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作者：

王梦尧

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摘要：

传统水泥基复合材料的开裂及耐久性问题一直是建筑材料领域内研究的重点.随着材料科学的进步,纤维增强水泥基复合材料近几年来发展迅速.玄武岩纤维作为一种新型环保的无机材料,其资源储备充足,生产工艺较为简单,且本身具有非常优异的物化性能,将其添加到水泥基材料中,可以有效改善材料较差的抗拉抗弯性能,易开裂及耐久性差等问题.但作为一种增韧材料,玄武岩纤维表面缺陷限制了其最大性能的发挥,所以对其进行表面改性逐步成为相关研究重点.本文使用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面改性,分析改性后纤维的力学性能及耐腐蚀性,研究其增强水泥基复合材料的性能,进而对相关结果进行机理分析.试验通过使用浓度分别为0.4%,0.8%,1.2%的CG550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷),CG570(γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷)和Z6518(乙烯基三乙氧基硅烷)三种硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面改性,并对改性后玄武岩纤维进行拉伸强度,伸长率以及酸碱介质侵蚀等试验,从宏观角度探究改性后玄武岩纤维自身的性能变化;并采用SEM观测的方法对玄武岩纤维改性前后微观状态进行表征,进而探讨硅烷偶联剂增强纤维性能的机理.实验结果表明:玄武岩纤维进行表面处理后,可以使得生产过程中造成的表面缺陷得以弥补.经CG550和CG570改性后玄武岩纤维的力学性能得到明显改善,其中浓度为1.2%CG550和浓度为0.8%的CG570综合作用效果最好.与原纤维组相比,浓度为1.2%的CG550使玄武岩纤维拉伸强度提高6.2%;浓度为0.8%的CG570使玄武岩纤维拉伸强度提高5.8%.在酸,碱性介质中玄武岩纤维易受腐蚀,且随着腐蚀介质浓度的升高,纤维的失重率和强度损失率都逐渐升高.改性后玄武岩纤维随着所用硅烷偶联剂浓度的增高,纤维的耐腐蚀性提升也较为明显.相同HCl浓度下,经CG550,CG570处理后的纤维其耐酸腐蚀性有改善明显:当HCl浓度为2mol/L时,1.2%浓度CG570处理后纤维失重率降低了原纤维组的55.6%,强度保持率提升了13.6%;相同NaOH浓度下,经CG550,CG570,Z6518处理后的纤维其耐碱腐蚀性均有一定程度提高,其中CG550,CG570的改性效果更加显著:当NaOH浓度为2mol/L时,1.2%浓度CG570处理后纤维失重率降低了原纤维组的掺量50%,强度保持率提升了13.1%.硅烷偶联剂作用于玄武岩纤维表面,通过对纤维表面的缺陷进行修复以及对其进行包裹来提高纤维本身的力学性能;改性后纤维表面更加致密,降低了腐蚀介质与纤维本身接触的概率,从而提高了其耐腐蚀性.通过正交试验的方法探究水胶比(W/B),砂胶比(S/B),粉煤灰与水泥比(F/C)对玄武岩纤维水泥基复合材料力学性能的影响,通过分析该三个因素的影响显著性设计水泥基复合材料的配合比,并以此指导改性后玄武岩纤维水泥基复合材料(mBFRC)的制备.对mBFRC进行力学性能测试,以其结果表征玄武岩纤维的改性效果,并分析相关作用机理.实验结果表明:三个因素中按影响的显著性从高到低依次为:水胶比,砂胶比,粉煤灰和水泥比.经过改性后的玄武岩纤维,表面的附着物使得纤维变得粗糙,且表面润湿度增大,使纤维与水泥砂浆的界面得到改善,二者间锚固力得到提升.经CG550和CG570改性后玄武岩纤维增强的水泥基复合材料,其抗折强度,抗压强度均得到不同程度的提升;使用Z6518改性纤维的复合材料组,虽然纤维对mBFRC的整体增强效果并不明显,但是其早期强度增长较为迅速.经浓度为1.2%CG570改性后玄武岩纤维,其mBFRC的28d抗折强度为14.8MPa,较原纤维组提升20.3%,较预处理组提高24.3%;抗压强度为62.1MPa,较原纤维组提升10.7%,较预处理组提高7.3%.硅烷偶联剂改性后的玄武岩纤维可以提高水泥基复合材料的力学性能,其作用机理主要是通过提高纤维表面润湿度,使得纤维可被水泥基材料能更好地包裹,从而提高了界面强度,达到提高纤维水泥基复合材料力学性能的目的.

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