玻璃纖維增強(qiáng)氯氧鎂水泥力學(xué)性能研究

周俊鈞 劉穎卓 潘超 張?chǎng)?/p>

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

玻璃纖維增強(qiáng)氯氧鎂水泥（Glass fiber Reinforced Magnesium oxychloride Cement,GRMC)是氯氧鎂水泥與耐堿玻纖增強(qiáng)材料復(fù)合制成的特殊玻璃纖維增強(qiáng)水泥材料。GRMC具有卓越的耐火性、良好的工藝性，相比于普通硅酸鹽水泥混凝土，GRMC在MOC中加入玻璃纖維后不僅具有較好的抗凍性，還因?yàn)椴ＡЮw維具有優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性和低溫的穩(wěn)定性，GRMC具有高的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力，能較好地抑制凍融裂紋的擴(kuò)展[1]，采用合適的表面處理劑對(duì)玻璃纖維表面進(jìn)行處理，可改善纖維與氯氧鎂水泥基體間的界面粘接狀況，避免界面間毛細(xì)管通道的形成，并提高制品的力學(xué)性能。我國(guó)早在上世紀(jì)就開展了玻璃纖維增強(qiáng)氯氧鎂水泥的研究，從輕型屋面材料的單一品種發(fā)展出了復(fù)合地板、風(fēng)道等眾多品種。早期研究主要集中在玻璃纖維增強(qiáng)氯氧鎂水泥的耐水性和耐久性方面，針對(duì)氯氧鎂水泥制品出現(xiàn)的返霜、翹曲、變形、潮解等現(xiàn)象，而對(duì)GRMC材料性能的研究相對(duì)滯后。本文研究玻璃纖維增強(qiáng)網(wǎng)格布層數(shù)、不同填料、不同有機(jī)改性劑涂覆網(wǎng)格布對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)氯氧鎂水泥力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度）的影響，為材料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)氯氧鎂水泥的改性研究，可以指導(dǎo)產(chǎn)品改進(jìn)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量具有積極作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料及儀器

輕燒氧化鎂粉（活性氧化鎂含量63%）、氯化鎂、耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布（ARNP10×10-120LH)；滑石粉（細(xì)度600目）、丙烯酸乳液、脲醛樹脂、苯丙乳液、輕質(zhì)碳酸鈣（平均粒徑為1-3μm)、河沙、自來水；電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)；激光切割機(jī)。

1.2 試件制備及測(cè)試方法

拉伸、彎曲和壓縮試驗(yàn)的樣品制備和試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 15231-2008。試件的膠凝材料氯氧鎂水泥每24.5kg配料一次。滑石粉或砂或輕質(zhì)碳酸鈣（填料）∶鹵水（波美度26）∶MgO=7：7：10.5。不同網(wǎng)格布摻量試驗(yàn)樣品分別加入一層、二層、三層、四層玻璃纖維網(wǎng)格布，其他試驗(yàn)樣品加入三層玻璃纖維網(wǎng)格布。用不同有機(jī)改性劑（丙烯酸乳液、脲醛樹脂、苯丙乳液）涂覆網(wǎng)格布。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加載速率力學(xué)性能的影響

選用0.2mm/min、0.5mm/min、2mm/min、3mm/min、6mm/min五種速率的測(cè)試力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果如表1、表2和表3所示。

表1 不同試驗(yàn)速率的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，每一組試驗(yàn)速率中平行試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差較小，不同速率的試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差比較穩(wěn)定，且與平行測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大。故試驗(yàn)速率對(duì)拉伸、壓縮、彎曲測(cè)試結(jié)果影響不大，該加載速率范圍均可作為試驗(yàn)條件的選用范圍。

表2 不同試驗(yàn)速率的壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同試驗(yàn)速率的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2 不同試樣尺寸對(duì)力學(xué)性能的影響

為了研究不同的試樣尺寸對(duì)拉伸性能測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)四種樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同的試樣尺寸的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，每一組試樣尺寸中平行試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差較小，不同尺寸的試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差比較穩(wěn)定，且與平行測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大。故在上述試樣范圍內(nèi)試樣尺寸對(duì)拉伸測(cè)試結(jié)果影響不大。

