玻璃纖維增強水泥制品與水磨石制品的聯(lián)系
發(fā)布日期:2016-10-14 22:03 ? 來源:金山水磨石磚機 ?作者:admins導(dǎo)讀：摘要： 以水泥為基體的建筑材料都有一個突出的特點，就是抗壓強度高而抗彎（折）強度?？估瓘姸群涂箾_擊強度低。采用纖維材料對水泥基材料進行性能改善，不失為一種行之有效的
摘要：以水泥為基體的建筑材料都有一個突出的特點，就是抗壓強度高而抗彎（折）強度?？估瓘姸群涂箾_擊強度低。采用纖維材料對水泥基材料進行性能改善，不失為一種行之有效的方法。有些纖維只能提高水泥基的抗彎（折）強度和抗拉強度，但不能改善其抗沖擊性能；有些纖維只能提高水泥基體的抗沖擊性能，但無法改善其抗彎強度和抗拉強度；而玻璃纖維不僅可以提高水泥基的抗彎?？估瓘姸龋€可以提高其抗沖擊強度。這種高強度新型材料在水磨石中有很高的應(yīng)用的價值。
關(guān)鍵詞：玻璃纖維 水泥 復(fù)合材料 無機膠凝材料
前言：
玻璃纖維增強水泥（Glass fiber Reinforced Cement，縮寫為GRC）是以玻璃纖維為增強材料，以水泥凈漿或水泥砂漿為基體而形成的一種復(fù)合材料。從1824年波特蘭水泥問世以來，經(jīng)歷多次大的發(fā)展，以擴大用途與提高力學(xué)性能為主線:波特蘭水泥→砂漿、混凝土→鋼筋混凝土門（1850）→石棉水泥門（1900）→預(yù)應(yīng)力混凝土（1929）→外加劑混凝土（1935）→聚合物水泥混凝土（20世紀(jì)50年代）→高強混凝土（20世紀(jì)70年代）→高性能混凝土（20世紀(jì)90年代）。纖維增強水泥基材料自石棉水泥到20世紀(jì)50年代的GRC（玻璃纖維水泥）、60年代的鋼纖維水泥（SFRC)、80年代的碳纖維水泥（CFRC), 以至后來的纖維增強聚合物水泥，力學(xué)性能大幅度提高，用途隨之?dāng)U大。
1.玻璃纖維增強水泥的發(fā)展
以水泥為基體的建筑材料都有一個突出的特點，就是抗壓強度高而抗彎（折）強度?？估瓘姸群涂箾_擊強度低。采用纖維材料對水泥基材料進行性能改善，不失為一種行之有效的方法。有些纖維只能提高水泥基的抗彎（折）強度和抗拉強度，但不能改善其抗沖擊性能；有些纖維只能提高水泥基體的抗沖擊性能，但無法改善其抗彎強度和抗拉強度；而玻璃纖維不僅可以提高水泥基的抗彎?？估瓘姸?，還可以提高其抗沖擊強度。玻璃纖維較高的抗拉強度（單絲抗拉強度可達1770－2550MPa）和較高的彈性模量（約為70GPa，為水泥基體的2．5倍）為其能夠大幅度提高水泥基體的強度和韌性提供了必要的保證。30多年來國內(nèi)外對玻璃纖維增強水泥性能的研究證明，在水泥基體中加人4％－5％的玻璃纖維即可大大改善其力學(xué)性能。一般素水泥砂漿的抗拉強度為2－3MPa，極限延伸變形為100－150με，抗彎（折）強度為 5－7MPa，抗沖擊強度約為 2kJ/㎡，當(dāng)加人4％－5％的玻璃纖維后，復(fù)合材料的抗拉強度達到9－12MPa，極限延伸 變形達到8000－12000με，抗彎（折）強度達到20－25MPa，抗沖擊強度達到15－20kJ/㎡。少量的玻璃纖維加到水泥基體中即可得到如此好的效果，當(dāng)然是一件令人鼓舞的事情，作為一種材料，特別是用于制造建筑構(gòu)件的材料，人們更加關(guān)心的是它的耐久性問題，都希望建筑材料有一個長久的使用壽命和良好的安全可靠性。