周衛(wèi)兵,張雯雪,周 軍,趙江濤,周永新

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院,武漢 430070;2.中國電力科學研究院有限公司,北京 100089; 3.國家電網(wǎng)有限公司,北京 100031;4.蘇州電瓷廠股份有限公司,江蘇 蘇州 215122)

0 引言

在特高壓工程中,瓷絕緣子往往會發(fā)生“掉串”和炸裂等事故,嚴重威脅到特高壓線路工程的安全性和可靠性[1-4]。與瓷絕緣子的另兩種材料—瓷件和金具相比較,水泥膠合劑極大地影響著瓷絕緣子的安全性和穩(wěn)定性[5-7]。目前,國內(nèi)瓷絕緣子的制造廠家,特別是特高壓盤形瓷絕緣子的廠家,在運行線路上的例行檢查發(fā)現(xiàn),瓷絕緣子均發(fā)現(xiàn)存在有不同程度的性能劣化的現(xiàn)象,其中發(fā)現(xiàn)水泥膠合劑中存在有大小、長度不等的裂紋以及大氣孔等缺陷存在[8-11]。因此對水泥膠合劑的性能進一步提升,尤其是提高其力學性能,增加安全裕度,從而能增強瓷絕緣子使用的安全性和工作的可靠性極有必要[12-14]。

目前大多數(shù)瓷絕緣子的制造廠家制備水泥膠合劑選擇河砂作為骨料[15-17],天然河砂的稀缺性較強,因此用海沙或人工合成砂部分或全部替代河沙的研究受到廣泛關(guān)注[18-21]。河砂的主要成分為二氧化硅,長期性能上存在著堿骨料反應(yīng)的潛在危險,對瓷絕緣子的長期安全運行存在著嚴重劣化威脅;海砂表面鹽分過高,使用前需要進行淘洗[22-24],因此有必要進行使用人工合成砂替代河砂的研究。

對目前應(yīng)用的瓷絕緣子,特別是特高壓產(chǎn)品,其主要是圓柱頭結(jié)構(gòu),制備水泥膠合劑的彈性模量對其性能有著重要的影響,過大的彈性模量會導致瓷件破壞。有研究表明:圓柱頭盤形懸式瓷絕緣子在運行時,鐵帽和鋼腳會受到一定的拉力,通過膠合劑使瓷絕緣子的頭部瓷壁產(chǎn)生應(yīng)力[25]。因此對水泥膠合劑的力學性能,特別是抗折強度、彈性模量提出更高的要求。

本研究擬采用人工合成砂作為骨料來制備特高壓盤形瓷絕緣子用水泥膠合劑。該人工合成砂的主要成分為剛玉和莫來石相,其強度高且韌性強。由于高強度的人工合成砂在提升材料強度的同時,往往也會提高其彈性模量,添加工程纖維可以降低膠合劑的彈性模量,同時研究其抗折抗壓強度、干縮率、彈性模量,并對優(yōu)化后的膠合劑膠裝瓷絕緣子產(chǎn)品,對其機電性能、熱機性能等電學性能進行表征。

1 實驗方法和過程

1.1 原材料

原材料包括水泥、河砂、人工合成砂、硅灰、膨脹劑、減水劑、工程纖維和水。水泥為日本小野田水泥公司525號水泥;河砂為山東牟平砂廠提供,30～70 目,細度模數(shù)2.2;人工合成砂為自制,30～70 目。硅灰為艾肯礦產(chǎn)品加工廠提供,比表面積 20 000 m2/kg;膨脹劑選用蘇博特公司生產(chǎn)的混凝土高效膨脹劑;減水劑為國產(chǎn)蘇博特和瑞士西卡生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,透明液體,濃度在40%;工程纖維為聚苯乙烯纖維,長度在6 mm;水:自來水,符合 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》的要求[26]。

1.2 膠合劑配比設(shè)計及成型工藝

為滿足實際工作要求,水泥膠合劑的流動度在220 mm,設(shè)計的配比見表1。其中減水劑為總摻量的0.2%(質(zhì)量分數(shù),下同)工程纖維為水泥量的2%。編號S為工廠現(xiàn)有的配方,以河砂為骨料,國產(chǎn)蘇博特聚羧酸減水劑;SJ為人工合成砂為骨料,西卡減水劑,SJX為人工合成砂為骨料,西卡減水劑,添加2%的工程纖維。試驗基準配比(g)為:m(水泥)∶m(骨料)∶m(硅灰):m(膨脹劑):m(減水劑)=1 000∶667∶75∶20∶3.5。