同樣為了研究不同的試樣尺寸對(duì)壓縮性能測(cè)試結(jié)果的影響，試驗(yàn)制作五種樣品，按照GB/T 15231-2008的試驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 不同的試樣尺寸的壓縮試驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，每一組試樣尺寸中平行試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差較小，不同尺寸的試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差比較穩(wěn)定，且與平行測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大。故在上述試樣范圍內(nèi)試樣尺寸對(duì)壓縮測(cè)試結(jié)果影響不大。

為了研究不同的試樣尺寸對(duì)彎曲性能測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)制作的四種樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 不同的試樣尺寸的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，每一組試樣尺寸中平行試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差較小，不同尺寸的試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差比較穩(wěn)定，且與平行測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大。故在上述試樣范圍內(nèi)試樣尺寸對(duì)彎曲測(cè)試結(jié)果影響不大。

2.3 不同網(wǎng)格布層數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

制作了分別鋪設(shè)網(wǎng)格布層數(shù)1（層）/10mm、2（層）/10mm、3（層）/10mm、4（層）/10mm的試樣，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表7-表9所示。

表7 不同網(wǎng)格布層數(shù)試樣拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表8 不同網(wǎng)格布層數(shù)試樣壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表9 不同網(wǎng)格布層數(shù)試樣彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從數(shù)據(jù)可見，平行試驗(yàn)的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差較小，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可靠性，同時(shí)不同網(wǎng)格布層數(shù)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差較大，說明網(wǎng)格布層數(shù)會(huì)對(duì)GRMC的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。

隨著網(wǎng)格布層數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度增大，壓縮強(qiáng)度變化較小，四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度增大。網(wǎng)格布是玻璃纖維二維方向分布的織物，能夠有效阻止基體裂紋在網(wǎng)格布分布面的擴(kuò)展[2]。根據(jù)復(fù)合強(qiáng)度理論，彈性模量較大的玻璃纖維網(wǎng)格布的摻入，使GRMC試件的彈性模量增大，相同應(yīng)變的情況下，必然導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的增大。但是壓縮試驗(yàn)是加載方向垂直于網(wǎng)格布分布面，網(wǎng)格布難以起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用[3-4]。彎曲過程實(shí)際上是中間層上部受壓、下部受拉的受力狀態(tài)，故彎曲強(qiáng)度與網(wǎng)格布層數(shù)呈正相關(guān)[5]。在實(shí)際生產(chǎn)和工程應(yīng)用中，要結(jié)合實(shí)際情況來選擇不同層數(shù)的網(wǎng)格布來增強(qiáng)氯氧鎂水泥制品。

2.4 不同填料對(duì)力學(xué)性能的影響

在3層網(wǎng)格布的條件下，采用滑石粉、砂和輕質(zhì)碳酸鈣不同種類填料摻入GRMC中（摻量均為28.6%），進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表10-表12所示。

表10 不同填料種類的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表11 不同填料種類的壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表12 不同填料種類的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同填料的GRMC的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行比較，滑石粉的拉伸強(qiáng)度最小（2.8MPa)，砂的拉伸強(qiáng)度次之（3.1MPa)，輕質(zhì)碳酸鈣的拉伸強(qiáng)度最高（3.7MPa)。對(duì)不同填料的GRMC的壓縮強(qiáng)度進(jìn)行比較，輕質(zhì)碳酸鈣的壓縮強(qiáng)度最小（13.2MPa)，滑石粉的壓縮強(qiáng)度次之（15.7MPa)，砂的壓縮強(qiáng)度強(qiáng)度最高（19.3MPa)。對(duì)不同填料的GRMC的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行比較，滑石粉的彎曲強(qiáng)度最大（13.8MPa)，輕質(zhì)碳酸鈣的彎曲強(qiáng)度次之（9.5MPa)，砂的彎曲強(qiáng)度最低（7.7MPa)。這可能與填料的粒徑和自身強(qiáng)度有關(guān)，不同的填料使基體的密實(shí)程度不同[6]。另外，這可能還與填料的微觀形態(tài)有關(guān)，滑石粉為片狀，輕質(zhì)碳酸鈣為粒狀。從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同填料對(duì)GRMC力學(xué)性能的影響規(guī)律方面，填料對(duì)拉伸與壓縮的影響是不同的，這提醒在材料設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮對(duì)受拉部位和受壓部位進(jìn)行不同填料配比。

