玻璃纖維增強氯氧鎂水泥力學(xué)性能研究

周俊鈞 劉穎卓 潘超 張鑫

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

玻璃纖維增強氯氧鎂水泥（Glass fiber Reinforced Magnesium oxychloride Cement,GRMC)是氯氧鎂水泥與耐堿玻纖增強材料復(fù)合制成的特殊玻璃纖維增強水泥材料。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，還因為玻璃纖維具有優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性和低溫的穩(wěn)定性，GRMC具有高的抗拉強度和抗變形能力，能較好地抑制凍融裂紋的擴展[1]，采用合適的表面處理劑對玻璃纖維表面進行處理，可改善纖維與氯氧鎂水泥基體間的界面粘接狀況，避免界面間毛細管通道的形成，并提高制品的力學(xué)性能。我國早在上世紀就開展了玻璃纖維增強氯氧鎂水泥的研究，從輕型屋面材料的單一品種發(fā)展出了復(fù)合地板、風道等眾多品種。早期研究主要集中在玻璃纖維增強氯氧鎂水泥的耐水性和耐久性方面，針對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GRMC材料性能的研究相對滯后。本文研究玻璃纖維增強網(wǎng)格布層數(shù)、不同填料、不同有機改性劑涂覆網(wǎng)格布對玻璃纖維增強氯氧鎂水泥力學(xué)性能（拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度）的影響，為材料設(shè)計提供依據(jù)。通過對玻璃纖維增強氯氧鎂水泥的改性研究，可以指導(dǎo)產(chǎn)品改進，對提高產(chǎn)品質(zhì)量具有積極作用。

1 試驗部分

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；電子萬能材料試驗機；激光切割機。

1.2 試件制備及測試方法

拉伸、彎曲和壓縮試驗的樣品制備和試驗方法依據(jù)GB/T 15231-2008。試件的膠凝材料氯氧鎂水泥每24.5kg配料一次?；刍蛏盎蜉p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，其他試驗樣品加入三層玻璃纖維網(wǎng)格布。用不同有機改性劑（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五種速率的測試力學(xué)性能，測試結(jié)果如表1、表2和表3所示。

表1 不同試驗速率的拉伸試驗結(jié)果

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

表2 不同試驗速率的壓縮試驗結(jié)果

表3 不同試驗速率的彎曲試驗結(jié)果

2.2 不同試樣尺寸對力學(xué)性能的影響

為了研究不同的試樣尺寸對拉伸性能測試結(jié)果的影響，對四種樣品進行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同的試樣尺寸的拉伸試驗結(jié)果

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

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

表5 不同的試樣尺寸的壓縮試驗結(jié)果

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

為了研究不同的試樣尺寸對彎曲性能測試結(jié)果的影響，對制作的四種樣品進行測試，測試結(jié)果如表6所示。

表6 不同的試樣尺寸的彎曲試驗結(jié)果

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

2.3 不同網(wǎng)格布層數(shù)對力學(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，并對其進行力學(xué)性能測試，測試結(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)性能試驗結(jié)果

從數(shù)據(jù)可見，平行試驗的數(shù)值標準差較小，證實了實驗的數(shù)據(jù)可靠性，同時不同網(wǎng)格布層數(shù)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)的標準差較大，說明網(wǎng)格布層數(shù)會對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，拉伸強度增大，壓縮強度變化較小，四點彎曲強度增大。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)格布分布面的擴展[2]。根據(jù)復(fù)合強度理論，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)致拉伸強度的增大。但是壓縮試驗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展的作用[3-4]。彎曲過程實際上是中間層上部受壓、下部受拉的受力狀態(tài)，故彎曲強度與網(wǎng)格布層數(shù)呈正相關(guān)[5]。在實際生產(chǎn)和工程應(yīng)用中，要結(jié)合實際情況來選擇不同層數(shù)的網(wǎng)格布來增強氯氧鎂水泥制品。

2.4 不同填料對力學(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%），進行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果如表10-表12所示。