表1 配方設(shè)計

為較好地分散膨脹劑,在試件成型過程中,需先將水泥、骨料與膨脹劑混合干攪3 min,然后再加水、減水劑拌合,24 h脫模。養(yǎng)護條件為20 ℃水養(yǎng)護。

1.3 性能測試方法

水泥膠合劑骨料的化學組成采用荷蘭PANalytical.B.V公司的Zetium型X射線熒光光譜儀測試;水泥膠合劑的微觀結(jié)構(gòu)采用日本電子公司的JSM-7500F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行測試;水泥膠合劑的彈性模量采用天津建儀公司的DT-14W型動彈儀測試;水泥膠合劑的抗折強度、抗壓強度、干縮率等性能依照JB/T 4307-2004《絕緣子膠裝用水泥膠合劑》進行測試[27]。水泥膠合劑流動度測試按照GB/T 50119-2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中的要求進行測試[28]。

2 結(jié)果和討論

2.1 人工合成砂與河砂的比較

目前大多數(shù)廠家均使用河砂為骨料,其為天然礦物,為了降低泥含量和可溶性鹽的含量,往往要通過水洗方式后才能作為骨料使用。而人工合成砂是一種以氧化鋁和莫來石為主要成分的人工合成的高品質(zhì)材料。其莫氏硬度在8～9,密度在3.2 g/cm3以上。同現(xiàn)有的河砂相比較,人工合成砂性能穩(wěn)定,雜質(zhì)含量少,能有效抑制堿骨料反應(yīng),而且其硬度高,韌性好,可以提升水泥膠合劑的力學性能。

表2為X射線熒光光譜儀測得的河砂與人工合成砂的化學成分結(jié)果?？梢钥吹?人工合成砂的主要成分為氧化鋁,而河砂的主要成分為二氧化硅。對瓷絕緣子的長期運行來看,利用河砂會存在長期堿骨料反應(yīng),對瓷產(chǎn)品的長期安全性存在潛在的風險,而人工合成砂主要組成為氧化鋁,穩(wěn)定性要高,不會存在堿骨料反應(yīng)等風險。

表2 河砂和人工砂的化學成分

2.2 水泥膠合劑的力學性能

水泥膠合劑的抗折、抗壓強度測試結(jié)果見圖1(a)、(b)。由圖可知,改善后的水泥膠合劑與原先使用的水泥膠合劑相比,各個齡期的抗折、抗壓強度均得到了提升。其中,抗折強度提升更加明顯,3、7、11、28天的測試結(jié)果顯示,其抗折強度分別提升了14.9%、15.9%、23.3%、23.8%。使用了西卡減水劑和人工合成砂的水泥膠合劑在11天時抗折強度高達22.3 MPa,與28天時的抗折強度23.4 MPa幾乎相當。這表明,減水劑的種類與骨料種類,對水泥膠合劑的抗壓、抗折強度有著直接聯(lián)系。一方面,采用的西卡高效減水劑減水率更高,在保持流動性一致的情況下其減水效果大幅提升,用水量急劇減少,水化后的水泥膠合劑的結(jié)構(gòu)愈加緊密;另一方面,由于人工合成砂主要成分為氧化鋁,而河砂的主要成分為二氧化硅,氧化鋁的高強度、高硬度的特性,使采用人工合成砂為骨料制得的水泥膠合劑強度高于河砂為骨料制得的水泥膠合劑。在水泥膠合劑中摻加了2wt%纖維后,雖摻入纖維后,其強度在各齡期內(nèi)相比于不摻纖維的水泥膠合劑略有下降,但是與以河砂作為骨料制備的水泥膠合劑相比,其抗折、抗壓強度均有提高。在28天時,加入纖維的水泥膠合劑的抗壓強度達到109.3 MPa,較以河砂為骨料制備的水泥膠合劑提高3.7 MPa。

