鋁溶膠改性水泥基復(fù)合材料性能研究

　　摘要：以鋁溶膠作為外摻物質(zhì)，研究了不同摻量鋁溶膠對(duì)水泥基復(fù)合材料流動(dòng)度、力學(xué)性能、耐磨性能的影響，并分別對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著鋁溶膠摻量的增加，水泥基復(fù)合材料流動(dòng)度逐漸降低，當(dāng)鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，振動(dòng)后幾乎無流動(dòng)度;在不同齡期下，試件的抗折及抗壓強(qiáng)度隨著鋁溶膠摻量的增加總體表現(xiàn)為先增加后降低，當(dāng)鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%左右時(shí)，水泥基復(fù)合材料抗折及抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最佳;在鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，試件的耐磨性能顯著增強(qiáng)。

　　本文源自合成纖維,2020,49(09):49-53.《合成纖維》(月刊)創(chuàng)刊于1972年，是由國(guó)家科委批準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的國(guó)家級(jí)合纖技術(shù)類刊物。它主要報(bào)道我國(guó)合成纖維工業(yè)的科研和生產(chǎn)方面的技術(shù)成果，如合成纖維新產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用、新型合成纖維加工設(shè)備和助劑等，介紹世界合成纖維工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，已越來越受到國(guó)內(nèi)外同行的關(guān)注，適合于從事石油化工、高分子材料和合成纖維生產(chǎn)、科研、設(shè)計(jì)、加工應(yīng)用及管理部門的專家、工程技術(shù)人員和大專院校師生閱讀。

　　地坪修補(bǔ)材料在使用過程中要不斷經(jīng)受沖擊、振動(dòng)、疲勞和磨損，隨著車輛、物資等載荷的不斷增大，對(duì)地坪材料相關(guān)性能也提出了更高的要求。另外，地坪修補(bǔ)材料本身作為薄層結(jié)構(gòu)，更易受到?jīng)_擊、疲勞和磨損破壞，因此，改善地坪修補(bǔ)材料性能，以提高地坪耐磨耗、抗重載沖擊性能就顯得尤為重要。

　　納米材料因小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)，其比表面積及表面原子數(shù)遠(yuǎn)大于常規(guī)材料，并造成納米材料表面原子配位嚴(yán)重不足，從而產(chǎn)生大量不飽和鍵，具有很高的表面活性，易與其他原子結(jié)合[1]。目前針對(duì)納米材料水泥基復(fù)合材料的性能研究，已經(jīng)發(fā)展到多維度[2]。向水泥基材料中摻入納米材料，一方面利用其高反應(yīng)活性迅速地與水泥水化產(chǎn)生的CH發(fā)生反應(yīng)，生成有利于強(qiáng)度發(fā)展的C—S—H、C—A—H等凝膠體[3,4];另一方面，細(xì)小的納米顆粒能夠作為微集料填充在水泥基材料內(nèi)部，減少空隙，提高密實(shí)度[5,6]。

　　目前，相關(guān)研究主要以納米SiO2[7,8]為主，也有關(guān)于納米CaCO3[9,10]、TiO2[11]、Fe2O3[12]以及碳納米管[13]等的相關(guān)研究。對(duì)于納米粉體材料的研究居多，對(duì)納米溶膠的研究還很少，特別是對(duì)鋁溶膠在水泥基材料中的應(yīng)用還少見報(bào)道，缺乏相應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究。

　　本試驗(yàn)選擇鋁溶膠作為外摻物質(zhì)，研究了不同摻量鋁溶膠對(duì)水泥基復(fù)合材料的流動(dòng)度、力學(xué)性能、耐磨性能的影響，并分別對(duì)其機(jī)制進(jìn)行了分析。

　　1、試件概況

　　1.1試件制備

　　水泥采用拉法基42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。標(biāo)準(zhǔn)砂，粒徑為0.1～0.6mm。鋁溶膠為廣東省東莞市鹽峰化工有限公司生產(chǎn)，含固量為30%。減水劑為聚羧酸減水劑，減水率為29%。水為重慶本地自來水。以鋁溶膠摻量變化共設(shè)置了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%七組不同工況的試件，七組試件分別編號(hào)為L(zhǎng)0～L6，各組具體配合比設(shè)計(jì)見表1。采用機(jī)械攪拌，各組試件分別制作3、7、28d三個(gè)齡期。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　1.2.1流動(dòng)性

　　砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)參照GB/T2419—1994《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》，采用NLD3型水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀(又稱“跳桌”)，跳動(dòng)30次后，用鋼尺測(cè)量摻鋁溶膠水泥砂漿底面最大擴(kuò)散直徑及與其垂直的直徑，計(jì)算平均值，取整數(shù)，即為砂漿流動(dòng)度。

　　表1配合比下載原表

　　表1配合比

　　1.2.2力學(xué)性能

　　參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》，抗折及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均采用TYEH-2000型微機(jī)控制恒加載壓力試驗(yàn)機(jī)。

　　1.2.3耐磨性能

　　參照J(rèn)C421—2004《水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法》，采用TMS—04型水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行砂漿耐磨性能試驗(yàn)，以磨損量來表征其耐磨性能。

