玻璃纤维网格布增强聚合物矿物混凝土组分优化.pdf

第3 7 卷第5 期 2 0 1 4 年9 月 非金 属矿 No n Me t a l l i c Mi n e s V_o 1 3 7 No 5 S e p t e mb e r ，2 01 4 玻璃纤维网格布增强聚合物矿物混凝土组分优化 刘敬福 ( 1 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院，辽宁 阜新 徐平 于英 华 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 为进一步提高聚合物矿物混凝土( P MC ) 力学性能， 选用玻璃纤维网格布增强P MC 。通过正交实验设计， 分析各因素对玻璃纤维网 格布增强P MC抗压强度的作用规律。结果表明： 对玻璃纤维网格布增强 P MC抗压强度的影响因素显著性由大到小依次为黏合剂用量、 玻璃纤维 网格布加入量、 玻 璃纤维网格布 网D IL K寸、 填料 用量 。推荐玻璃纤维网格布增 强 P MC的最佳组分为 ： 黏合剂 1 0 ， 玻璃 纤维网格布 l ， 玻璃 纤维 网格布的网眼尺寸 8 r n mx 8 r n n l 。 填料 9 ， 骨料 8 0 ， 抗压强度达到 1 3 7 5 9 MP a 。 关键词玻璃纤维网格布； 聚合物矿物混凝土( P MC ) ； 抗压强度； 组分优化 中图分类号： T U 5 2 8 A 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 0 8 - 0 3 Op t i mi z a t i o n o f Co mp o n e n t i n Po l y me r M i n e r a l Co n c r e t e Re i n f o r c e d b y Gl a s s Fi b e r M e s h Li u J i n g f u Xu Ping 2 Yu Yi n g h u a 2 ( 1 C o 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 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 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g ine 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 i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) Ab s t r a c t P o l y me r Mi n e r a l Co n c r e t e( P MC ) r e i n f o r c e d b y c l a s s fi b e r me s h wa s f a b ri c a t e d i n o r d e r t o i mp r o v i n g t h e me c h a n i c a l p r o p e r ty o f PM C Or t h o g o n a l t e s t s we r e c a r r i e d o u t t o an a l y s i s t h e l a w o f h o w t h e f a c t o r s a ffe c t t h e c o mp r e s s i o n s t r e n g t h o f P M C r e inf o r c e d b y c l a s s fi be r m e s h T h e r e s u l t s s h o we d t h a t the s i g n i fi c a n t i n fl u e n c e s o n c o mp r e s s i v e s tr e n g t h o f P MC r e i n f o r c e d by c l a s s fi b e r me s h f r o m l a