圖1 不同配方水泥膠合劑的強度圖

從強度結(jié)果來看,使用高效減水劑、以人工合成砂作為骨料,有助于提高水泥膠合劑抗折、抗壓強度。但考慮到使用人工合成砂往往會造使得彈性模量大幅提升,不利于水泥膠合劑的使用性能,因此在水泥膠合劑中摻加了適量纖維來降低其彈性模量。雖然摻加纖維后膠合劑的強度略微降低,但摻加纖維后的水泥膠合劑各項性能依然比現(xiàn)有產(chǎn)品的水泥膠合劑性能更優(yōu)異。說明改善配方后,水泥膠合劑性能得到了有效的提升。

圖2是水泥膠合劑進行抗壓測試后的側(cè)面圖。其中圖2(a)為未摻加纖維的水泥膠合劑側(cè)面,圖2(b)為摻加2wt%工程纖維的水泥膠合劑側(cè)面。未摻加纖維的水泥膠合劑承受應(yīng)力集中,破壞呈現(xiàn)切面平整的豎直大裂紋;摻加了纖維的水泥膠合劑經(jīng)抗壓測試后,側(cè)面呈現(xiàn)大量具有一定傾斜角度的細小裂紋。當基體受到荷載作用時,纖維因變形而消耗能量;而基體一旦開裂,纖維與基體間的黏結(jié)作用便會限制裂縫的迅速發(fā)展直至纖維被拔出或拉斷,致使基體延性和韌性得到了極大的提高[29]。此外,添加纖維后,水泥膠合劑的氣孔明顯減少,表明纖維可以在一定程度上降低水泥膠合劑的氣孔率,有助于提高材料的電學性能。

圖2 水泥膠合劑的斷裂側(cè)面圖

彈性模量測試結(jié)果見圖3。與以河砂為骨料的水泥膠合劑相比(基本在36～37 GPa),以人工合成砂作為骨料的水泥膠合劑在各個齡期內(nèi)普遍具有較高的彈性模量(42 GPa),在28天時的彈性模量較以河砂為骨料的水泥膠合劑增加了16.5%。彈性模量過高的材料,在受力或升溫后,由于無法產(chǎn)生足夠的形變而在材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,應(yīng)力過大將會發(fā)生脆性斷裂,而會引起瓷件的破壞。而添加2wt%的纖維后,膠合劑的彈性模量又明顯降低(37～38 GPa),僅比以河砂為骨料的水泥膠合劑僅高出1.0 GPa。這表明:摻加了適量纖維后,纖維可以通過改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布,可以對基體的彈模造成影響[30-31],使得水泥膠合劑的彈性模量大幅下降。

圖3 不同配方水泥膠合劑的彈性模量圖

3種不同配方的水泥膠合劑其干縮性能見圖4:水泥膠合劑的干縮率隨齡期而提升,齡期在3天后,以人工合成砂作為骨料的兩種水泥膠合劑的干縮率相差不大,均低于以河砂為骨料的水泥膠合劑,在11天時3種配方的水泥膠合劑其干縮率分別為0.090%、0.069%、0.064%。根據(jù)JB/T 4307-2004《絕緣子膠裝用水泥膠合劑》國家標準要求[27],高強度水泥膠合劑的11天干縮率應(yīng)小于0.09%,通過改變減水劑、骨料、添加纖維后的水泥膠合劑,其干縮率達到標準要求。

圖4 不同配方水泥膠合劑的干縮性能曲線圖

與摻加了蘇博特減水劑和河砂的水泥膠合劑相比,摻加了西卡減水劑和人工合成砂的水泥膠合劑具有更優(yōu)異的抗折、抗壓強度與耐干縮性能。一方面源于使用的西卡減水劑的減水率更高,用水量少,另一方面人工合成砂為高溫燒結(jié)后的產(chǎn)品,吸水率低且表面粗糙,與水泥具有更緊密的連接,在一定程度上能減少水泥膠合劑的氣孔率以及水化產(chǎn)物的收縮率。

2.3 水泥膠合劑的微觀結(jié)構(gòu)

