纳米修饰玻璃纤维的制备及其对水泥材料性能的影响

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水泥基胶凝材料是目前应用范围最广、用量最大的建筑材料,但是其抗拉强度低、韧性差、抗冲击力弱等缺陷限制了其进一步的发展与应用。纤维的引入可有效地改善水泥基胶凝材料的韧性,提高其抗拉强度及韧性。玻璃纤维具有抗拉强度高、价格低廉、原料来源广泛等优点,通过其增强水泥基胶凝材料的性能成为当代纤维增强水泥基材料研究的热点领域。但是,玻璃纤维自身的抗劣性差严重影响了其增强、增韧作用的发挥,限制了玻璃纤维在水泥材料中的应用。对玻璃纤维进行表面改性成为改善其抗劣性、提升纤维与水泥间界面粘结性能的有效方法。本论文以纳米氧化锰以及聚多巴胺原位修饰玻璃纤维,通过扫描电镜(SEM)与X射线光电子能谱仪(XPS)对玻璃纤维作表面形貌分析与表面成分分析,探索了改性玻璃纤维的最佳实验条件,并对其抗劣性进行了性能评价。基于所得纳米原位修饰玻璃纤维,对其增强水泥材料的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能等力学性能以及收缩性能、吸水性能、抗冻性能等耐久性能的影响作了探究。获得主要研究成果如下:原位纳米修饰玻璃纤维的结构调控与条件筛选。改变反应物配比及反应时间,研究了不同条件下玻璃纤维表面原位生长纳米材料的结构及形貌。筛选得到纳米氧化锰修饰玻璃纤维(MnF)的最佳制备条件为:高锰酸钾(KMnO4)溶液/油酸比为50的条件下反应24 h;聚多巴胺修饰玻璃纤维(DF)的最佳制备条件为:控制多巴胺溶液浓度为2.0×10-3g/mL下反应12 h。原位纳米修饰玻璃纤维的抗劣性提升。通过纤维保留强度测试,MnF与DF的耐碱保留强度分别达到410.1 MPa及538.91 MPa,较未处理玻璃纤维(OF)分别提高了24.7%及63.87%。以4%NaOH溶液浸泡90天(d)后,MnF、DF及OF的质量损失率分别为8.79%、10.97%、9.78%,MnF低,DF高,主要由于DF在碱溶液中发生反应后产物发生散落至溶液中而出现质量的较多降低。原位纳米修饰玻璃纤维增强水泥材料的力学性能增强。MnF增强水泥材料(MFRC)的弯曲强度、拉伸强度及抗冲击强度随着纤维掺量的增加而提高,均在水灰比(w/c)为0.35、纤维掺量(V)为7%时达到最大。最大弯曲强度达到12.34 MPa,是水泥净浆(CT)的9.28倍,较OF增强水泥材料(OFRC)提高了43.49%;最大拉伸强度为5.85 MPa,是CT的5.27倍,相较于OFRC提高了20.37%;冲击强度最大为25.58 J/cm2,是CT的16.4倍,较OFRC提高了20.43%。在一定纤维掺量范围内,DF增强水泥材料(DFRC)的弯曲强度、拉伸强度、冲击强度随着纤维掺量的增加而获得提升,但DFRC的最佳力学性能同时受水灰比影响。在w/c=0.35,V=7%时,DFRC弯曲强度最大达到15.35 MPa,是CT的4.49倍,较OFRC提高了58.25%;拉伸强度在w/c=0.3,V=5%时最大为5.25MPa,是CT的15.44倍,较OFRC下降33.46%;当w/c=0.35,V=7%时,冲击强度高达26.3 J/cm2,是CT的16.86倍,较OFRC提高23.82%。原位纳米修饰玻璃纤维增强水泥材料的耐久性能提升。纤维增强水泥材料(FRC)收缩率、吸水率与抗冻性等耐久性能在适量纤维掺量范围内随着纤维掺量的增加而获得提升。然而,不同水灰比下FRC的耐久性能存在一定的差异。在w/c=0.3时,CT的收缩率为0.114%。V=7%时,MFRC与OFRC具有最低的28 d收缩率,分别为0.08%及0.1%;当w/c=0.4,V=7%时,MFRC与OFRC的28 d吸水率最小分别为9.33%及12.23%;当w/c=0.3,V=7%时,MFRC与OFRC冻融循环最多分别为40次及33次,远高于CT的13次;当w/c=0.35,V=7%时,DFRC与OFRC的28 d收缩率最小分别为0.09%、0.093%;当w/c=0.3,V=7%时,DFRC与OFRC的28 d吸水率最小分别为8.81%,9.42%;当w/c=0.3时,抗冻性能最好。DFRC在V=5%时冻融循环次数最多为49次。
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