r g e t o s ma l l we r e a mo u n t o f a d h e s i v e ， the a mo u n t o fc l a s s fib e r me s h， me s h s i z e an d the a mo u n t o ffil l e r Th e s u i t a b l e c o n s t i t u t e o fP M C r e i n f o r c e d b y c l a s s fi b e r me s h we r e 1 0 a d h e s i v e ， 1 c l a s s fib e r me s h， me s h s i z e o f8 mmx8 mm， 9 fil l e r and 8 0 a g g r e g a t e ， the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h g o t u p t o 1 3 7 5 9MP a Ke ywo r d s c l a s s fi b e r me s h；P o l ym e r Mine r a l Co n c r e t e ( P MC ) ；c o mp r e s s i v e s tr e n g t h ；o p t i mi z a t i o no f c o mp o n e n t 聚合物矿物混凝土 ( 简称 P MC )主要 由黏合剂、 骨料和填料组成。P MC采用非金属矿物如天然大理 石、 铸石、 石英砂、 粉煤灰及蒙脱土等制作其主要组成 骨料和填料。P MC制件有望替代铸铁用作机床基础 件， 但强度低， 有必要进一步提高强度。玻璃纤维网 格布由无碱玻璃纤维纱织造而成， 高强度、 高模量、 密 度小， 具有良好的抗碱性、 与树脂粘结性强、 柔韧性以 及经纬向抗拉力高。生产玻璃纤维的主要原料叶蜡 石和煤系高岭土等 n 】 ， 来源广， 成本较低。P MC利用 玻璃纤维网格布增强不会明显增加其成本， 而相关的 研究鲜见报道。本实验在前期P MC研究 2 -4 基础上， 向P MC中添加不同网眼尺寸和加入量的玻璃纤维网 格布， 研究各组分对玻璃纤维网格布增强 P MC力学 性能的影响， 确定其最佳组分配比， 为改善其强度提 供研究基础。 1 实验部分 1 1 原料P MC所用的黏合剂包括： 环氧树脂 E 4 4 和 E 一 5 l ， 工业级， 无锡树脂厂 ； 固化剂 T - 3 1 ， 化学纯， 收 稿 日期 ：2 0 1 4 0 7 2 0 基金 项 目：国家 自然科 学基 ,( 5 1 3 7 5 2 1 9 ) 。 通讯作者 ，E - ma i l ： 8 6 9 1 0 3 6 3 6 q q c o m。 8一 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。骨料选用阜新市大巴沟天 然花岗岩， 颚式粉碎机粉碎 ， 粒径范围 ! 0 r n l T l ， 水洗 干燥后待用。填料为有机化蒙脱土 ， 中科院化学所提 供。玻璃纤维网格布， 辽宁金石科技集团有限公司， 粗砂平纹织物， 单丝直径 1 3 Ja m， 每束纤维原丝包含 单丝 2 0 0 根， 名义厚度 0 2 0 6 in ll l ， 规格及性能指标见 表 1 。抗压试样模具均为 4 5钢制模具。 表 1玻璃纤维网格布的规格及性能指标 1 2 玻璃纤维网格布脱蜡处理及玻璃纤维网格布增 强P MC试件制作玻璃纤维网格布在拉丝和纺织过 程中加入了石蜡浸润剂， 利于纺织加工， 但对玻璃布 与黏合剂浸润性破坏很大， 影响二者结合， 应进行脱 蜡处理。本实验选用热处理法脱除石蜡， 在 R X - 8 6 箱式 电阻炉 中对玻璃布进行脱蜡处理， 处理温度 刘敬福 ，徐平，于英华 玻璃纤维网格布增强聚合物矿物混凝土组分优化 4 1 0， 处理时间 3 mi n 。热处理后的纤维布为避免吸 附空气中的水， 及时用于 P MC成型。玻璃纤维网格 布增强P MC按混凝土的成型方法， 将材料搅拌均匀， 玻璃纤维网格布采用铺层方法， 按照加入量计算出纤 维布张数， 沿 P MC试样厚度方向等间距厚铺设一层。 