對于玻璃纖維增強水泥這種新型的復(fù)合材料來說，玻璃纖維在水泥基體中能否保持其較高的強度和較好的韌性是保證玻璃纖維增強增韌效果的關(guān)鍵所在。在實踐中人們發(fā)現(xiàn)了玻璃纖維在水泥基體中的侵蝕和脆化問題，并且開始查明其侵蝕、脆化的機理，而且通過各種方法對玻璃纖維進行了改善。一方面提高了玻璃纖維的抗堿侵蝕能力，主要從兩個方面進行改進，即或者是改變玻璃纖維的化學(xué)組成，或者是對玻璃纖維的表面進行耐堿處理；另一方面是對基體材料進行改性，或者是在波特蘭水泥中加入火山灰質(zhì)材料，以提高基體的強度和韌性，或者是在基體中加人聚合物，以阻止基體遭受物理和化學(xué)侵蝕，或者是研制適合于玻璃纖維使用環(huán)境的低堿度水泥，以減少水泥水化產(chǎn)物中Ca（OH)<sub>2</sub>的含量。日本、英國等采用的技術(shù)路線是抗堿玻璃纖維與改性波特蘭水泥相復(fù)合。我國建材院采用的是抗堿玻璃纖維與低堿度水泥相匹配的“雙保險”技術(shù)路線。較好地解決了玻璃纖維增強水泥的長期耐久性問題。經(jīng)過加速老化試驗推測，GRC的安全使用壽命至少為50年。玻璃纖維增強水泥耐久性的解決為此種材料的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
由使用抗堿玻璃纖維制造GRC制品并開始進人工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)為起點，國際GRC制品行業(yè)迄今為止已經(jīng)經(jīng)歷30個春秋。目前全世界有數(shù)十個國家和地區(qū)以不同規(guī)模生產(chǎn)和使用GRC制品，全球GRC制品的年產(chǎn)量估計為45萬噸左右，其中產(chǎn)量 高者當(dāng)推日本，年產(chǎn)量約為12萬噸，美國GRC制品的年銷售額已達1億美元以上，全歐洲GRC制品的年產(chǎn)量估計不少于10萬噸，其中德國約占半數(shù)。在亞洲，我國GRC行業(yè)的規(guī)模已在日益擴大，年產(chǎn)量已達到4－5萬噸，新加坡、馬來西亞等國以及我國臺灣、香港兩地區(qū)也已生產(chǎn)GRC制品多年。
2.玻璃纖維增強水泥制品的特性
水泥的主要性質(zhì)為其成本，適應(yīng)性及壓縮強度高。主要缺點為低的抗拉強度及脆性。因此如上所述，加入玻璃纖維可以改善水泥基材料的上述缺點。以玻璃纖維增強水泥的優(yōu)點在于其制品遠比鋼筋增強水泥?。ǖ湫偷?/font>10cm以上），并具有較輕的組件能力。而鋼筋混凝土必須有25mm或以上的保護層。玻璃纖維增強水泥在許多方面與普通鋼筋混凝土相似，如耐候性、不燃燒、易維修、低熱流動及耐腐蝕等。并且有若干勝過混凝土的優(yōu)點，如具有高強度重量比，因此能用較薄截面；具有早期高抗沖擊性能；易于成型至各種形狀；易于與其他材料形成隔熱半結(jié)構(gòu)高強度組件；能用簡單工具造型及切割；有廣幅光滑表面可供使用。主要缺點是尚未允許用于承重結(jié)構(gòu)。它能用于半結(jié)構(gòu)性場合，如各種隔墻（帷幕墻），可與金屬墻材及塑料墻材競爭。
2.1物理性能
