填料对聚合物矿物混凝土性能影响的实验研究.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 1 4 年 3 月 非金 属矿 N o n M e t a l l i c M i n e s Vlo 1 3 7 No 2 M a r c h，2 01 4 填料对聚合物矿物混凝土性能影响的实验研究 刘敬福 徐 ( 1 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院， 辽宁 阜新 平 于英华 李智超 1 2 3 0 0 0 ；2 辽宁工程技术大学 机械工程学院， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘 要 为探讨填料对聚合物矿物混凝土( P MC ) 性能的影响， 对水泥、 粉煤灰、 碳化硼、 氧化锌、 蒙脱土和有机化蒙脱土 6 种填料的 P MC进 行抗压强度、 抗折强度和耐蚀性能实验研究。结果表明， 填料对P MC抗压和抗折强度贡献由大到小依次为有机化蒙脱土、 蒙脱土、 粉煤灰、 水泥、 碳化硼、 氧化锌。有机化蒙脱土为填料的P MC 7 d 和 2 8 d 抗压强度分别为8 5 7 MP a 、 1 0 2 1 MP a ， 抗折强度分别为3 9 5 MP a 、 4 6 8 MP a ， 其在3 H C 1 、 1 5 N a O H、 盐雾和机 油切 削液 4种腐蚀介质 中强度保持 率分别为 8 5 9 、 9 3 1 、 8 6 8 和 9 5 7 ， 适合在对强度和耐蚀性要求 高的条件 下使用。蒙 脱土和粉煤灰为填料的P MC强度较高， 在机油切削液中强度保持率分别为9 4 1 和8 8 7 ， 适合在机床基础件中推广使用。 关键词填料 聚合物矿物混凝土 抗压强度 抗折强度 耐蚀性 中图分类号： T U 5 2 8 4 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 3 6 - 0 4 Ex p e r i me n t Re s e a r c h o n Ef f e c t o f F i l l e r o n Pr o p e r t i e s o f P o l y m e r M i n e r a l Co n c r e t e Li u J i n g f u Xu Pi n g Yu Yi n g h u a 2 Li Zh i c h a o ( 1 Co l l e g e o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y , F u x in ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ； 2 Co l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i ty, F u x in ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) Abs t r a c t Ef f e c t o f c e me nt ，f l y a s h ， bo r o n， z i n c ox i d e ， mo n t mo r i l l o n i t e a n d o r g a n i c mo n t mo r i l l o ni t e fil l e r s o n p r o p e r t i e s o f p o l y me r mi n e r a l c o n c r e t e( P MC) we r e s t u d i e d b y me ans o f c o mp r e s s i v e s tr e n g t h ， fl e x u r a l s t r e n g t h and c o r r o s i o n r e s i s t anc e t e s t s T h e r e s u l t s s h o we d t h a t fi l l e r s o n t h e c o mp r e s s i ve and r u p t u r e s t r e ng t h o f PMC o b e ye d t h e f o l l o wi ng o r d e r f r o m h i 【g h t o l o w： o r g a ni c mo n t mo r i l l o n i t e ，mo n t mo r i l l o n i t e ， fl y a s h ，c e me n t ， b o r o n， z i n c o x i d e Th e 7 d an d 2 8 d c o mp r e s s i v e