纤维网格布增强 P MC在钢模中固化 4 d 后脱模。 1 3 抗压强度测试P MC的抗压强度、 抗弯强度、 劈 裂抗拉强度之间存在定量关系。因此， 本实验通过测 试玻璃纤维网格布增强 P MC的抗压强度作为其力学 性能指标， 以优化其配比组成。试件尺寸为 7 0 7 c m 7 0 7 c m 7 0 7 c m， 抗 压 强 度 在 Y E 一 2 0 0 A型 液 压 式 压力实验机上测定。试件侧面为抗压面， 加压速度 0 3 O 5 k N s 。抗压强 度计 算式为 ： F= P 式 中： F 为抗压强度 ， MP a ； P为受压时最大载荷， MN； S为试 件承载面积， I I 12 。 2 结果与讨论 2 1 正交实验设计与结果分析本实验研究黏合 剂、 填料、 玻璃纤维网格布网眼尺寸和加入量4 个因 素 ( 花岗岩骨料为余量， 不是独立变量) ， 每个因素选 取 5 个水平， 若采用全面实验， 需进行 5 4 = 6 2 5 次， 而 且每次实验的平行试样为 3 个， 在操作中很难实现。 所以， 本研究选用正交实验， 以试样的抗压强度为评 价指标。正交实验的因素与水平见表 2 ， 玻璃纤维网 格布增强 P MC正交实验设计和结果见表 3 。 表 2 因素水平表 前期研究未添加玻璃纤维网格布的P MC强度为 8 5 7 0 MP a 2 ， 由表 3 可见， 加入玻璃纤维网格布增强 体， 除第 l 、 5 、 2 1 、 2 2四组实验外， 其余组的强度均有 所提高， 即适宜的组分配比可以提高P MC的强度。 利用极差方法， 各 因素对玻璃纤维网格布增强 P MC抗压强度的极差分析见表 4 。由极差排序可以 看出， 黏合剂用量的极差最大 ， 其值 的变化对实验结 果影响最大， 是影响实验结果的主要因素， 玻璃纤维 网格布加入量次之， 然后是玻璃纤维网格布的网眼尺 寸， 填料的用量影响最小。在每列的均值中找出数 值最大的， 为最优组分配比A 3B ， c D 2 ， 该工艺配比并 不在 2 5 组实验里， 应补做实验。经 3 次补做实验， 得 到玻璃纤维网格布增强 P MC抗压强度的平均值为 9一 表 3 玻璃纤维网格布增强 P MC抗压强度正交实验 设计与结果 1 3 7 5 9 MP a 。测定其密度为 2 0 7 g e ra3 ， 其比抗压强度 为 6 6 4 MP a c m3 g ， 较 P MC比抗压强度提高 5 8 9 ， 接近机床床身传统材料灰铸铁的比强度。可见， 玻璃 纤维网格布增强P MC替代铸铁做机床床身从强度方 面考虑是可行的， 而其从动、 静态性能方面能否替代 铸铁尚待进一步研究。 表 4极差分析表 2 2 各因素对玻璃纤维网格布增强P MC 抗压强度的 影响 2 2 1 黏合剂和填料： 黏合剂和填料用量对 P MC抗 压强度的影响， 见图 1 。黏合剂、 非金属骨料、 填料为 P MC基本组成， 欲获得性能良好的试件， 黏合剂必须 第3 7 卷第5 期 非金 属矿 2 0 1 4 年9 月 与骨料和填料表面相互 “ 润湿” ， 体系 自由能降低。黏 合剂中环氧树脂含有极性脂肪羟基和醚键， 与非金 属骨料、 填料表面氧化物形成化学键， 产生粘合作用。 由图 1 可知： 随黏合剂和填料用量增加， P MC抗压强 度均呈先升后降的趋势， 当黏合剂及填料用量分别为 1 0 和 9 时， 玻璃纤维网格布增强 P MC抗压强度 达到最大值 ， 分别为 1 1 2 0 2 MP a 和 1 0 3 4 8 MP a 。 黏合剂用量 填 科 用 量 图1 黏合剂和填料用量对玻璃纤维网格布增强P MC 抗 压强度的影 响 以黏合剂所 占比例进行分析。当 P MC拌合料 中 黏合剂为 6 和 8 ， 量偏少， 不能充分浸润被粘物表 面， 也不能形成足量的化学键 。从所制试件断裂面上 观察到骨料颗粒之间缝隙状缺陷较多， 缺胶严重， 缺 陷呈尖锐片状， 对P MC试件割裂作用明显， 降低其力 学性能。黏合剂含量上升至 1 0 时， 黏合剂与骨料、 填料润湿J陛 好， 键合作用强， P MC试件抗压强度最高。 超过 1 0 ， 其强度有所下降。这是因为 P MC中颗粒 间充分粘接外有剩余。