密度 GRC材料的密度不受齡期的影響。一塊1㎡、6cm厚的扁平板重約12kg，GRC的重量輕于正常預(yù)制的混凝土板的20％。
收縮性及水分移動 與所有水泥基材料相同，GRC的體積變化分兩種方式：初步硬化時的不可逆收縮，為 C／W的函數(shù)，而長期水分轉(zhuǎn)移，是由溫度正常變化所引起的。玻璃纖維增強對GRC的收縮量無影響，但基質(zhì)中加人硅砂，作為硬度的補充物，以減少該兩種收縮。砂／水泥越大，收縮量越小，而加人25％的砂于基質(zhì)內(nèi)，理論的極限收縮量可能為1.5cm/m。實用的GRC帷幕板在英國的天氣狀況下，水分移動只有此極限值的一半，但此值略大于普通混凝土的水分移動的2倍。若平板有保護膜，由于它限制GRC表層內(nèi)水分的移動，收縮較小。
滲透性及凝結(jié)GRC可以阻止水的滲透，但有較低的蒸汽滲透性。因此，在正常使用狀況下，不需要蒸汽隔斷物。不過，在某些特殊情況下，諸如冷藏板，應(yīng)該考慮可能層間凝結(jié)及在建筑中適當(dāng)?shù)胤郊友b一種蒸汽阻絕物。
濕度及熱流動 與其他水泥基材料相同，GRC的熱膨脹甚低，在溫差為70℃時每m小于lmm。在英國，冷熱狀況變化很大，熱膨脹及收縮可以相互抵消，因而可以減少整個尺寸的改變。在中東地區(qū)，炎熱而干躁氣候?qū)?/font>GRC長期性能，與溫帶氣候比較，影響很小，該材料可抵抗長時間零下溫度及凍融狀況的復(fù)雜循環(huán)。
耐化學(xué)性 GRC對化學(xué)腐蝕的抵抗力與混凝土相同，但比大多數(shù)混凝土或砂漿的孔隙率低，所以，GRC的抗化學(xué)腐蝕性能稍好。但對酸類及硫酸鹽類抗腐蝕較差，要用特種水泥代替普通硅酸鹽水泥作為GRC的基質(zhì)材料。
防火性GRC完全不燃燒，在建筑物內(nèi)部分散火勢。有優(yōu)良的不燃性和阻止火焰?zhèn)鞑サ男阅?，著火性的分類為一不易著火?/font>
2.2耐久性
與許多材料，尤其是含補強物質(zhì)的材料不同，GRC的機械性能隨某些控制因數(shù)的改變而變，如：（1）玻璃纖維的長度，含量及定向；（2）基體材料/水泥/水及空氣的比率；（3）產(chǎn)品的工藝方法一噴布法或預(yù)混法；（4）硬化時間及硬化狀況；（5）齡期；（6）使用條件。上述六項的組合可以確定某一材料性能基準(zhǔn)的范圍。但是混合、制造方法及硬化是構(gòu)件設(shè)計及規(guī)格的函數(shù)，齡期也對GRC的性能有根本的影響。1968－1969年耐堿玻璃纖維增強水泥制品發(fā)展時，大量的試驗用來驗證GRC的長期性能。由5年實驗計劃得出的主要結(jié)論為材料的抗拉性能降低及有些脆化，尤其是暴露于永久潮濕或溫帶天氣之處的GRC 嚴(yán)重。在高溫高濕的地方，如熱帶地區(qū)，脆化非常顯著。
2.3機械性能
了解GRC在荷載下如何變形，應(yīng)力／應(yīng)變之間的關(guān)系是很重要的，因為在水泥基材料中的耐堿玻璃纖維與一般玻璃纖維在強化塑料復(fù)合材料中的作用機理不同。對于塑料材料，因玻璃纖維比塑料基質(zhì)的硬度高很多，所以，當(dāng)一荷載作用于該復(fù)合材料時，玻璃纖維補強物承受大部分荷載。