s tre n g t h o fP MC wi th o r g an i c mo n t mo r i l l o n i t e fil l e r we r e 8 5 7 MPa ， 1 0 2 1 MPa ， 7 d a n d 2 8 d fle x u r a l s tre n g t h we r e 3 9 5 MPa ， 4 6 8 MP a ， the s t r e ng t h r e t e n t i o n p e r c e n t a g e we r e 8 5 9 ， 9 3 1 ，8 6 8 an d 9 57 i n 3 HC1 ，1 5 Na OH，s a l t s p r a y an d o i l c u t t i n g flu i d ，P MC wi t h o r gani c mo ntmo r i l l o n i t e f l l e r wa s s ui t a bl e f o r the r e q u i r e me n t s o f hi g h s tre n g t h an d c o rro s i o n r e s i s tan c e As t h e P M C fil l e r s ，mo n t mo r i l l o n i t e a n d fl y a s h h a d h i g h e r s t r e n g t h ， t h e s tr e n gth r e t e n t i o n p e r c e n t a g e i n o i 1 c u t t i n g fl u i d we r e 9 4 1 an d 8 8 7 ， we r e s u i t a b l e for the u s e i n f o un d a t i o n o f ma c h i n e t o o 1 Ke y wo r d s fi l l e r p o l y me r mi n e r a l c o n c r e t e( P MC ) c o mp r e s s i v e s tr e n gth fi e x u r a l s tr e n gth c o rr o s i o n r e s i s t anc e 聚合物矿物混凝土 ( 简称 P MC ) 为利用水泥混 凝土的制造方法、 施工技术和聚合物结合而得到的一 种新型材料， 主要由黏合剂、 骨料和填料 3 部分组成。 P MC与传统普通水泥混凝土相比， 强度大， 耐化学腐 蚀性和耐磨性良好， 耐水性和抗冻融陛较理想， 适于 做混凝土工程的修补材料 1 。用黏合剂来黏合骨料 和填料， 硬化时间可控且较短。P MC采用高强度薄 壁设计， 减轻构件质量， 降低输运成本。此外， P MC 阻尼高， 电绝缘I生 优异 2】 。 P MC研究始于上世纪八十年代， 时间较短， 有很 多尚待完善之处。如P MC材料中黏合剂基体、 固化 剂及其它助剂的种类选择及配比优化， 填料确定及 骨料级配， P MC动静态性能及模拟等。此外， 目前 P MC研究尚无统一的国际和国家标准， 多参照水泥 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 1 2 1 基金项目：国家自 然科学基 ( 5 1 3 7 5 2 1 9 ) 。 通讯作者，E - m a i l ： 8 6 9 1 0 3 6 3 6 q q c o rn。 3 6 混凝土相关标准， 有待统一。性能方面， P MC制件的 强度远低于钢及铸铁， 如何在不明显增加成本的前提 下进一步提高 P MC的强度成为重要的现实问题 3 。 课题组前期已对 P MC中黏合剂组分优化、 骨料级配 及 P MC动、 静态特性开展初步研究 4 _ ， 在此基础上， 本实验研究水泥、 粉煤灰、 碳化硼、 氧化锌、 蒙脱土和 有机化蒙脱土6 种填料对 P MC性能的影响， 为改善 其强度和耐蚀性提供基础研究依据。 1 实验部分 1 1 原料P MC所用黏合剂为环氧树脂 E 一4 4和 E 一 5 1 ， 工业级， 无锡树脂厂； 固化剂 T - 3 l ， 化学纯， 四川 蒲江精细化工厂； 增韧剂 D B P ， 化学纯， 河南濮阳艺 丰增韧剂有限公司。骨料采用阜新市大巴沟天然花 岗岩， 用颚式粉碎机粉碎， 形状为粉碎后的自然形状， 连续级配， 粒径范围O 1 O i n l n ， 水洗干燥后使用。填 料分别为： 4 2 5 R级普通硅酸盐水泥， 阜新大鹰水泥 厂； 粉煤灰， 阜新热电厂； 碳化硼， 化学纯， 宜兴市第 第3 7 卷第2 期 非金 属矿 2 0 1 4 年3 月 ：O ， 、 S i O ： 构成铝硅酸玻璃体， 具有化学活性， 在固 化过程作为胶凝材料的一部分起增强作用。粉煤灰 掺入混凝土中可减小内摩阻力， 减少树脂混凝土用 胶量， 起减胶作用。 