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第3 9 卷第3 期 2 0 1 6 年5 月 非金 属矿 N o n — M e t a l l i C M i ne s V b1 ． 3 9 NO． 3 M ay，201 6 偶联时间对玄武岩纤维树脂混凝土强度的影响 徐平 沈佳兴 于英华 陈玉 明 刘敬福 ( 1 辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ；2 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘要研究了玄武岩纤维( B F ) 偶联处理时间对玄武岩纤维树脂混凝土( B F P C ) 材料的强度影响。分别对0m i n 、 1 0 min 、 2 0 m i n 、 3 0 m i n 、 4 0 m i n 偶联处理 B F制备的B F P C材料进行单轴抗压和劈裂抗拉实验研究； 通过扫描电镜( S E M) 对不同偶联时间的B F 表面及试件破坏断面中 B F表面进行微观分析。结果表明： 随着偶联处理时间的延长， B F P C的强度呈先升高后降低的变化趋势， 确定了B F的最佳偶联时间为 3 0 m in 。根 据 纤维增强复合材料理论 ， 分析 了B F P C的增强机理 并建立 了相应 的数学模 型， 从理论方面阐述 了偶联 处理对 B F P C强度的影响。 关键词玄武岩纤维； 树脂混凝土； 偶联处理； 强度； 扫描电镜 中图分类号： T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 ． 8 0 9 8 ( 2 0 l 6 ) 0 3 - 0 0 4 7 - 0 4 I n fl u e n c e o f Co u p l i n g Ti me o n S t r e n g t h o f Ba s a l t Fi b e r Re i n f o r c e d Po l y me r Co n c r e t e Xu P i n g S h e n J i a x i n g ’ Yu Ying h ua ’ Ch e n Yu m ing Li u J i n gf u ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i 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 i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ； 2 Co l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i 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 ty, F u x i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) Ab s t r a c t T h e i n fl u e n c e o f b a s a l t fi b e r( BF )c o u p l i n g t i me o n t h e s t r e n g t h o f b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r c o n c r e t e ( B F P C) ma t e r i a l s we r e s t u di e d． Fi r s t ly ,t h e BFP C wa s s t u d i e d b y u n i a x i a l c o mp r e s s i o n a n d s p l i t t i n g t e ns i l e t e s t ，wh i c h wa s ma d e of 0 mi n ，1 0 mi n， 2 0 mi n， 30 mi n，a n d 40 mi n c o u pl i n g BF； Se c o n d l ~ t he BF s u rfa c e a n d t h e BF s urfa c e o f t h e f r a c t u r e s u rfa c e s p e c i me n s we r e an a l y z e d b y S EM．