陳建波，穆 琰，馬紅宵，任曉林，趙風(fēng)清

(1.河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊050051;2.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，石家莊050018)

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快及高等級(jí)公路的快速發(fā)展，架空線路暴露出很多與城市發(fā)展不協(xié)調(diào)的矛盾?，F(xiàn)有城市架空線路的發(fā)展趨勢(shì)以入地為主，由于線路屬地下敷設(shè)，不占用地上空間，有利于城市美觀和線路安全。從我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)及改造實(shí)現(xiàn)空中電纜(線)地下化的需要來(lái)看，其數(shù)量是巨大的，時(shí)間是長(zhǎng)期的。但地下線路的建設(shè)費(fèi)用大，穿管是最經(jīng)濟(jì)的辦法，要求線路管具有機(jī)械強(qiáng)度大和耐壓、耐酸堿，管內(nèi)壁光滑無(wú)毛刺等特點(diǎn)。與其它電纜管相比，纖維水泥電纜管具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、性能優(yōu)越、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可用作農(nóng)村和城市煙囪管，產(chǎn)品適用面廣，市場(chǎng)銷售前景十分看好。

傳統(tǒng)的纖維電纜管生產(chǎn)采用普硅水泥作為膠凝材料、石棉作為增強(qiáng)材料，但由于石棉資源日益減少，并且石棉粉塵對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，因而用石棉作纖維水泥電纜管的增強(qiáng)材料已不合時(shí)代要求。目前，歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已全面禁止使用石棉制品;在國(guó)內(nèi)，一些城市也提出這方面的要求［1］。因此，傳統(tǒng)的石棉水泥電纜管，無(wú)論從原材料供應(yīng)方面，還是從環(huán)保方面，都難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和地下電纜工程的需要，研制開(kāi)發(fā)無(wú)石棉的纖維水泥電纜管，尋找增強(qiáng)纖維石棉的代用品已迫在眉睫。

本文以礦渣和粉煤灰等固體廢棄物為主要原材料制備了生態(tài)型膠凝材料，用于替代普硅水泥，以期降低纖維水泥管的生產(chǎn)成本，并在此基礎(chǔ)上以復(fù)合纖維作為增強(qiáng)材料制備出高性能有機(jī)纖維水泥管，并利用XRD、SEM分析了其水化及增強(qiáng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

原材料包括:河北華電石家莊分公司南焦電廠濕法脫硫石膏;河北上安電廠粉煤灰;河北敬業(yè)集團(tuán)水淬高爐礦渣;曲寨水泥有限公司硅酸鹽水泥熟料;助劑采用市售化工原料配制，包括CF-Ⅲ激發(fā)劑、減水劑等;市售海泡石纖維;市售專用高模量維綸。

主要原材料化學(xué)成分見(jiàn)表1，高模量維綸的技術(shù)性能見(jiàn)表2，海泡石纖維篩選指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 原料化學(xué)成分 /%

表2 高模量維綸的技術(shù)性能

表3 海泡石纖維篩選指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

水泥強(qiáng)度測(cè)試依照GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，其它指標(biāo)依照GB/T1346-2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》?？拐酆奢d、外壓荷載、吸水率測(cè)定依照J(rèn)C980-2005《纖維水泥電纜管及其接頭》中的方法進(jìn)行測(cè)試。

生態(tài)型水泥的配制:采用Φ500mm×500mm試驗(yàn)?zāi)?，將礦渣、粉煤灰、水泥熟料和激發(fā)劑等按一定配比粉磨至要求的細(xì)度。按照不同的物料配比，助劑溶于水先與膠凝材料混合，再與各種纖維混合均勻，在成管機(jī)上成型，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期。

1.3 生態(tài)型膠凝材料的制備

膠凝材料是水泥電纜管強(qiáng)度形成的關(guān)鍵組分。本文所用的膠凝材料以固體廢棄物礦渣、粉煤灰、脫硫石膏等為主要原材料，復(fù)合少量的硅酸鹽水泥熟料和我院自主研制的水泥激發(fā)劑CF-Ⅲ，共同粉磨至比表面積450m2/kg左右，制成生態(tài)型水泥，試驗(yàn)選擇不同的礦渣和粉煤灰的摻量，研究物料的匹配性能，水泥配比見(jiàn)表4。強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 生態(tài)水泥原料配比 /%