對于GRC，玻璃纖維只是在邊際比水泥基質(zhì)較硬，而當(dāng)一荷載作用于GRC復(fù)合物時會產(chǎn)生三種不同現(xiàn)象：（1）水泥基質(zhì)與玻璃纖維一起作用，雖然部分荷載有水泥承受；（2）水泥基質(zhì)表現(xiàn)為微小開裂，突然轉(zhuǎn)移負荷致玻璃纖維上，而基質(zhì)要結(jié)合纖維，以獲得荷載連續(xù)性；（3）荷載完全由玻璃纖維承受，出現(xiàn)顯微式開裂直至失效。纖維伸長而不脫離水泥基質(zhì)，這一特點賦予GRC相當(dāng)大的延性。因玻璃纖維補強物在GRC內(nèi)的性質(zhì)與傳統(tǒng)鋼筋混凝土相似，在荷載轉(zhuǎn)移至纖維時，類似于鋼筋混凝土中的荷載轉(zhuǎn)移至鋼筋，水泥基質(zhì)產(chǎn)生同樣的顯微式開裂。
3.高耐久性的玻璃纖維增強水泥復(fù)合材料
自20世紀(jì)70年代初期起，不少國家競相開發(fā)玻璃纖維增強水泥（GRC）制品，西方國家開發(fā)GRC主要立足于用含鉛的抗堿玻璃纖維（ARGF）作為增強材料，用波特蘭水泥作為基體，但試驗與使用結(jié)果均表明AGRF-OPC制成的GRC主要存在如下兩大問題：
（1）暴露于大氣中或處于潮濕環(huán)境中，其極限抗拉強度。極限抗彎強度、抗沖擊強度與韌性均隨時間而較大幅度地下降，尤以韌性下降為甚。
（2）安裝于金屬骨架上的GRC外墻面板發(fā)生翹曲變形、開裂以及粘于其上的陶瓷片脫落等現(xiàn)象。
西方國家為解決GRC的長期耐久性問題，探索采取若干技術(shù)措施，諸如抗堿玻璃纖維表面覆以保護層，調(diào)整抗堿玻璃纖維的活性成分，水泥中摻加火山灰活性材料。摻加丙烯酸酯類聚合物乳液等，但收效不大。為此，在20世紀(jì)80年代西方國家的GRC工業(yè)一度低落。我國在20世紀(jì)70年代中期起研制與開發(fā)新一代的GRC，采取ARGF與低堿度硫鋁酸鹽水泥相復(fù)合的‘雙保險’技術(shù)路線。50℃蒸汽中的加速老化試驗。20℃水中長期浸泡試驗、80℃熱水中的加速老化試驗與北京地區(qū)大氣暴露試驗均表明，低堿度硫鋁酸鹽水泥與抗堿玻璃纖維復(fù)合（LASC＋ARGF）制成的GRC在上述各種試驗條件下的抗折荷載或極限抗彎強度保留率均顯著高于OPC＋ARGF的GRC、低堿度硫鋁酸鹽水泥與中堿玻璃纖維（LASC＋AGF)的GRC、波特蘭水泥與中堿玻璃纖維（OPC＋AGF）的GRC。LASC4－ARGF制成的GRC在50℃蒸汽中經(jīng)180h的加速老化，其抗彎韌性與在大氣中放置28天的同一組合的GRC的抗彎韌性相比較并無明顯的下降。LASC＋ARGF制成的GRC的干縮率低于OPC＋ARGF制成的制品。因此，可以認為 LASC＋ARGF制成的GRC有較高的耐久性。目前，這種組合的GRC不僅用以制作波瓦、浴缸、沼氣池等，還用以制作某些次要的承重構(gòu)件或制品，如糧倉、壓力水管。網(wǎng)架屋面板與暖棚支架等。20世紀(jì)80年代中期日本的中央玻璃公司、秩父水泥公司、日本電氣公司等共同研制開發(fā)高鋁含量的ARGF與低堿度水泥制成的新一代GRC，與OPC＋ARGF制成的GRC相比，其耐久性有明顯的提高。
