玻璃纤维增强氯氧镁水泥力学性能研究

周俊钧 刘颖卓 潘超 张鑫

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

玻璃纤维增强氯氧镁水泥（Glass fiber Reinforced Magnesium oxychloride Cement,GRMC)是氯氧镁水泥与耐碱玻纤增强材料复合制成的特殊玻璃纤维增强水泥材料。GRMC具有卓越的耐火性、良好的工艺性，相比于普通硅酸盐水泥混凝土，GRMC在MOC中加入玻璃纤维后不仅具有较好的抗冻性，还因为玻璃纤维具有优良的物理化学稳定性和低温的稳定性，GRMC具有高的抗拉强度和抗变形能力，能较好地抑制冻融裂纹的扩展[1]，采用合适的表面处理剂对玻璃纤维表面进行处理，可改善纤维与氯氧镁水泥基体间的界面粘接状况，避免界面间毛细管通道的形成，并提高制品的力学性能。我国早在上世纪就开展了玻璃纤维增强氯氧镁水泥的研究，从轻型屋面材料的单一品种发展出了复合地板、风道等众多品种。早期研究主要集中在玻璃纤维增强氯氧镁水泥的耐水性和耐久性方面，针对氯氧镁水泥制品出现的返霜、翘曲、变形、潮解等现象，而对GRMC材料性能的研究相对滞后。本文研究玻璃纤维增强网格布层数、不同填料、不同有机改性剂涂覆网格布对玻璃纤维增强氯氧镁水泥力学性能（拉伸强度、压缩强度、弯曲强度）的影响，为材料设计提供依据。通过对玻璃纤维增强氯氧镁水泥的改性研究，可以指导产品改进，对提高产品质量具有积极作用。

1 试验部分

1.1 原材料及仪器

轻烧氧化镁粉（活性氧化镁含量63%）、氯化镁、耐碱玻璃纤维网格布（ARNP10×10-120LH)；滑石粉（细度600目）、丙烯酸乳液、脲醛树脂、苯丙乳液、轻质碳酸钙（平均粒径为1-3μm)、河沙、自来水；电子万能材料试验机；激光切割机。

1.2 试件制备及测试方法

拉伸、弯曲和压缩试验的样品制备和试验方法依据GB/T 15231-2008。试件的胶凝材料氯氧镁水泥每24.5kg配料一次。滑石粉或砂或轻质碳酸钙（填料）∶卤水（波美度26）∶MgO=7：7：10.5。不同网格布掺量试验样品分别加入一层、二层、三层、四层玻璃纤维网格布，其他试验样品加入三层玻璃纤维网格布。用不同有机改性剂（丙烯酸乳液、脲醛树脂、苯丙乳液）涂覆网格布。

2 结果与讨论

2.1 不同加载速率力学性能的影响

选用0.2mm/min、0.5mm/min、2mm/min、3mm/min、6mm/min五种速率的测试力学性能，测试结果如表1、表2和表3所示。

表1 不同试验速率的拉伸试验结果

研究发现，每一组试验速率中平行试验结果的标准差较小，不同速率的试验结果的标准差比较稳定，且与平行测试结果的标准差相差不大。故试验速率对拉伸、压缩、弯曲测试结果影响不大，该加载速率范围均可作为试验条件的选用范围。

表2 不同试验速率的压缩试验结果

表3 不同试验速率的弯曲试验结果

2.2 不同试样尺寸对力学性能的影响

为了研究不同的试样尺寸对拉伸性能测试结果的影响，对四种样品进行力学性能测试，测试结果如表4所示。

表4 不同的试样尺寸的拉伸试验结果

研究发现，每一组试样尺寸中平行试验结果的标准差较小，不同尺寸的试验结果的标准差比较稳定，且与平行测试结果的标准差相差不大。故在上述试样范围内试样尺寸对拉伸测试结果影响不大。

同样为了研究不同的试样尺寸对压缩性能测试结果的影响，试验制作五种样品，按照GB/T 15231-2008的试验步骤进行测试，测试结果如表5所示。

表5 不同的试样尺寸的压缩试验结果

研究发现，每一组试样尺寸中平行试验结果的标准差较小，不同尺寸的试验结果的标准差比较稳定，且与平行测试结果的标准差相差不大。故在上述试样范围内试样尺寸对压缩测试结果影响不大。

为了研究不同的试样尺寸对弯曲性能测试结果的影响，对制作的四种样品进行测试，测试结果如表6所示。

表6 不同的试样尺寸的弯曲试验结果

研究发现，每一组试样尺寸中平行试验结果的标准差较小，不同尺寸的试验结果的标准差比较稳定，且与平行测试结果的标准差相差不大。故在上述试样范围内试样尺寸对弯曲测试结果影响不大。