提高 P MC的和易性， 施工方便。 粉煤灰中细微颗粒为中空的玻璃漂珠， 均匀分布在 P MC内， 填充微毛细孔隙， 改善 P MC孔结构， 增大密 实度。综合上述作用， 粉煤灰在本试验中对 P MC抗 压和抗折强度贡献较大。P MC中加入水泥填料后， 抗压、 抗折强度均较高。这是由于加入水泥填料， 水 泥颗粒与黏合剂混合充分， 形成胶体颗粒， 胶的有效 接触面积增大， 包裹在非金属矿物天然花岗岩骨料 表面， 充分填充骨料空隙。硬化时， 水泥颗粒与骨料 和黏合剂三者胶接， 既提供大的粘接表面积， 又减小 了孔隙率， 提高 P MC的强度。碳化硼和氧化锌粉末 填料作为硬相颗粒， 对提高强度起作用， 但作为化学 试剂， 碳化硼价格较高， 实用价值较小， 氧化锌潮解作 用强， 性质不稳定， 时间延长吸收水分， 膨胀变质， 使 P MC制件疏松， 降低强度， 其2 8 d 抗压、 抗折强度分 别降低 1 8 3 和 1 3 4 。 强度和密度对不同填料 P MC试样 比强度( 材料 强度与密度的比值) 有影响， 比强度为衡量材料轻质高 强重要指标之一。6 种填料制成P MC试件密度有差 异， 主要是 由于填料 自身密度和孔隙率不同。P MC试 件 的密度见表 2 ， P MC试件 7 d和 2 8 d比抗压强度和 比抗折强度见 图 3 。由图 3可见 ， 有机化蒙脱土为填 料的P MC试件比强度最高， 蒙脱土和粉煤灰为填料 的P MC试件比强度次之， 即在相同体积条件下轻质 高强， 减轻了自 重， 提高了强度。其中有机化蒙脱土为 填料的P MC 试件 7 d 比抗压强度和比抗折强度分别为 4 1 8 MP a c r n Z g和 1 9 2 MP a 。 c r n g ， 其比强度接近广泛 用作机床床身的珠光体灰铸铁的7 0 ， 力学性能优异。 表 2 不同填料 P M C的密度 ( g c m3 ) 填料 水泥粉煤灰碳化硼氧化锌蒙脱土 有机化蒙脱土 密度 2 3 6 2 2 6 2 2 1 2 2 3 2 0 4 2 0 5 图3 填料对P MC 比强度的影响 2 2 填料对P MC耐蚀I性能的影响取6 种填料制成 的P MC脱模后的试件各4 组， 每组 3 个做耐蚀性试 3 8一 验， 性能取算术平均值。将 4 组试样表面打磨后分别 浸在 3 盐酸、 1 5 N a O H 、 机油切削液和盐雾介质中， 3 d 后做抗压强度试验， 测试耐化学试剂试验后抗压强 度， 计算强度保持率。不同填料的P MC在介质中进 行耐化学试剂试验后抗压强度和强度保持率见图4 。 图4 不同填料对P MC 在介质中抗压强度和强度保持 率的影响 a 一 3 H C1 ；b 1 5 Na O H；c 一 盐雾 ；d - 机 油切 削液 由图 4可看 出， 4种介质对不同填料 P MC强度 影 响 由大到 小顺 序 为 3 H C 1 、 盐 雾、 1 5 Na O H、 机 油切削液。P MC中黏合剂与 T - 3 1 固化剂反应， 由 线形结构通过交联反应生成网状 ， 固化后 ， 生成酯基 和羟基。3 盐酸水溶液为强酸， 能使黏合剂中的 树脂醚键水解， 也能与酯基和羟基反应， 降低黏合剂 的强度进而使 P MC强度损失很大。3 5 N a C 1 盐雾 可腐蚀黏合剂， 喷雾压力共同作用下， 可在 P MC内 部产生微裂纹， 但该破坏小于溶胀溶解和化学裂解。 1 5 N a O H水溶液为强碱， 易使胶层酯基水解， 水解分 ；2 ： g ：； ； 柏 ； 踮 2 ： 2弱 P d 专 嘿 B d H 嘿 ： ； 伯 0 一 5 B d 三 嚼 基 刘敬福，徐平，于英华，等 填料对聚合物矿物混凝土性能影响的实验研究 离的N 水合降低水分子扩散， 一定程度上减缓腐蚀 作用。机油切削液为非极性有机介质， P MC中黏合 剂树脂有极性， 根据相似相容原则， 黏合剂树脂及其 它组分在机油中难溶， 能较好保持原有的力学性能。 6 种填料的 P MC在 4 种腐蚀介质中强度保持 率由大到t I, J l 序为有机化蒙脱土、 蒙脱土、 粉煤灰、 水泥、 碳化硼、 氧化锌， 与其强度变化规律一致。其 中， 有机 化 蒙脱 土 的 P MC在 3 Hc l 、 1 5 N a O H、 盐 雾和机油切削液4 种腐蚀介质中强度保持率分别为 8 5 9 、 9 3 1 、 8 6 8 和 9 5 7 。 由于 有机 化 蒙脱 土 与黏合剂基体的界面粘结性优异， 相容性好， 使腐蚀 介 质很难进 入蒙 脱土层 间， 表现为耐腐蚀性强。因 此， 从强度和耐蚀性考虑， 有机化蒙脱土适合用作 P MC中填料， 缺点是价格较高。P MC的用途之一是 作为机床的基础件 5 】 ， 以蒙脱土和粉煤灰为填料的 P MC在机 油切削液中强度保持率分别达到 9 4 1 和 8 8 7 。 