圖5是不同齡期的水泥水化3天和28天的微觀結(jié)構(gòu)圖。圖5(a)是采用河砂制備的膠合劑水化3天后,水泥顆粒大部分已經(jīng)水化,并伴有大量C-S-H凝膠生成,但水泥石致密度不高,仍存在為水化的水泥顆粒;水化28天后,見圖5(b)水泥膠合劑水化程度加深,水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和AFt互相交織,水泥石致密度明顯提高,幾乎沒有未水化的顆粒,生成的凝膠將AFt包裹起來,形成密實的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),水泥膠合劑強度明顯提高。圖5(c)是采用人工合成砂制備的水泥膠合劑,養(yǎng)護3天后,水化顆粒明顯充分,形成較為密實的水泥石結(jié)構(gòu),生成了大量的C-S-H或C-S-A-H凝膠,此時水泥膠合劑已達到較高的強度(20.0 MPa);養(yǎng)護28天后,見圖5(d)發(fā)現(xiàn)水泥顆粒幾乎全部水化,生成的C-S-H凝膠組成了密實的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),與河砂作為骨料的水泥膠合劑28天水化圖5(b)相比,此時的水化產(chǎn)物更多,其水化程度進一步加深,強度顯著提高。因此摻加了人工合成砂的水泥膠合劑的抗折和抗壓強度均要高于摻加河砂制備的水泥膠合劑。

圖5 不同骨料制備的水泥膠合劑的微觀形貌

2.4 水泥膠合劑的電學性能

根據(jù)以上的實驗結(jié)果,對采用河砂、人工合成砂以及人工合成砂同時纖維制備的水泥膠合劑進行瓷件的膠裝,數(shù)量為各10片,并開展機電破壞負荷試驗和熱機械性能試驗,以驗證改進后的水泥膠合劑對產(chǎn)品性能影響。

機電破壞負荷試驗即對瓷絕緣子元件施加工頻電壓的同時,在金屬附件之間施加拉伸負荷,絕緣子元件試驗時所能達到的最大負荷數(shù)值即機電破壞負荷數(shù)值。表3為瓷絕緣子產(chǎn)品機電破壞負荷實驗結(jié)果,可以看出,應(yīng)用以上配方制備的水泥膠合劑生產(chǎn)的550 kN噸位產(chǎn)品,不管是采用河砂還是人工合成砂,產(chǎn)品機電均為最佳破壞方式,即鋼腳延長。最終機電破壞負荷高于均規(guī)定負荷,分別高出127.8 kN、130.0 kN、107.6 kN。由實驗結(jié)果的標準偏差看出,產(chǎn)品機電破壞負荷數(shù)值波動很小,基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

表3 產(chǎn)品機電破壞負荷實驗結(jié)果

熱機械性能試驗是指絕緣子元件經(jīng)歷4個24 h最小溫差為80 K的冷卻、加熱循環(huán),同時施加機電破壞負荷的60%～80%大小的拉伸負荷,產(chǎn)品經(jīng)過冷熱循環(huán)后若沒有損壞,再測試其機電破壞負荷。表4為不同配方的水泥膠合劑制備的瓷絕緣子產(chǎn)品的熱機性能實驗結(jié)果。可以看出,采用3種不同配方的水泥膠合劑制備的瓷件產(chǎn)品,經(jīng)過了4個冷熱循環(huán)后均沒有損壞,且機電破壞負荷數(shù)值未出現(xiàn)明顯下降。

表4 產(chǎn)品熱機性能實驗結(jié)果

以上結(jié)果表明,產(chǎn)品熱機械性能滿足標準要求,無論是改變減水劑或者以人工合成砂為骨料制備的水泥膠合劑,所制備的瓷件產(chǎn)品的電性能均滿足標準要求。

3 結(jié)語

本研究通過高效的減水劑以及人工合成砂為骨料,可以極大提升水泥膠合劑的力學性能,特別是抗折、抗壓強度大幅提升,其抗折強度在11天可高達22.3 MPa?？赏ㄟ^摻加2wt%工程纖維可以有效降低彈性模量使用人工合成砂制備的水泥膠合劑,其彈性模量降低到與河砂制備的水泥膠合劑相當,為37.1 GPa。改性后的水泥膠合劑膠裝成瓷件后,其機電破壞負荷試驗和熱機械性能試驗結(jié)果均滿足標準要求。