T h e r e s u l t s s h o we d t h a t the i n t e n s i t y o f BFP C c o u l d b e i mp r o v e d b y c o u p l i n g t r e a t me n t ， a n d t h e o p t i ma l c o u p l i n g t i me wa s 3 0 mi n． I n the e n d ， t he e n ha n c e me n t me c h a ni s m o f BF PC wa s a n a l y z e d an d t h e c o r r e s p o n d i n g m a t he ma t i c a l m o d e l wa s e s t a bl i s h e d ， a c c o r d i n g t o the t h e o r y o f fi b e r r e i n f o r c e d c o mp o s i t e ma t e r i a l s ．T h e i n flu e n c e o f c o u p l i ng tre a t me nt o n t h e s t r e ng t h o f BFP C wa s e x p l a i n e d in t h e o ry． K e y wo r d s b a s a l t fi be r ； p o l y m e r c o n c r e t e ； c o u pl i n g p r o c e s s ； s t r e n g t h ； s c a n n i n g e l e c tr o n i c mi c r os c o p y 玄武岩纤维 ( B F ) 是 由玄武岩石料熔融后， 通过 铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。B F生 产工艺产生的废弃物少， 产品废弃后可直接转入生态 环境中， 无任何危害， 具有抗拉强度高、 性能稳定、 电 绝缘性好、 抗腐蚀、 阻燃、 耐高温等多种优异性能 [1-2 ] 。 目前玄武岩纤维相关研究主要集中在以下几方面： ( 1 ) 以 B F为增强材料的水泥混凝土的力学性能； ( 2 ) B F 和其他 纤维混合使 用的水泥混凝土的力学性能； ( 3 ) 酸碱性溶剂对 B F的强度影响； ( 4 ) 偶联处理 后 B F的 表面状态及其强度的变化 f3 -5 ] o前期研究了玄武岩纤 维树脂混凝土 ( B F P C ) 的最佳组分 【6 ] ， 本实验在该基 础之上研究 B F P C的增强机理及 B F偶联处理时间对 B F P C强度的影响， 并确定了最佳偶联时间， 为B F P C 材料的制备和应用提供参考。 1 实验部分 1 ． 1 原料骨料： 采用阜新市大巴沟玄武岩， 玄武岩 密度为 2 ．7 8 g ／ ~ m3 ， 湿抗压强度为 1 1 4 ．2 ／~ l P a ， 弹性模 收稿 日期 ：2 0 1 6 — 0 4 ． 0 5 基金项 目： 国家自 然科学基金( 5 1 3 7 5 2 1 9 o 通讯作者 ，E - ma i l ： 3 2 9 8 3 3 3 0 9 @q q ． c o m。 ．．47． ． 量为 4 1 ．5 G P a ， 泊松比为 0 ．2 7 。玄武岩经颚式粉碎机 粉碎为 5 种粒径大小的颗粒， 分别为 0 ．5 5 ~ o ．8 5 m m 、 0 ． 8 5 ～ 1 ．2 ml Y l 、 1 ． 2 ~ 2 ． 5 l n l n 、 2 ． 5 ～ 5 1T l n l 、 5 - 1 0 1 T I I ／ 1 ，其 质 量 比 为 7 ％、 1 0 ％、 2 0 ％、 5 6 ． 7 ％、 6 ． 