大吨位盘形悬式瓷绝缘子用水泥胶合剂的制备与性能研究

周卫兵,张雯雪,周 军,赵江涛,周永新

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070;2.中国电力科学研究院有限公司,北京 100089; 3.国家电网有限公司,北京 100031;4.苏州电瓷厂股份有限公司,江苏 苏州 215122)

0 引言

在特高压工程中,瓷绝缘子往往会发生“掉串”和炸裂等事故,严重威胁到特高压线路工程的安全性和可靠性[1-4]。与瓷绝缘子的另两种材料—瓷件和金具相比较,水泥胶合剂极大地影响着瓷绝缘子的安全性和稳定性[5-7]。目前,国内瓷绝缘子的制造厂家,特别是特高压盘形瓷绝缘子的厂家,在运行线路上的例行检查发现,瓷绝缘子均发现存在有不同程度的性能劣化的现象,其中发现水泥胶合剂中存在有大小、长度不等的裂纹以及大气孔等缺陷存在[8-11]。因此对水泥胶合剂的性能进一步提升,尤其是提高其力学性能,增加安全裕度,从而能增强瓷绝缘子使用的安全性和工作的可靠性极有必要[12-14]。

目前大多数瓷绝缘子的制造厂家制备水泥胶合剂选择河砂作为骨料[15-17],天然河砂的稀缺性较强,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广泛关注[18-21]。河砂的主要成分为二氧化硅,长期性能上存在着碱骨料反应的潜在危险,对瓷绝缘子的长期安全运行存在着严重劣化威胁;海砂表面盐分过高,使用前需要进行淘洗[22-24],因此有必要进行使用人工合成砂替代河砂的研究。

对目前应用的瓷绝缘子,特别是特高压产品,其主要是圆柱头结构,制备水泥胶合剂的弹性模量对其性能有着重要的影响,过大的弹性模量会导致瓷件破坏。有研究表明:圆柱头盘形悬式瓷绝缘子在运行时,铁帽和钢脚会受到一定的拉力,通过胶合剂使瓷绝缘子的头部瓷壁产生应力[25]。因此对水泥胶合剂的力学性能,特别是抗折强度、弹性模量提出更高的要求。

本研究拟采用人工合成砂作为骨料来制备特高压盘形瓷绝缘子用水泥胶合剂。该人工合成砂的主要成分为刚玉和莫来石相,其强度高且韧性强。由于高强度的人工合成砂在提升材料强度的同时,往往也会提高其弹性模量,添加工程纤维可以降低胶合剂的弹性模量,同时研究其抗折抗压强度、干缩率、弹性模量,并对优化后的胶合剂胶装瓷绝缘子产品,对其机电性能、热机性能等电学性能进行表征。

1 实验方法和过程

1.1 原材料

原材料包括水泥、河砂、人工合成砂、硅灰、膨胀剂、减水剂、工程纤维和水。水泥为日本小野田水泥公司525号水泥;河砂为山东牟平砂厂提供,30～70 目,细度模数2.2;人工合成砂为自制,30～70 目。硅灰为艾肯矿产品加工厂提供,比表面积 20 000 m2/kg;膨胀剂选用苏博特公司生产的混凝土高效膨胀剂;减水剂为国产苏博特和瑞士西卡生产的聚羧酸高效减水剂,透明液体,浓度在40%;工程纤维为聚苯乙烯纤维,长度在6 mm;水:自来水,符合 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求[26]。

1.2 胶合剂配比设计及成型工艺

为满足实际工作要求,水泥胶合剂的流动度在220 mm,设计的配比见表1。其中减水剂为总掺量的0.2%(质量分数,下同)工程纤维为水泥量的2%。编号S为工厂现有的配方,以河砂为骨料,国产苏博特聚羧酸减水剂;SJ为人工合成砂为骨料,西卡减水剂,SJX为人工合成砂为骨料,西卡减水剂,添加2%的工程纤维。试验基准配比(g)为:m(水泥)∶m(骨料)∶m(硅灰):m(膨胀剂):m(减水剂)=1 000∶667∶75∶20∶3.5。

表1 配方设计

为较好地分散膨胀剂,在试件成型过程中,需先将水泥、骨料与膨胀剂混合干搅3 min,然后再加水、减水剂拌合,24 h脱模。养护条件为20 ℃水养护。

1.3 性能测试方法

水泥胶合剂骨料的化学组成采用荷兰PANalytical.B.V公司的Zetium型X射线荧光光谱仪测试;水泥胶合剂的微观结构采用日本电子公司的JSM-7500F型场发射扫描电子显微镜进行测试;水泥胶合剂的弹性模量采用天津建仪公司的DT-14W型动弹仪测试;水泥胶合剂的抗折强度、抗压强度、干缩率等性能依照JB/T 4307-2004《绝缘子胶装用水泥胶合剂》进行测试[27]。水泥胶合剂流动度测试按照GB/T 50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》中的要求进行测试[28]。