對ARGF在OPC基體中的受侵蝕機理有以下的共同見解：（1）OPC基體的高堿度水溶液對ARGF有化學(xué)侵蝕：（2）Ca（OH）<sub>2</sub>晶體在ARGF原絲縫隙中的沉積、生長使原絲失去柔性而變脆。其次，認為水泥基體的水化生成物乃是GRC耐久性的關(guān)鍵所在。為此，應(yīng)使用低堿度水泥或?qū)杷猁}系統(tǒng)的水泥進行改性以大幅度降低其堿度。甚至用某些鹽（CaCL<sub>2</sub>、AgCl<sub>2</sub>、CdCl<sub>2</sub>等）的水溶液處理玻璃纖維表面也能起到防護作用。有人曾建議向型砂中加人2％－10％氯化鈣使玻璃筋材在硬化水泥中避免堿腐蝕，氯化鈣在水介質(zhì)中會與波特蘭水泥作用，同時反應(yīng)物—氫氯鋁酸鈣以及水合硅酸鈣會沉積在纖維表面，從而防止腐蝕（日本專利 1321711）。
現(xiàn)在處理玻璃纖維表面的方法不僅能夠穩(wěn)定玻璃纖維強度，而且能夠使玻璃纖維強度在一定程度上增強。方法之一是低溫離子交換，依靠KNO<sub>3</sub>鹽熔體中K<sup>+</sup>離子替代玻璃中Na<sup>+</sup>離子來形成壓縮表面層，玻璃纖維KNO<sub>3</sub>熔體中 佳處理制度位于短時（＜5min）作用區(qū)，這取決于玻璃纖維成分，以及玻璃由塑性狀態(tài)至硬質(zhì)脆性狀態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度。在這樣的處理條件下對水泥穩(wěn)定的玻璃纖維強度能夠提高40％，還可以采用以環(huán)氧峽哺和環(huán)氧味哺中基丙烯衍生物為基礎(chǔ)的新型混。物來避免玻璃纖維表面受到堿腐蝕。
一系列物理一化學(xué)研究說明，環(huán)氧峽哺能夠改性新生水合物邊界層，并大大減少氫氧化鈣量，增加低堿水合硅酸鹽含量。這樣能夠促進弱化堿性離子向玻璃筋材表面擴散過程。環(huán)氧味哺甲基丙烯聚合物呈酸性，具有持久的彈性。在纖維表面能夠積聚吸附水合硅酸鹽，可將堿性環(huán)境轉(zhuǎn)化為酸性的，并形成不可溶的疏松結(jié)構(gòu)化合物。在堿性環(huán)境下保護層聚合過程的速度取決于其組分，以及與水泥基體、玻璃、表面活性基團的化學(xué)作用。當(dāng)采用這類聚合物時玻璃構(gòu)架的堿性氧化物向水泥介質(zhì)中遷移會減少2－3個數(shù)量級，因此為了提高強度性能，延長耐久性，保護層的厚度應(yīng)該為100－150με。聚合物保護層的存在形成了薄膜擴散壁壘，允許CaZ”以不低于 10叫、mZ火速度通過，確保玻璃筋材的化學(xué)穩(wěn)定性。聚合物界面層充滿氣孔，加固了玻璃筋材與基體的粘合。
對于玻璃纖維來說，在降低水泥堿性條件下能夠減少水泥基體的侵蝕性。將粉煤灰添加
到水泥中，可以促進降低硬化水泥液相中“”與 OH一離子濃度。實踐指出，在硬化礬土水泥中玻璃纖維相對穩(wěn)定。水合礬土水泥的凝固硬化過程看來相似于波特蘭水泥，實際上不同于波特蘭水泥的水解產(chǎn)物，如果波特蘭水泥水合成分由氫氧化鈣與水合鋁酸鈣構(gòu)成，那末礬土水泥水合作用時形成氫氧化鋁與水合鋁酸鈣，它們將會結(jié)晶并能減輕重結(jié)晶過程。當(dāng)?shù)\土水泥硬化時液相pH值比波特蘭水泥的小二一2個單位，對于礦渣波特蘭水泥固化時也具有低C刨OH人含量特性，原因與礦渣相關(guān)。該特性有利于腐蝕穩(wěn)定性，說明以玻璃纖維與礦渣波特蘭水泥為基礎(chǔ)有可能獲相對穩(wěn)定的制品。
