堿式硫酸鎂水泥復合板的壽命預測技術＊

劉潘潘，張云飛，吳成友，王春玲，趙慧冰，劉釗

（1.黃河交通學院，河南 焦作 454950；2.青海大學，青海 西寧 810000）

1 研究背景

玻璃纖維鎂水泥（Glass Fiber Reinforced Basic Sulphur Oxychloride Cement，GRBMC）是以玻璃纖維為增強和抗彎材料，以氣硬性的硫氧鎂水泥為基體材料制成的水泥基復合材料，具有質輕、耐水、耐火、成本低和工藝簡單等優點。一些學者對玻璃纖維水泥板材進行了力學性能及老化試驗研究。例如，臧亞美等[1-2]采用SIC（Strand Incement）試驗方法對其進行了老化試驗，結果表明在熱水條件下玻璃纖維增強氯氧鎂水泥的抗折強度明顯地下降。余紅發等[3-4]利用SIC研究了玻璃纖維增強氯氧鎂水泥（GRMC）板材在熱水加速老化試驗條件下的強度變化，并運用XRD、DSC-TG、FT-IR 和SEM 分析其水化產物組成和微觀結構形態。譚永山等[5]研究了50 ℃和80 ℃熱水條件下GRMC 老化的力學性能規律以及其耐久性。邢賽男等[6]研究了玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥加速老化試驗和耐久性研究，得出了玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥材料老化壽命時間長的特點。楊建明等[7]研究發現磷酸鎂水泥砂漿基體與玻璃纖維有較好的粘結力，兩者復合可大幅度提高試件的抗折強度。根據對普通硅酸鹽水泥混凝土凍融試驗的研究可以發現，其抗凍性較差，且中國因地勢氣候原因，北方地區的混凝土工程更容易受凍，造成工程的壽命嚴重損失。而玻璃纖維具有優良的穩定性以及良好的抗拉強度和抗變形能力，因此可以較好地抑制裂紋的延伸[7-8]。而玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥在各地方壽命如何，暫時未有相關報道。因此有必要開展對堿式硫酸鎂水泥復合板材壽命的預測，為預防抗凍破壞工程提供合理的方法。

2 試驗

2.1 原材料

輕燒氧化鎂：氧化鎂來源于中國遼寧省大石橋750 ℃的煅燒菱鎂礦。其活性MgO（a-Mgo）根據標準化水合方法[9]測量。

硫酸鎂溶液：一定量的工業級MgSO4·7H2O（取自天津市津南區永興化工廠）溶解于水中配制而成。

礦物摻合料：①礦渣，取自于江蘇江南粉磨公司S95 級磨細礦渣；②硅灰，使用青海省樂都地區生產的加密硅灰；③粉煤灰，采用青海橋頭鋁電廠生產的Ⅱ級粉煤灰；④玻璃纖維，中堿玻璃纖維網格布；⑤木屑，過篩后的楊木屑。

2.2 試驗制備與方法

先將配置好的硫酸鎂溶液與外加水混合，再將輕燒氧化鎂粉、檸檬酸鈉、木屑、礦渣與粉煤灰均按其水泥量的10%、20%、30%摻入，硅灰按水泥量的5%、10%、20%摻入[8]混合置于攪拌容器內，攪拌機攪拌90 s（慢轉60 s，快轉30 s），置于規格為40 mm×40 mm×160 mm 的金屬試模。

將攪拌好的混合漿稱50 g 為試件的保護層，放置三層網格布，再將剩余混合料漿分層加入模具中振搗2次并刮平。將成型好的試件置于溫度為（20±3）℃，相對濕度為（30±5）%的室內環境中養護28 d 后將其在指定溫度（50 ℃、65 ℃和80 ℃）水中浸泡。50 ℃下浸泡3 d、6 d、9 d、14 d、28 d 和60 d，65 ℃下浸泡3 d、7 d、14 d 和28 d，80 ℃下浸泡3 d、6 d、8 d、12 d、21 d。分析GRMC 試件在熱水老化試驗條件下的強度損失率和GRMC 材料壽命預測方法。

3 試驗結果

在熱水老化過程中通過SEM 觀察發現試件中的玻璃纖維在自然條件下養護時并沒有受到化學侵蝕，但是堿硫酸鎂水泥基體在熱水老化中發生一定的化學侵蝕，故發現化學侵蝕的速率應該與加速老化的溫度有密切的關系[1，9-10]，假定兩者關系符合Arrhenius 型關系。Arrhenius 反應速度公式如下：

得出活化能Ea=67.947 kJ/mol。

根據上述公式分別算出添加各種礦物摻合料板材的活化能，具體如表1 所示。

表1 各種摻料板材的活化能

BMSC 在不同地區的自然老化時間，根據公式（4）進行反算，以北京自然氣候條件為例，根據Arrhenius型公式，可以找到關于堿式硫酸鎂水泥加速老化的試驗時間與北京地區年平均氣溫為12 ℃時在50 ℃熱水老化1 d 的關系，代入公式如下：

表3 BMSC+10%SG 在全國不同地區自然老化時間與50 ℃、65 ℃和80 ℃老化1 d 關系

得出x=30 d，即可以得到堿式硫酸鎂水泥復合板材青海西寧環境中進行50 ℃老化1 d 相當于在北京地區老化30 d。那么通過反推可以計算出不同摻合料的堿式硫酸鎂水泥在全國不同地區自然老化時間與50 ℃、65 ℃和80 ℃加速老化1 d 的關系。具體如表2～表5 所示。

表2 BMSC 在全國不同地區自然老化時間與50 ℃、65 ℃和80 ℃老化1 d 的關系

表4 BMSC+10%FA 在全國不同地區自然老化時間與50 ℃、65 ℃和80 ℃老化1 d 關系

表5 BMSC+5%SF 在全國不同地區自然老化時間與50 ℃、65 ℃和80 ℃老化1 d 的關系

從上表中可以看出，不摻加礦物摻合料板材的活化能與摻入礦渣板材的活化能相同，而且是4 種板材中活化能最高的，因此其相對自然老化時間最長；而摻入粉煤灰和硅灰的活化能偏低，且二者在不同地區的活化能相差不大。

綜上所述，可以根據加速老化試驗得出的板材失效時間推算板材在不同地區的平均溫度下的壽命。本研究就青海地區研究結果如表6 所示。

表6 各類GRMC 在青海地區的壽命

從表6 中可以看出，玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥板材的壽命約為5 000 d，折算大約為14 年，摻入礦渣的板材壽命約為19 年，而摻入粉煤灰的板材壽命最少約為2.9 年。因此，摻入礦渣的玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥板材的耐久性要大于摻入粉煤灰和硅灰的玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥板材。

4 結論

研究結果表明：玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥在50 ℃和80 ℃老化條件下，80 ℃下的老化速度比50 ℃下老化更快；不摻加礦物摻合料板材的活化能與摻入礦渣板材的活化能相同，而且是4 種板材中活化能最高的，相對自然老化時間最長；摻入礦渣的玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥板材在青海地區壽命最高約為19年，其次是不摻入摻合料的玻璃纖維增強堿式硫酸鎂水泥板材的壽命約為14 年，兩者壽命相差不大。