　　2、結(jié)果與分析

　　2.1流動(dòng)度

　　由圖1可知，當(dāng)鋁溶膠摻量增加時(shí)，水泥砂漿試件流動(dòng)度逐漸下降，且影響顯著。當(dāng)鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，砂漿流動(dòng)度較參照試件下降了約36.2%，下降幅度明顯，振動(dòng)后幾乎沒有流動(dòng)度。砂漿試件不摻鋁溶膠時(shí)，其跳桌流動(dòng)度為165mm，砂漿試件流動(dòng)度較好，振實(shí)臺(tái)振搗后成型密實(shí);當(dāng)砂漿試件中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%鋁溶膠時(shí)，其流動(dòng)度降為104mm，試件幾乎不流動(dòng)，成型后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更多更大的空隙。試驗(yàn)表明，當(dāng)鋁溶膠在砂漿中摻量過大，會(huì)使得砂漿很難密實(shí)成型，產(chǎn)生更多的內(nèi)部缺陷，從而對(duì)砂漿性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，鋁溶膠摻量要維持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，而并不是摻量越多越好。摻入鋁溶膠使砂漿試件流動(dòng)度下降的原因可能是由于鋁溶膠中納米Al2O3顆粒細(xì)小，具有極高的表面能和比表面積，由于范德華力，納米材料會(huì)吸附自由水導(dǎo)致砂漿流動(dòng)度下降[8]。另外，鋁溶膠自身黏度范圍很寬，具有較強(qiáng)的增黏效果，因此將其摻入砂漿中也會(huì)導(dǎo)致砂漿流動(dòng)度的降低。

　　圖1水泥復(fù)合材料流動(dòng)度隨鋁溶膠摻量的變化

　　2.2力學(xué)性能

　　2.2.1抗折強(qiáng)度

　　由圖2可知：在相同鋁溶膠摻量的條件下，水泥基復(fù)合材料試件抗折強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸增大;在不同齡期下，水泥基復(fù)合材料試件抗折強(qiáng)度隨鋁溶膠摻量的增加均表現(xiàn)為先增加后降低。當(dāng)鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，試件抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值。此時(shí)，試件的3、7、28d抗折強(qiáng)度分別為9.56MPa、10.75MPa和12.43MPa，較參照試件分別提高了11.2%、12%和7.8%。當(dāng)鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%時(shí)，試件各齡期抗折強(qiáng)度隨著鋁溶膠摻量的增加反而降低，且降幅明顯。說明摻入適量的鋁溶膠能促進(jìn)其抗折強(qiáng)度，但摻量過多反而對(duì)抗折強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　圖2不同齡期試件抗折強(qiáng)度隨鋁溶膠摻量的變化

　　2.2.2抗壓強(qiáng)度

　　由圖3可知：在相同鋁溶膠摻量下，各配比水泥基復(fù)合材料試件抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸增大;各齡期下鋁溶膠水泥基復(fù)合材料試件的抗壓強(qiáng)度隨鋁溶膠摻量的增加均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。水泥基復(fù)合材料試件抗壓強(qiáng)度在鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)也達(dá)到了峰值。當(dāng)摻量超過2%時(shí)，各齡期水泥基復(fù)合材料試件抗壓強(qiáng)度反而逐漸降低。但3d和7d水泥基復(fù)合材料試件抗壓強(qiáng)度仍高于未摻鋁溶膠的參照試件，然而28d水泥基復(fù)合材料試件抗壓強(qiáng)度在鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)低于參照試件。

　　圖3不同齡期試件抗壓強(qiáng)度隨鋁溶膠摻量的變化

　　綜上所述，并非鋁溶膠摻量越高，對(duì)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能改善效果越好，僅當(dāng)鋁溶膠摻量控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，才能更好地改善其力學(xué)性能。究其原因可能在于鋁溶膠中的納米Al2O3具有高反應(yīng)活性和小尺寸效應(yīng)，隨著鋁溶膠摻入水泥砂漿試件中，納米Al2O3能與水泥水化產(chǎn)生的CH發(fā)生二次反應(yīng)，從而促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，生成更多有利于砂漿強(qiáng)度的C—S—H、C—A—H等凝膠。同時(shí)，細(xì)小的納米Al2O3顆粒能夠作為晶核，使水化產(chǎn)物在晶核表面優(yōu)先沉積，限制了CH晶體的生長(zhǎng)，加速了凝膠的生成;另外，納米Al2O3顆粒尺寸細(xì)小，能夠作為“微集料”填充在砂漿試件內(nèi)部細(xì)微空隙之中。

　　由于鋁溶膠這兩方面的作用使得復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加均勻密實(shí)，從而使其力學(xué)強(qiáng)度得以提高。然而，當(dāng)鋁溶膠摻量過多，一方面使得水泥基復(fù)合材料流動(dòng)度大幅度下降難以成型密實(shí)，造成試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較多細(xì)微空隙和缺陷;另一方面，過多的鋁溶膠容易發(fā)生膠凝團(tuán)聚，使鋁溶膠中納米顆粒活性降低，且在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)團(tuán)絮狀物而成為薄弱環(huán)節(jié)，因此鋁溶膠摻量過多，對(duì)試件力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　2.3耐磨性能

