大，故造成 峰值应变较低的结果，进而降低了其增韧效果，而 能够兼顾这两种因素，具有较大的抗压强度和峰值应变，使得聚乙烯醇纤维的增韧效果最为理想。在完全失效前的总能量吸收（）能较好的反映试件的压缩延性，该项指标可通过计算试件完全失效时，应力应变曲线下的面积得到，达到峰值后承受荷载为峰值荷载的 时认为试件完全失效 ，其计算方法如下：太 原 理 工 大 学 学 报第 卷（）（）式中：表示 的总能量吸收，；（）为材料的应力应变函数；为试件完全失效时的应变。图为不同纤维增韧 的 值。纤维增韧 的 均高于无纤维 ，表明纤维的掺入使 的吸能能力增强。相较而言，和 对 的 提 升 比 较 显 著，与 无 纤 维 的 相比，分别提高了 和 和 则表现出较差的吸能能力，这是因为其在达到峰值应力后，没有继续发生显著的位移，承载能力 的丧 失 较 为 突 然，而 和 在峰值应力后表现出较长的软化响应（最大荷载后变形），因此吸能能力提升明显。研究结果表明，聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维对提高 在峰值应力后的延性和软化响应具有重要意义。图不同纤维增韧 的压缩韧性和总能量吸收 抗折强度分析不同纤维增韧的 抗折强度如图所示。结果表明，掺入纤维的 在抗折强度上有不同程度的提升，其中玄武岩纤维提升效果最为明显，抗折强度达到 ，相较于无纤维的 ，提升率为 与前文中的 抗压强度相比，纤维在 抗折强度上的提升作用更为显著，相较于无纤维的 ，纤维增韧后的 抗折强度提升率均达到 以上，掺入纤维的 抗折强度提升的原因是，纤维相较于基体具有较高的抗拉强度和较小的拉伸率，因此通过裂缝表面的纤维可降低裂缝的宽度并承担一定的拉应力，直到纤维被拉断或从地聚合物基体中拔出。在种纤维增韧的 中，和 的 抗折强度较大，分别为 和 ，抗折强度提升率达到 和 ，相较而言，和 对抗折强度的提升较弱。在脆性基体中加入纤维后，复合材料的宏观抗弯强度与纤维强度密切相关，当纤维与基体的强度比较低时，复合材料强度随纤维抗拉强度的增加而增加，因此 和 表现出较高的抗折强度。当纤维与基体的强度比较大时，纤维强度的增加无法进一步增加材料的宏观强度，因此虽然玄武岩纤维的抗拉强度高于聚乙烯醇纤维，但 和 却表现出相近的抗折强度。图不同纤维增韧的 抗折强度 荷载挠度曲线分析图显示了在三点弯曲试验中，不同纤维