表5 生態(tài)水泥強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 /MPa

由表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:生態(tài)水泥中A1的抗壓強(qiáng)度最好，抗折強(qiáng)度卻最差，隨著摻灰量的提高，水泥的抗壓強(qiáng)度有趨于降低，抗折強(qiáng)度卻趨于提高，這說(shuō)明粉煤灰增強(qiáng)了膠凝材料的柔韌性，摻灰量超過(guò)15%時(shí)，強(qiáng)度明顯下降;對(duì)比以上結(jié)果，選擇A4組為適宜配方，對(duì)A4配比進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)配方為礦渣58%、熟料21%、粉煤灰14%、脫硫石膏6%、CF-Ⅲ激發(fā)劑1%。生態(tài)水泥與普硅水泥性能對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 生態(tài)水泥與普硅水泥的性能對(duì)比

由表6可以看出，生態(tài)水泥抗壓強(qiáng)度略有提高，抗折強(qiáng)度提高的幅度較大，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量相近，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，安定性合格，綜合性能滿足《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007標(biāo)準(zhǔn)要求?？傊?，采用該配比制備的生態(tài)型水泥完全可以替代普通硅酸鹽水泥用于水泥電纜管的生產(chǎn)。

1.4 電纜管配方設(shè)計(jì)試驗(yàn)

確定纖維的品種及復(fù)合性能研究，不同纖維的長(zhǎng)度、直徑的分散系數(shù)規(guī)律，均勻性分布效果評(píng)價(jià)用于水泥基材料的纖維種類很多，有鋼纖維、石棉纖維、纖維素纖維、玻璃纖維、碳纖維、尼龍纖維、維綸纖維和聚丙烯纖維等［2］。

本文以國(guó)產(chǎn)專用高模量維綸和海泡石纖維替代石棉作為增強(qiáng)材料，用于纖維水泥制品的生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)所制備的電纜管進(jìn)行抗折荷載、外壓荷載、吸水率測(cè)試，探討二者代替石棉的可行性。

試驗(yàn)采用的基本配方是:自制生態(tài)水泥83%，纖維增強(qiáng)材料15%，其他輔助材料2%。根據(jù)基本配方，確保生態(tài)水泥與輔助材料比例恒定，調(diào)整增強(qiáng)材料的比例。在生產(chǎn)線試制一定數(shù)量的樣品，根據(jù)試制結(jié)果確定其配比，確定最優(yōu)方案。

(1)纖維摻加比例的確定。根據(jù)既往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)此步提出以下要求:可以抄取卷制成管坯，回水濃度不超過(guò)3.0%，管體經(jīng)養(yǎng)護(hù)后有一定強(qiáng)度(移動(dòng)時(shí)纖維管不易斷裂)，部分試制配方及其結(jié)果見(jiàn)表7。

(2)性能測(cè)試。依據(jù)表7的結(jié)論，選取用3#、4#配方試制的纖維管分別制備10支對(duì)其物理性能進(jìn)行測(cè)試，并與石棉水泥電纜管對(duì)比。結(jié)果見(jiàn)表8。

從表8可以看出，采用3#、4#配方生產(chǎn)的電纜管，抗折、外壓荷載均高于石棉水泥電纜管，吸水率略高，但滿足JC 980-2005《纖維水泥電纜管及其接頭》中吸水率不大于23%的要求，因此，3#、4#均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮到成本因素，選取3#為生產(chǎn)配方。

表7 確定纖維增強(qiáng)材料配比的試驗(yàn)結(jié)果(部分)

表8 物理性能測(cè)試結(jié)果

1.5 水化機(jī)理探討

本文運(yùn)用SEM和XRD兩種檢測(cè)手段，對(duì)制備的生態(tài)型膠凝材料水化產(chǎn)物的種類和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并研究該膠凝材料水化產(chǎn)物形成過(guò)程中的物理和化學(xué)變化，提出該體系的水化硬化機(jī)理。