3 ％； 填料 ： 采 用阜新 热 电厂产 Ⅲ 级粉煤灰 ， 其平均粒径 5 0 m， 主要成分 ( w ／ ％) 为 ： AI 2 03 ， 3 0 ； S i O 2 ； 5 0 ； F e 2 0 3 ； 9 ； S 0 3 ， 1 ． 5 。 还 含 有 C a O 、 Mg O 、 N a 2 0等。粉煤灰中的A 12 0 3 、 S i O 2 构 成铝硅酸玻璃体， 具有化学活性， 在固化过程中作为 胶凝材料的一部分起增强作用。玄武岩纤维 ( B F ) ： 辽 宁金石科技集 团有 限公司生产 ， 单丝直径为 1 5 m， 纤维长度为 1 c m； 黏合剂： E - 4 4 和 E 一 5 1 环氧树脂； 固 化剂： T - 3 1 ； 增韧剂： 采用河南濮阳艺丰增韧剂有限公 司产邻苯二甲酸二丁酯( D B P ) ； 偶联剂： K H 一 5 5 0 。其 中 E 44 、 E 一 5 1 、 T - 3 1 、 D B P的质量 比为 2 8 ． 8 ％、 4 3 ． 2 ％、 l 8 ．O ％、1 0 ． 0 ％。 1 - 2 试件尺寸的确定主要研究偶联处理对 B F P C 单轴抗压和劈裂抗拉J陛能的影响， 两种性能测试均采 用 5 0 mm~ 5 0 m mx 5 0 1 ri m的立方体试件。 1 ． 3 试件制备 1 ．3 ． 1 B F偶联处理首先将 K H 一 5 5 0 、 无水乙醇、 水 第3 9 卷第3 期 非金 属矿 2 0 1 6 年5 月 按质量比为 2 0： 7 2： 8 比例混合， 然后用醋酸调节溶 液的p H值至 5 ．0 ， 再将事先剪切好的B F 投入上述溶 液中充分搅拌浸透 。选择 5 种不同偶联 时间， 分别为 0 mi n 、 1 0 rai n 、 2 0 mi n 、 3 0 mi n 、 4 0 mi n 。偶联处理后再 用恒温干燥箱 定为 8 O℃) 将B F脱水 1 ．5 h ， 得到 改 眭B F 。 1 ． 3 ． 2 试件制备将筛选好的玄武岩骨料清洗干净 晾干后按 1 ． 1 节中各粒径比例关系混合， 再加入填料 及偶联处理后的B F( 质量比为 0 ．4 ％) ， 并将各组分搅 拌均匀。然后依次称取粘合剂、 增韧剂、 固化剂混合 搅拌均匀后加入到固体混合物 中， 再搅拌 1 0 rai n保证 各组分与液体添加剂均匀混合以及有充足时间反应。 搅拌时要防止 B F“ 打卷”影响试件 的强度 。最后将 配置好的材料浇注到已涂有脱模剂的模具中捣实并 固化 4 d 后脱模， 在室温环境下养护 7 d即可。具体 工艺流程见图 1 。 图1 工 艺流程 图 1 ． 4测试方 法 1 ．4 ． 1 力学性能测试： B F P C单轴抗压及劈裂抗拉 实验均采用 MT S 工业系统( 中国) 有限公司生产的 A N S — C MT 5 2 0 5 微机控制电液伺服万能实验机进行， 压力载荷加载速率为 0 ． 3 k N ／ s 。劈裂抗拉实验时以直 径为 2 1T U T I 的垫条为辅助工具。首先在试件的上下 加载端面各画一条通过其对称面的加载基线， 然后将 垫条放置在上下表面的加载基线上， 启动压力机施加 0 ． 1 k N ／ s 的压力， 待垫条刚好压紧后， 调节加载速率为 0 - 3 k N ／ s ， 直至秘坏 。 1 ． 4 ． 2 S E M分析 ： 采用美国菲达康公司产 Q A NT A 2 5 0 电子显微扫描电镜 ( S E M) 观察改性 B F表面状态。 将不同偶联处理时间的B F用双面胶分别均匀地粘结 在样品座上， 即可进行显微观察。 在单轴抗压和劈裂抗拉实验的破碎试件断面 选取有纤维区域， 切取出长宽分别为 2 0 m n l ， 高为 1 0 m n a 的观测试件 ， 并在观测试件表面镀一层厚度均 匀的金粉再进行显微观察。 2 结果与讨论 2 ． 1 力学性能测试不同偶联时间的B F P C单轴抗 压强度曲线和劈裂抗拉强度曲线， 见图2 和图 3 ， 其值 列于表 1 。根据图 2 、 图 3 及表 1 可知， 随着偶联时间 的延长， B F P C试件的抗压强度和劈裂抗拉强度呈先 升高后降低的趋势变化， 其中偶联时间为3 0 m i n 时增 幅最大， 与未偶联处理的抗压强度和劈裂抗拉强度相 比分别提高 1 1 ％和 1 3 ．6 2 ％。 