2.5 不同有機(jī)改性劑涂覆網(wǎng)格布對(duì)力學(xué)性能的影響

將不同有機(jī)改性劑涂覆玻璃纖維網(wǎng)格布，對(duì)制成的GRMC試樣進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表13-表15所示。

表13 不同有機(jī)改性劑涂覆網(wǎng)格布處理的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表14 不同填料種類的壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表15 不同填料種類的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同有機(jī)改性劑涂覆網(wǎng)格布的GRMC的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行比較，脲醛樹脂和苯丙乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC拉伸強(qiáng)度最大（4.0MPa)，丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的拉伸強(qiáng)度較低（2.9MPa)。對(duì)不同有機(jī)改性劑涂覆網(wǎng)格布的GRMC壓縮強(qiáng)度進(jìn)行比較，脲醛樹脂涂覆網(wǎng)格布的GRMC的壓縮強(qiáng)度最大（16.5MPa)，苯丙乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC的壓縮強(qiáng)度次之（16.4MPa)，丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC壓縮強(qiáng)度強(qiáng)度最低（12.3MPa)。對(duì)不同有機(jī)改性劑涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強(qiáng)度進(jìn)行比較，丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強(qiáng)度最大（13.6MPa)，苯丙乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強(qiáng)度次之（13.4MPa)，脲醛樹脂涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強(qiáng)度最低（10.6MPa)。不同有機(jī)改性劑涂覆網(wǎng)格布的GRMC,苯丙乳液和脲醛樹脂處理的玻璃纖維網(wǎng)格布的GRMC力學(xué)性能呈現(xiàn)出較為優(yōu)越的力學(xué)性能。苯丙乳液和脲醛樹脂都有耐弱堿的性能，涂覆玻璃纖維網(wǎng)格布除了能夠阻止水泥基體對(duì)玻璃纖維網(wǎng)格布的腐蝕外，還能夠使水泥基體與玻璃纖維黏結(jié)更好，在外力作用下可以使應(yīng)力由基材傳遞給纖維[7-9]。

3 結(jié)語

1）對(duì)GRMC材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲性能測(cè)試研究表明：當(dāng)加載速率為0.2-6mm/min,拉伸試樣寬度尺寸為10-40mm、壓縮試樣承壓面的邊長(zhǎng)尺寸為20-60mm、彎曲試樣的寬度尺寸為20-50mm時(shí)，加載速率、試件尺寸對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小，本研究建議GRMC材料的拉伸、壓縮、彎曲試驗(yàn)可采用上述加載速率和試樣尺寸范圍。

2）研究了配合比因素對(duì)GRMC的主要力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：隨著網(wǎng)格布層數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度增大，壓縮強(qiáng)度幾乎不受影響，四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度增大。滑石粉、砂、輕質(zhì)碳酸鈣為填料的GRMC的拉伸強(qiáng)度：輕質(zhì)碳酸鈣（3.7MPa)＞砂（3.1MPa)＞滑石粉（2.8MPa)，壓縮強(qiáng)度：砂（19.3MPa)＞滑石粉（15.7MPa)＞輕質(zhì)碳酸鈣（13.2MPa)，彎曲強(qiáng)度：滑石粉（13.8MPa)＞輕質(zhì)碳酸鈣（9.5MPa)＞砂（7.7MPa)。對(duì)脲醛樹脂、苯丙乳液、丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度進(jìn)行研究，拉伸強(qiáng)度：脲醛樹脂（4.0MPa)＞苯丙乳液（4.0MPa)＞丙烯酸乳液（2.9MPa)；壓縮強(qiáng)度：脲醛樹脂（16.5MPa)＞苯丙乳液（16.4MPa)＞丙烯酸乳液（12.3MPa)，彎曲強(qiáng)度：丙烯酸乳液（13.6MPa)，苯丙乳液和脲醛樹脂處理的玻璃纖維網(wǎng)格布的GRMC力學(xué)性能呈現(xiàn)出了較為優(yōu)越的力學(xué)性能。