胶层越厚， 粘接界面内应力和 膨胀系数不同而产生的热应力均增加 ， 流动几率增大 ， 产生疏松和气泡几率增加。高分子化合物内聚力与分 子链定向程度有关， 被黏合制件表面能可以促使分子 定向， 但作用力随两个被粘物面距离增加而削弱。因 此， 在黏合剂与颗粒的界面处分子定向程度大， 胶膜中 心定向程度差， 强度低 。可知， P MC中黏合剂所 占质 量比超过 1 0 ， 制件抗压强度开始下降。至于填料和 骨料的最佳比例， 分析相似， 均可从黏合剂、 非金属骨 料和填料三者之间形成界面浸润程度大小来考虑。 2 2 2 玻璃纤维网格布网眼尺寸和用量： 不同网眼 尺寸和用量 的玻璃纤维网格布对 P MC抗压强度 的 影响， 见 图 2 。玻璃纤维网格布增强 P MC中黏合剂 为基体， 骨料填料为增强体， 玻璃纤维网格布进一步 增强， 形成混杂复合材料。承受外加载荷时， 黏合剂 将载荷传递给骨料和填料， 玻璃纤维网格布也共同承 担载荷。增加荷载到初裂时， 纤维网格布与 P MC作 为整体共同承载 ， 提高了 P MC的初裂荷载。达到极 限荷载时， 纤维网格布通过界面粘结力阻止裂缝传递 内力， 应力重新分布， P MC仍能继续承载。载荷继续 增加， 纤维网格布与 P MC的粘结界面破坏 ， 进而纤 维网格布脱粘、 脱落 ， 但此过程 中吸收大量能量， 提高 P MC的强度及断裂韧性 嘲。 1 0 6 日 1 0 4 1 0 2 9 8 螺 9 6 9 4 1 O 嘿 J l 螺 网格布加入量 图2 玻璃纤维网格布网眼尺寸和加入量对玻璃纤维 网格布增强P MC 抗压强度的影响 纤维布网眼尺寸越小， 在试样横截面上分布的网 格数目越多， 经向和纬向结合点多， 增强作用越明显， 但相对密度越大， 同样加入量时网格布数目减少， 又 削弱了增强作用， 因此网眼尺寸有一最佳值。本实验 中随网眼尺寸增加 ， P MC抗压强度先升后降 ， 在 网眼 尺寸为 8 m mx 8 n l n l 时达到峰值 ， 为 1 0 5 7 8 MP a 。 玻璃纤维 网格布加入量在 1 0 时， P MC抗压强 度最高， 达到 1 0 6 8 7 MP a ， 加入量过少或过多均对强 度不利。分析认为 ： 玻璃纤维网格布加入量少 ， 同样 载荷下， 每个网格承受载荷大， 约束裂缝出现及有效 阻止裂纹扩展能力下降， 其混杂增强作用有限； 加入 量过多， 网格布数量多， 两层之间的骨料和填料相对 减少， 载荷主要靠纤维布承担， 骨料和填料的增强作 用减弱， 使 P MC强度下降。 3 结 论 1 对玻璃纤维网格布增强P MC抗压强度影响的 各因素显著性由大到小依次为黏合剂用量、 玻璃纤维 网格布加入量、 玻璃纤维网格布 的网眼尺寸、 填料的 用量 ； 2 推荐玻璃纤维网格布增强 P MC的最佳组分 为： 黏合剂 1 0 ， 玻璃纤维网格布 1 ， 填料 9 ， 非金 属骨料 8 0 ( 均为质量分数) ， 网眼尺寸 8 m mx 8 m m， 得到 P MC的抗压强度为 1 3 7 5 9 V I P a 。 参考文献 ： 【 1 张明， 张韬， 程卫泉 ， 等 玻璃纤维用煤 系高岭土加工 工艺探 索 非金属矿 ， 2 0 0 9 ， 3 2( 增刊 ) ： 3 - 5 2 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 非金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 2 ) ： 3 6 - 3 9 【 3 刘敬福 ， 徐平， 于英华 钢 纤维和偶联 处理对 P MC性能影响的实验 研 究 非金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 4 ) ： 7 - 9 ， 1 2 4 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 o ( 5 ) ： 5 2 - 5 5 5 】 张海捷， 柯国军， 黄友珍， 等 杜拉纤维增强呋喃树脂混凝土的力学 性能研 究 叨 混凝 土， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 4 9 - 5 0