1 1 a- ＼ 应 变／ ％ 图2 B F P C 抗 压强度 曲线 图3 B F P C 劈裂抗拉强度曲线 表 1 不同偶联时间下 B F P C的力学性能 ． ．48．． 类别0mi n 1 0mi n 2 0 mi n 3 0rain 4 0mi n 抗 压 强厦 ／ MPa 1 1 6 ． 3 1 2 2． 1 1 2 6 ．4 1 2 9 ． 1 1 2 4．2 相对增加量 一 5 ．0 8 ． 7 l 1 ．0 6 ．8 劈裂抗拉 强度 ／ MP a 7 ． 8 1 3 8 ． 2 8 0 8 ． 5 3 2 8 ．8 7 7 8 ． 6 0 2 相对增加量 一 5 ．9 8 9 - 2 O l 3 ． 6 2 1 O ． 1 0 2 ． 2 S E M分析B F P C破坏失效的形式主要有两种 ： 纤维由混凝土基体中拔出和纤维断裂， 前者是主要失 效形式。纤维拉拔所需力( 能量) 的大小与纤维与基 体材料之 间的界面结合力有关， 界面结合力主要包括 化学键合作用和机械咬合力等 【 _ 。玄武岩纤 维偶联 处理 的偶联剂为 K H一 5 5 0 ( 7 一 氨丙基 三乙氧基硅烷) ， 其分子中的一 S i ( O C 2 H ) 基团为亲无机物基团， 能与 玄武岩纤维表面羟基和玄武岩骨料表面羟基产生缩 合作用， 释放出乙醇， 形成硅氧键， 使硅烷与玄武岩纤 维、 非金属矿物骨料有效 “ 连接” 起来； 硅烷分子的另 一 端为氨基， 能与黏合剂发生交联反应， 含碳的有机 基团 R也可与黏合剂键合 同。因此， 偶联剂把聚合物 和玄武岩纤维以化学键连接， 起架桥作用， 改善界面 结合， 键合能高， 稳定。 第3 9 卷第3 期 非金 属矿 2 0 1 6 & 1~ 5 月 图8工业试验 流程 图 表 7 工业试验取样结果 ／ o ／ 0 工 业现场每天处理 3 5 0 0 t 原 矿， 可 以产 出品位 9 3 ％的萤石精矿干重 4 4 0 t ， 萤石回收率达到 5 5 ．6 7 ％。 稳定生产时， 萤石选厂的萤石精矿品位均高于 9 3 ％， 回 收率 5 5 ％ 左右， 品位和回收率均符合现场生产要求。 5 结论 1 ． 该萤石矿主要矿物有萤石、 方解石、 石英、 金 云母、 铝钙石榴石、 斜绿泥石、 红柱石、 自云母、 堇青 石， 还有部分铁质物和残留的黑钨矿等金属矿； 萤 石含量为 2 2 ．4 8 ％， 方解石含量为 6 ．2 8 ％， 石英含量为 2 3 ． 1 0 ％。该矿属于石英 一 萤石 一 方解石型萤石矿， 成 分复杂， 萤石含量低， 浮选难度大。 2 ． 脱药工艺的最佳脱药方式为浮选脱药 ， 浓缩和 过滤均达不到脱药效果； 脱药新工艺使用G P W 为脱 药药剂， 用量为 2 ． 5 ， 脱药时间为 2 rai n 。 3 ． 粗选药剂制度为捕收剂 B K2 0 0 g ／t ， 抑制剂 S B L 2 0 0 0 g ／t ； 精选使用酸化水玻璃与 A T M作为抑制 剂。实验室闭路试验得到萤石精矿品位和回收率分 别为 9 0 ． 5 2 ％和 5 6 ． 6 4 ％。 4 ． 半工业试验得到 的萤石精矿 品位和回收率分 别为 9 2 ．4 0 ％和 5 6 ．4 3 ％； 加入脱药工艺后， 现场 的萤 石 品位稳定在 9 3 ％ 以上， 回收率在 5 5 ％左右， 均达到 生产要求。增加脱药工艺后， 现场更稳定， 操作更方 便； 萤石精矿的杂质含量更低， 有效硫含量更低， 为萤 石 的深加工创造了有利条件。 参考文献： [ 1 ]1唐清， 钟宏， 王帅， 等 ． 羟肟酸类化合物的合成与应用研究进展 ． 化工进展 ， 2 0 1 4 ( 3 1 ： 7 0 3 — 7 0 9 ． [ 2 】 石伟， 黄国智 ． 萤石和方解石的溶解特性及浮选分离 研究 ． 非金 属矿， 2 0 0 0， 2 3 ( 4 ) ： 1 l — l 2 ． [ 3 】 凌石生， 肖婉琴， 肖巧斌， 等 ． 新型捕收剂B K 4 1 0 在某萤石矿中的 应用 [ J 】 ． 有色金属： 选矿部分， 2 0 1 O ( 6 ) ： 4 8 ． 5 0 ． 【 4 ] 郑桂兵 ， 黄 国智 ． 萤石与方解石 浮选分 离抑制剂研究 [ J ] ． 