表10 不同填料種類的拉伸試驗結(jié)果

表11 不同填料種類的壓縮試驗結(jié)果

表12 不同填料種類的彎曲試驗結(jié)果

對不同填料的GRMC的拉伸強度進行比較，滑石粉的拉伸強度最?。?.8MPa)，砂的拉伸強度次之（3.1MPa)，輕質(zhì)碳酸鈣的拉伸強度最高（3.7MPa)。對不同填料的GRMC的壓縮強度進行比較，輕質(zhì)碳酸鈣的壓縮強度最小（13.2MPa)，滑石粉的壓縮強度次之（15.7MPa)，砂的壓縮強度強度最高（19.3MPa)。對不同填料的GRMC的彎曲強度進行比較，滑石粉的彎曲強度最大（13.8MPa)，輕質(zhì)碳酸鈣的彎曲強度次之（9.5MPa)，砂的彎曲強度最低（7.7MPa)。這可能與填料的粒徑和自身強度有關(guān)，不同的填料使基體的密實程度不同[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。從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同填料對GRMC力學(xué)性能的影響規(guī)律方面，填料對拉伸與壓縮的影響是不同的，這提醒在材料設(shè)計中應(yīng)該考慮對受拉部位和受壓部位進行不同填料配比。

2.5 不同有機改性劑涂覆網(wǎng)格布對力學(xué)性能的影響

將不同有機改性劑涂覆玻璃纖維網(wǎng)格布，對制成的GRMC試樣進行了力學(xué)性能測試，結(jié)果如表13-表15所示。

表13 不同有機改性劑涂覆網(wǎng)格布處理的拉伸試驗結(jié)果

表14 不同填料種類的壓縮試驗結(jié)果

表15 不同填料種類的彎曲試驗結(jié)果

對不同有機改性劑涂覆網(wǎng)格布的GRMC的拉伸強度進行比較，脲醛樹脂和苯丙乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC拉伸強度最大（4.0MPa)，丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的拉伸強度較低（2.9MPa)。對不同有機改性劑涂覆網(wǎng)格布的GRMC壓縮強度進行比較，脲醛樹脂涂覆網(wǎng)格布的GRMC的壓縮強度最大（16.5MPa)，苯丙乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC的壓縮強度次之（16.4MPa)，丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC壓縮強度強度最低（12.3MPa)。對不同有機改性劑涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強度進行比較，丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強度最大（13.6MPa)，苯丙乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強度次之（13.4MPa)，脲醛樹脂涂覆網(wǎng)格布的GRMC彎曲強度最低（10.6MPa)。不同有機改性劑涂覆網(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GRMC材料進行拉伸、壓縮、彎曲性能測試研究表明：當加載速率為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尺寸為20-60mm、彎曲試樣的寬度尺寸為20-50mm時，加載速率、試件尺寸對測試結(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，拉伸強度增大，壓縮強度幾乎不受影響，四點彎曲強度增大?；?、砂、輕質(zhì)碳酸鈣為填料的GRMC的拉伸強度：輕質(zhì)碳酸鈣（3.7MPa)＞砂（3.1MPa)＞滑石粉（2.8MPa)，壓縮強度：砂（19.3MPa)＞滑石粉（15.7MPa)＞輕質(zhì)碳酸鈣（13.2MPa)，彎曲強度：滑石粉（13.8MPa)＞輕質(zhì)碳酸鈣（9.5MPa)＞砂（7.7MPa)。對脲醛樹脂、苯丙乳液、丙烯酸乳液涂覆網(wǎng)格布的GRMC拉伸、壓縮、彎曲強度進行研究，拉伸強度：脲醛樹脂（4.0MPa)＞苯丙乳液（4.0MPa)＞丙烯酸乳液（2.9MPa)；壓縮強度：脲醛樹脂（16.5MPa)＞苯丙乳液（16.4MPa)＞丙烯酸乳液（12.3MPa)，彎曲強度：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。