2 结果和讨论

2.1 人工合成砂与河砂的比较

目前大多数厂家均使用河砂为骨料,其为天然矿物,为了降低泥含量和可溶性盐的含量,往往要通过水洗方式后才能作为骨料使用。而人工合成砂是一种以氧化铝和莫来石为主要成分的人工合成的高品质材料。其莫氏硬度在8～9,密度在3.2 g/cm3以上。同现有的河砂相比较,人工合成砂性能稳定,杂质含量少,能有效抑制碱骨料反应,而且其硬度高,韧性好,可以提升水泥胶合剂的力学性能。

表2为X射线荧光光谱仪测得的河砂与人工合成砂的化学成分结果。可以看到,人工合成砂的主要成分为氧化铝,而河砂的主要成分为二氧化硅。对瓷绝缘子的长期运行来看,利用河砂会存在长期碱骨料反应,对瓷产品的长期安全性存在潜在的风险,而人工合成砂主要组成为氧化铝,稳定性要高,不会存在碱骨料反应等风险。

表2 河砂和人工砂的化学成分

2.2 水泥胶合剂的力学性能

水泥胶合剂的抗折、抗压强度测试结果见图1(a)、(b)。由图可知,改善后的水泥胶合剂与原先使用的水泥胶合剂相比,各个龄期的抗折、抗压强度均得到了提升。其中,抗折强度提升更加明显,3、7、11、28天的测试结果显示,其抗折强度分别提升了14.9%、15.9%、23.3%、23.8%。使用了西卡减水剂和人工合成砂的水泥胶合剂在11天时抗折强度高达22.3 MPa,与28天时的抗折强度23.4 MPa几乎相当。这表明,减水剂的种类与骨料种类,对水泥胶合剂的抗压、抗折强度有着直接联系。一方面,采用的西卡高效减水剂减水率更高,在保持流动性一致的情况下其减水效果大幅提升,用水量急剧减少,水化后的水泥胶合剂的结构愈加紧密;另一方面,由于人工合成砂主要成分为氧化铝,而河砂的主要成分为二氧化硅,氧化铝的高强度、高硬度的特性,使采用人工合成砂为骨料制得的水泥胶合剂强度高于河砂为骨料制得的水泥胶合剂。在水泥胶合剂中掺加了2wt%纤维后,虽掺入纤维后,其强度在各龄期内相比于不掺纤维的水泥胶合剂略有下降,但是与以河砂作为骨料制备的水泥胶合剂相比,其抗折、抗压强度均有提高。在28天时,加入纤维的水泥胶合剂的抗压强度达到109.3 MPa,较以河砂为骨料制备的水泥胶合剂提高3.7 MPa。

图1 不同配方水泥胶合剂的强度图

从强度结果来看,使用高效减水剂、以人工合成砂作为骨料,有助于提高水泥胶合剂抗折、抗压强度。但考虑到使用人工合成砂往往会造使得弹性模量大幅提升,不利于水泥胶合剂的使用性能,因此在水泥胶合剂中掺加了适量纤维来降低其弹性模量。虽然掺加纤维后胶合剂的强度略微降低,但掺加纤维后的水泥胶合剂各项性能依然比现有产品的水泥胶合剂性能更优异。说明改善配方后,水泥胶合剂性能得到了有效的提升。

图2是水泥胶合剂进行抗压测试后的侧面图。其中图2(a)为未掺加纤维的水泥胶合剂侧面,图2(b)为掺加2wt%工程纤维的水泥胶合剂侧面。未掺加纤维的水泥胶合剂承受应力集中,破坏呈现切面平整的竖直大裂纹;掺加了纤维的水泥胶合剂经抗压测试后,侧面呈现大量具有一定倾斜角度的细小裂纹。当基体受到荷载作用时,纤维因变形而消耗能量;而基体一旦开裂,纤维与基体间的黏结作用便会限制裂缝的迅速发展直至纤维被拔出或拉断,致使基体延性和韧性得到了极大的提高[29]。此外,添加纤维后,水泥胶合剂的气孔明显减少,表明纤维可以在一定程度上降低水泥胶合剂的气孔率,有助于提高材料的电学性能。

图2 水泥胶合剂的断裂侧面图

弹性模量测试结果见图3。与以河砂为骨料的水泥胶合剂相比(基本在36～37 GPa),以人工合成砂作为骨料的水泥胶合剂在各个龄期内普遍具有较高的弹性模量(42 GPa),在28天时的弹性模量较以河砂为骨料的水泥胶合剂增加了16.5%。弹性模量过高的材料,在受力或升温后,由于无法产生足够的形变而在材料内部产生内应力,应力过大将会发生脆性断裂,而会引起瓷件的破坏。而添加2wt%的纤维后,胶合剂的弹性模量又明显降低(37～38 GPa),仅比以河砂为骨料的水泥胶合剂仅高出1.0 GPa。这表明:掺加了适量纤维后,纤维可以通过改变结构内部的应力分布,可以对基体的弹模造成影响[30-31],使得水泥胶合剂的弹性模量大幅下降。