非金属矿 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 4 1 ~ 2 ． 腻 ( 上接 第 4 9页 ) 2 ． 单轴抗压实验和劈裂抗拉实验证明， 随 B F偶 联处理 时间延长， B F P C材料强度呈先升高后下降的 趋势变化， B F的最佳偶联处理 时间为 3 0 mi n 。偶联 处理对 B F P C材料的劈裂抗拉强度影响较为明显。 3 ． 利用纤维增强复合材料理论分析了B F P C的 增强机理并建立了相应的数学模型， 从理论方面说明 了偶联处理对 B F P C强度的影响。 参考文献： [ 1 ] 王伟宏， 卢国军． 硅烷偶联剂处理玄武岩纤维增强木塑复合材料 ． 复合材料 学报 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 1 2 ) ： 3 1 5 - 3 2 0 ． 【 2 】Ro s e I M D， Ma r r a F ， P u l c i G，e t a 1 ． P o s t ． i mp a c t me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s a t i o n o f g l a s s a n d b ~a l t wo v e n f a b r i c l a mi n a t e s [ J ] ． Ap p l C o mp o s Ma t e r , 2 0 1 2 ， 1 9 ( 3 ／ 4 ) ： 4 7 5 - 4 9 0 ． [ 3 ] 黄 凯健 ， 邓敏 ． 玄武岩 纤维耐碱性及 对混凝 土力学性能的影响 ． 一 8 0． 复合材料 学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 5 0 — 1 5 4 ． 【 4 ]S i m J ， P a r k C， Mo o n D Y Ch a r a c t e r i s t i c s o f b a s a l t f i b e r a s a s t r e n g t h e n in g ma t e r i a l f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s[ J 】 ． C o mp o s i t e s P a r t B En g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 3 6 ： 5 0 4 — 51 2 ． [ 5 】 赵庆新， 董进秋， 潘慧敏 ， 等 ． 玄武岩纤维增韧混凝土冲击性能 ． 复合材料 学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 f 6 ： 1 2 0 ． 1 2 5 ． [ 6 】 于英华， 石瑞瑞， 徐平， 等． 玄武岩纤维增强 P MC组分优化的实验 研 究 [ J 】 ． 非金属矿 ， 2 0 1 5 ， 3 8 ( 3 ) ： 1 6 — 1 8 ， 3 9 ． [ 7 】 徐平 ． 铜纤维聚合物混凝土机床基础件设计与制造 【 M】 ． 沈阳 ： 东 北大学出版社 。2 0 0 9 ． 【 8 】 毕巧巍 ． 玄武岩纤维混凝土的微结构及 B F R P筋纤维混凝土梁斜 截面承栽力实验研究[ D ] ． 大连： 大连理工大学， 2 0 1 2 ． [ 9 ]9王涛 ． 机床用碳纤维增强树脂混凝土矿用复合材料的制备与性能 研究 [ D 】 ． 济南： 山东大学， 2 0 1 4 ． [ 1 0 ] Gr e c o A， Ma ff e z z o l i A， Ca s c i a r o G ， e t a 1 ． Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f b a s a l t fi b e r s and th e i r a d h e s i o n t o p o l y p r o p y l e n e ma t r i c e s [ J ] ． C o mp o s ~s P a r t B ， 2 0 1 4 ， 6 7 ( 1 2 ) ： 2 3 3 — 2 3 8 ．