　　從圖4可知：隨著齡期的增長(zhǎng)，各組鋁溶膠水泥基復(fù)合材料試件的單位面積磨損量均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，相應(yīng)耐磨性能均隨著齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng);隨著鋁溶膠摻量的增加，復(fù)合試件單位面積磨損量均降低，可見鋁溶膠摻入水泥砂漿中，能顯著改善其耐磨性能，但在不同齡期下，隨著鋁溶膠含量的增加，磨損量降低幅度有減小的趨勢(shì)。砂漿的磨損就是表面材料經(jīng)受著裂紋形成、擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展及碎屑脫離本體這一循環(huán)過程[15]。毛波[16]認(rèn)為納米SiO2對(duì)混凝土耐磨性能的改善機(jī)制可以從兩個(gè)方面去分析，一是納米SiO2顆粒對(duì)水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)的改善，另一方面是納米SiO2顆粒對(duì)水泥漿體與集料之間黏結(jié)界面結(jié)構(gòu)的改善。參考于此，可從鋁溶膠對(duì)水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)和水泥基體與集料黏結(jié)界面結(jié)構(gòu)的改善兩個(gè)方面分析鋁溶膠對(duì)砂漿耐磨性能的增強(qiáng)機(jī)制。

　　圖4不同齡期試件單位面積磨損量隨鋁溶膠摻量的變化

　　2.3.1鋁溶膠對(duì)水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)的改善

　　鋁溶膠為納米Al2O3顆粒在水中的懸浮液，納米Al2O3顆粒具有高反應(yīng)活性，能加速水泥水化生成的CH反應(yīng)[17]，促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多對(duì)強(qiáng)度有利的產(chǎn)物。同時(shí)，納米Al2O3顆粒可作為晶核，使水化產(chǎn)物在其表面優(yōu)先沉積，限制CH的生長(zhǎng)，使砂漿的水化結(jié)晶程度合理，提高了水泥基體的均勻性和密實(shí)度，從而改善了砂漿耐磨性能。

　　2.3.2鋁溶膠對(duì)水泥基體與集料黏結(jié)界面結(jié)構(gòu)的改善

　　鋁溶膠對(duì)水泥基體與集料黏結(jié)界面結(jié)構(gòu)的改善主要體現(xiàn)在鋁溶膠中的納米Al2O3顆粒對(duì)基體與集料之間黏結(jié)界面的改性及降低了黏結(jié)界面孔隙率兩個(gè)方面。由于黏結(jié)界面區(qū)疏松多孔，且伴有定向排列的CH晶體[18]，使得水泥基體與集料之間的黏結(jié)界面成為砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。隨著鋁溶膠的摻入，由于溶膠中納米Al2O3顆粒的“晶核”效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，一方面限制了水化產(chǎn)物CH晶體的生長(zhǎng)，使其數(shù)量減少、晶粒細(xì)化以及取向度得到降低，從而使水泥基體與集料之間的黏結(jié)變得更緊密;另一方面，細(xì)化的CH晶體、C—S—H等凝膠、未反應(yīng)的納米Al2O3顆粒等能更好地填充在黏結(jié)界面疏松多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，使黏結(jié)界面孔隙率降低，提高了黏結(jié)界面的致密程度，從而使得砂漿耐磨性能得到增強(qiáng)。

　　然而鋁溶膠摻入過量，對(duì)砂漿耐磨性能反而產(chǎn)生負(fù)面影響。這主要是因?yàn)榇罅夸X溶膠摻入會(huì)顯著影響砂漿漿體流動(dòng)度，造成砂漿成型困難;另一方面，鋁溶膠摻入過多，自身會(huì)發(fā)生膠凝團(tuán)聚，影響納米Al2O3顆粒“晶核”效應(yīng)及小尺寸效應(yīng)的發(fā)揮，形成的凝膠體也會(huì)成為砂漿內(nèi)部一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致砂漿耐磨性能降低。

　　3、結(jié)語

　　本試驗(yàn)通過在水泥砂漿中摻入不同摻量的鋁溶膠制備鋁溶膠水泥基復(fù)合材料，研究了鋁溶膠摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度、力學(xué)性能、耐磨性能及抗沖擊性能的影響，得出如下結(jié)論：

　　(1)當(dāng)鋁溶膠摻量增加時(shí)，砂漿流動(dòng)度逐漸降低。當(dāng)鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，砂漿流動(dòng)度較參照試件下降了約36.2%，振動(dòng)后幾乎無流動(dòng)度。

　　(2)在3、7、28d不同齡期下，鋁溶膠水泥基復(fù)合材料抗折及抗壓強(qiáng)度隨著鋁溶膠摻量的增加總體表現(xiàn)為先增加后降低。當(dāng)鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，水泥基復(fù)合材料不同齡期的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值。鋁溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%左右時(shí)，增強(qiáng)性能達(dá)到最佳。

　　(3)隨著鋁溶膠摻量的增加，復(fù)合試件單位面積磨損量均降低，但降低幅度漸趨平緩。

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