圖1 生態(tài)水泥XRD圖譜

由圖1可以看出，XRD結(jié)果顯示，體系水化1d時(shí)，組分主要有硬石膏(Ⅱ型)、水化鋁酸鈣等，未形成明顯的鈣礬石特征峰。3d時(shí)少量形成鈣礬石，水化鋁酸鈣進(jìn)一步增加，硬石膏(Ⅱ型)峰略有降低。7d時(shí)形成大量的鈣礬石，特征峰明顯。水化鋁酸鈣峰逐漸下降。28d時(shí)水化產(chǎn)物以大量的鈣礬石為主，同時(shí)硬石膏(Ⅱ型)含量大大降低，水化鋁酸鈣峰基本削弱不見(jiàn)，同時(shí)，峰的基線增高，無(wú)定型物質(zhì)增加，C-S-H凝膠大量形成。

通過(guò)XRD圖譜可以推斷纖維水泥管的水化及強(qiáng)度形成機(jī)理，即:熟料和激發(fā)劑為生態(tài)型水泥的水化提供堿性環(huán)境，激發(fā)劑在提供液相堿度的同時(shí)還直接破壞粉煤灰與礦渣中玻璃體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［3］，釋放出Ca2+和硅(鋁)氧四面體，不斷生成C-S-H凝膠，并與反應(yīng)生成AFt晶體，礦渣水化放出的硅(鋁)氧四面體與液相中的Ca2+反應(yīng)生成C-S-H凝膠，使液相中Ca2+含量減少。粉煤灰持續(xù)解離，不斷地釋放出Ca2+，礦渣不斷地吸收Ca2+生成C-S-H凝膠和AFt晶體，直至水化完全，水泥石中C-S-H凝膠及AFt量增加，空隙得到填充，孔隙率下降，結(jié)構(gòu)致密度提高，使生態(tài)型水泥表現(xiàn)出優(yōu)良性能。纖維在膠凝材料中的主要作用在于延緩水泥基材中裂縫的擴(kuò)展，摻加一定量的纖維增強(qiáng)材料可使膠凝材料一旦出現(xiàn)裂縫后，可通過(guò)纖維與基材脫黏而由基材中拔出、或跨越裂縫承受拉力、或在應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)拉斷，從而可提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、或使復(fù)合材料具有一定的延性、并相應(yīng)提高其韌性、或同時(shí)使復(fù)合材料兼具高抗拉強(qiáng)度及高韌性。膠凝材料的作用在于與分布于其中的纖維形成一整體，共向承受外力，并在其自身出現(xiàn)裂縫后，通過(guò)與纖維的界面黏結(jié)，將外力傳遞給纖維，因而彌補(bǔ)了其抗拉強(qiáng)度低、變形能力差等弱點(diǎn)。

2 結(jié)論

(1)以粉煤灰、粒化高爐礦渣、脫硫石膏等制備了一種生態(tài)型膠凝材料，配比為礦渣58%、粉煤灰14%、熟料21%、脫硫石膏6%、自制CF-Ⅲ激發(fā)劑1%。該膠凝材料28d抗壓強(qiáng)度為48.5MPa，符合 GB175-2007《通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》。

(2)采用高模量維綸、海泡石纖維制備了一種復(fù)合水泥增強(qiáng)材料，確定了其最佳摻量，試驗(yàn)表明以該復(fù)合水泥增強(qiáng)材料與結(jié)論(1)中的生態(tài)水泥聯(lián)合使用制備的水泥電纜管，符合JC 980-2005《纖維水泥電纜管及其接頭》的各項(xiàng)要求，外壓荷載28.3KN/m，抗折荷載19.7KN，吸水率20%。

［1］ 張忠彬，周永平.日本、韓國(guó)、東盟與我國(guó)石棉危害預(yù)防控制現(xiàn)狀［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(1):121-124

［2］ 劉奮醒.纖維水泥基復(fù)合材料及其性能特征［J］.新型建筑材料，2003，(08):63-65

［3］ 曹素改，張志國(guó)，陳建波，等.利用高鈣粉煤灰-礦渣制備低堿度生態(tài)型水泥［J］.粉煤灰綜合利用，2006，(3):37-38