蒙脱土作为黏土矿物之一 ， 来源广， 价格低廉 ； 粉煤灰作为电厂燃烧过程中产生的工业废料， 排放占 用土地， 造成环境污染 ， 将蒙脱土和粉煤灰 2 种非 金属矿物作为填料加入 P MC中， 提高强度又能降低 成本， 耐介质性能也较优良， 适合推广使用。 3 结论 1 6 种填料对 P MC抗压和抗折强度贡献由大 到小依次为有机化蒙脱土、 蒙脱土、 粉煤灰、 水泥、 碳 化硼、 氧化锌 。有机化蒙脱 土为填料 P MC的 7 d和 2 8 d 抗压强度分别为 8 5 7 MP a 、 1 0 2 1 MP a ， 抗折强度 分别为 3 9 5 MP a 、 4 6 8 MP a 。在 3 H C 1 、 1 5 Na OH、 盐雾和机油切削液4种腐蚀介质中强度保持率分别 为 8 5 9 、 9 3 1 、 8 6 8 和 9 5 7 ， 适合用作对强度和 耐蚀性要求高的P MC填料。 2 蒙脱土和粉煤灰为填料的P MC强度较高， 在 机油切削液 中强度保持率分别为 9 4 t 和 8 8 7 ， 提 高 P MC强度和耐蚀性又能降低成本 ， 适合在机床基 础件中推广使用。 参考文献 ： 1 叶姣凤， 冯利邦， 张粉芹， 等 混凝土修补用环氧树脂的抗冻融陛能 研 究 非金属矿 ， 2 0 1 1 ， 3 4 ( 4 ) ： 3 8 -4 0 2 金玉杰， 肖力光 环氧树脂混凝土现状与分析 明 吉林建筑工程学 院学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 4 ) ： 8 - 1 2 3 】 赵国云， 慕海瑞 国外薄层聚合物混凝土罩面在水泥混凝土桥面上 的应 用 现代交通技术 ， 2 0 1 3 ， l 0 ( 4 ) ： 4 - 8 4 刘敬福， 李智超， 徐平 K H - 5 5 0 对聚合物矿物复合材料力学性能的 影响 【 J 表面技术， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 2 1 4 5 】5徐平 ， 肖振 ， 谈海 南， 等 钢 纤维树脂混凝土填充结构机床基础件研 究 叨 机械设计 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 5 ) ： 5 2 5 5 6 】 刘敬福， 李赫亮， 于英华 纳米蒙脱土 环氧树脂胶粘剂的组分优 化 【 J 中国胶粘剂， 2 0 0 9 ， l 8 ( 5 ) ： 4 - 7 7 】 尚建丽， 李翔， 赵世冉 大掺量非金属矿渣混凝土的力学行为试验 研究 J 非金属矿， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 4 ) ： 1 2 1 5 8 徐 岩 粉 煤 灰基 多孔 玻 璃微 珠 研 制 明 非金 属矿 ， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 5 ) ： 3 1 3 3 觚 ( 上接第 3 5页) 2 6 2 X R D分析： 凹土原土与镀镍凹土棒晶X R D图 谱， 见 图8 。 从图 8 a 可看 出， 2 为 8 5 。 ( d 值为 1 0 4 n m) 显示的较强尖峰为凹土的特征衍射峰， 2 为 1 3 9 。 、 1 6 4 。 、 2 0 8 。 处 代 表 S i - O S i 晶 体 结 构 ， 2 为 3 1 0 。 、 4 2 1 。 处的衍射峰表示其中含有少量石英晶体。从图 8 b 可看出， 4 0 。 5 O 。 处较宽的衍射峰表明凹土棒晶表 面包覆的是非晶态 N i P合金。 5 0 1 5 0 2 5 0 3 5 0 4 50 5 5 0 2 o ( 。 ) 图8 凹土原土( a ) 、镀镍 凹土棒 晶( 1 ) ) 图谱 一3 9 3结论 1 化学镀镍酸性配方比碱性配方更适合凹土棒 晶表面施镀。施镀最佳时间为 3 0 6 0 min ， 镀前对凹 土棒晶敏化活化 3 次后施镀， 凹土棒晶表面可全部被 镍层覆盖。引进还原处理技术及胶体分散技术， 可延 长镀液寿命， 提高施镀粉体的分散度和产品质量。 2 采用S E M、 E D S 、 X R D对镀镍 凹土的微观形貌、 成分、 结构进行分析 ， 可知在 凹土表面沉积 了 1 层非 晶态的镍 一 磷合金镀层 。 参考文献： 1 薛书凯， 张炜， 郭亚林 纳米雷达吸波材料的研究进展 材料导报， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 1 8 2 1 8 6 2 陈小华， y - 4 t 雄， 邓福铭， 等 碳纳米管的化学镀镍研究 叨 新型炭 材料 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 3 9 4 3 3 】 刘永健， 王印培 次亚磷酸钠体系化学镀镍沉积机理探讨 华东 理工大学学报， 2 O O l ( 3 ) ： 3 O 1 3 0 6 ， 3 1 5