图3 不同配方水泥胶合剂的弹性模量图

3种不同配方的水泥胶合剂其干缩性能见图4:水泥胶合剂的干缩率随龄期而提升,龄期在3天后,以人工合成砂作为骨料的两种水泥胶合剂的干缩率相差不大,均低于以河砂为骨料的水泥胶合剂,在11天时3种配方的水泥胶合剂其干缩率分别为0.090%、0.069%、0.064%。根据JB/T 4307-2004《绝缘子胶装用水泥胶合剂》国家标准要求[27],高强度水泥胶合剂的11天干缩率应小于0.09%,通过改变减水剂、骨料、添加纤维后的水泥胶合剂,其干缩率达到标准要求。

图4 不同配方水泥胶合剂的干缩性能曲线图

与掺加了苏博特减水剂和河砂的水泥胶合剂相比,掺加了西卡减水剂和人工合成砂的水泥胶合剂具有更优异的抗折、抗压强度与耐干缩性能。一方面源于使用的西卡减水剂的减水率更高,用水量少,另一方面人工合成砂为高温烧结后的产品,吸水率低且表面粗糙,与水泥具有更紧密的连接,在一定程度上能减少水泥胶合剂的气孔率以及水化产物的收缩率。

2.3 水泥胶合剂的微观结构

图5是不同龄期的水泥水化3天和28天的微观结构图。图5(a)是采用河砂制备的胶合剂水化3天后,水泥颗粒大部分已经水化,并伴有大量C-S-H凝胶生成,但水泥石致密度不高,仍存在为水化的水泥颗粒;水化28天后,见图5(b)水泥胶合剂水化程度加深,水化产物C-S-H凝胶和AFt互相交织,水泥石致密度明显提高,几乎没有未水化的颗粒,生成的凝胶将AFt包裹起来,形成密实的网状结构,水泥胶合剂强度明显提高。图5(c)是采用人工合成砂制备的水泥胶合剂,养护3天后,水化颗粒明显充分,形成较为密实的水泥石结构,生成了大量的C-S-H或C-S-A-H凝胶,此时水泥胶合剂已达到较高的强度(20.0 MPa);养护28天后,见图5(d)发现水泥颗粒几乎全部水化,生成的C-S-H凝胶组成了密实的网状结构,与河砂作为骨料的水泥胶合剂28天水化图5(b)相比,此时的水化产物更多,其水化程度进一步加深,强度显著提高。因此掺加了人工合成砂的水泥胶合剂的抗折和抗压强度均要高于掺加河砂制备的水泥胶合剂。

图5 不同骨料制备的水泥胶合剂的微观形貌

2.4 水泥胶合剂的电学性能

根据以上的实验结果,对采用河砂、人工合成砂以及人工合成砂同时纤维制备的水泥胶合剂进行瓷件的胶装,数量为各10片,并开展机电破坏负荷试验和热机械性能试验,以验证改进后的水泥胶合剂对产品性能影响。

机电破坏负荷试验即对瓷绝缘子元件施加工频电压的同时,在金属附件之间施加拉伸负荷,绝缘子元件试验时所能达到的最大负荷数值即机电破坏负荷数值。表3为瓷绝缘子产品机电破坏负荷实验结果,可以看出,应用以上配方制备的水泥胶合剂生产的550 kN吨位产品,不管是采用河砂还是人工合成砂,产品机电均为最佳破坏方式,即钢脚延长。最终机电破坏负荷高于均规定负荷,分别高出127.8 kN、130.0 kN、107.6 kN。由实验结果的标准偏差看出,产品机电破坏负荷数值波动很小,基本稳定在一定范围内。

表3 产品机电破坏负荷实验结果

热机械性能试验是指绝缘子元件经历4个24 h最小温差为80 K的冷却、加热循环,同时施加机电破坏负荷的60%～80%大小的拉伸负荷,产品经过冷热循环后若没有损坏,再测试其机电破坏负荷。表4为不同配方的水泥胶合剂制备的瓷绝缘子产品的热机性能实验结果。可以看出,采用3种不同配方的水泥胶合剂制备的瓷件产品,经过了4个冷热循环后均没有损坏,且机电破坏负荷数值未出现明显下降。

表4 产品热机性能实验结果

以上结果表明,产品热机械性能满足标准要求,无论是改变减水剂或者以人工合成砂为骨料制备的水泥胶合剂,所制备的瓷件产品的电性能均满足标准要求。

3 结语

本研究通过高效的减水剂以及人工合成砂为骨料,可以极大提升水泥胶合剂的力学性能,特别是抗折、抗压强度大幅提升,其抗折强度在11天可高达22.3 MPa。可通过掺加2wt%工程纤维可以有效降低弹性模量使用人工合成砂制备的水泥胶合剂,其弹性模量降低到与河砂制备的水泥胶合剂相当,为37.1 GPa。改性后的水泥胶合剂胶装成瓷件后,其机电破坏负荷试验和热机械性能试验结果均满足标准要求。