2.3 不同网格布层数对力学性能的影响

制作了分别铺设网格布层数1（层）/10mm、2（层）/10mm、3（层）/10mm、4（层）/10mm的试样，并对其进行力学性能测试，测试结果如表7-表9所示。

表7 不同网格布层数试样拉伸力学性能试验结果

表8 不同网格布层数试样压缩力学性能试验结果

表9 不同网格布层数试样弯曲力学性能试验结果

从数据可见，平行试验的数值标准差较小，证实了实验的数据可靠性，同时不同网格布层数的力学性能数据的标准差较大，说明网格布层数会对GRMC的力学性能产生较大的影响。

随着网格布层数的增加，拉伸强度增大，压缩强度变化较小，四点弯曲强度增大。网格布是玻璃纤维二维方向分布的织物，能够有效阻止基体裂纹在网格布分布面的扩展[2]。根据复合强度理论，弹性模量较大的玻璃纤维网格布的掺入，使GRMC试件的弹性模量增大，相同应变的情况下，必然导致拉伸强度的增大。但是压缩试验是加载方向垂直于网格布分布面，网格布难以起到阻止裂纹扩展的作用[3-4]。弯曲过程实际上是中间层上部受压、下部受拉的受力状态，故弯曲强度与网格布层数呈正相关[5]。在实际生产和工程应用中，要结合实际情况来选择不同层数的网格布来增强氯氧镁水泥制品。

2.4 不同填料对力学性能的影响

在3层网格布的条件下，采用滑石粉、砂和轻质碳酸钙不同种类填料掺入GRMC中（掺量均为28.6%），进行力学性能测试，测试结果如表10-表12所示。

表10 不同填料种类的拉伸试验结果

表11 不同填料种类的压缩试验结果

表12 不同填料种类的弯曲试验结果

对不同填料的GRMC的拉伸强度进行比较，滑石粉的拉伸强度最小（2.8MPa)，砂的拉伸强度次之（3.1MPa)，轻质碳酸钙的拉伸强度最高（3.7MPa)。对不同填料的GRMC的压缩强度进行比较，轻质碳酸钙的压缩强度最小（13.2MPa)，滑石粉的压缩强度次之（15.7MPa)，砂的压缩强度强度最高（19.3MPa)。对不同填料的GRMC的弯曲强度进行比较，滑石粉的弯曲强度最大（13.8MPa)，轻质碳酸钙的弯曲强度次之（9.5MPa)，砂的弯曲强度最低（7.7MPa)。这可能与填料的粒径和自身强度有关，不同的填料使基体的密实程度不同[6]。另外，这可能还与填料的微观形态有关，滑石粉为片状，轻质碳酸钙为粒状。从试验结果发现，在不同填料对GRMC力学性能的影响规律方面，填料对拉伸与压缩的影响是不同的，这提醒在材料设计中应该考虑对受拉部位和受压部位进行不同填料配比。

2.5 不同有机改性剂涂覆网格布对力学性能的影响

将不同有机改性剂涂覆玻璃纤维网格布，对制成的GRMC试样进行了力学性能测试，结果如表13-表15所示。

表13 不同有机改性剂涂覆网格布处理的拉伸试验结果

表14 不同填料种类的压缩试验结果

表15 不同填料种类的弯曲试验结果

对不同有机改性剂涂覆网格布的GRMC的拉伸强度进行比较，脲醛树脂和苯丙乳液涂覆网格布的GRMC拉伸强度最大（4.0MPa)，丙烯酸乳液涂覆网格布的拉伸强度较低（2.9MPa)。对不同有机改性剂涂覆网格布的GRMC压缩强度进行比较，脲醛树脂涂覆网格布的GRMC的压缩强度最大（16.5MPa)，苯丙乳液涂覆网格布的GRMC的压缩强度次之（16.4MPa)，丙烯酸乳液涂覆网格布的GRMC压缩强度强度最低（12.3MPa)。对不同有机改性剂涂覆网格布的GRMC弯曲强度进行比较，丙烯酸乳液涂覆网格布的GRMC弯曲强度最大（13.6MPa)，苯丙乳液涂覆网格布的GRMC弯曲强度次之（13.4MPa)，脲醛树脂涂覆网格布的GRMC弯曲强度最低（10.6MPa)。不同有机改性剂涂覆网格布的GRMC,苯丙乳液和脲醛树脂处理的玻璃纤维网格布的GRMC力学性能呈现出较为优越的力学性能。苯丙乳液和脲醛树脂都有耐弱碱的性能，涂覆玻璃纤维网格布除了能够阻止水泥基体对玻璃纤维网格布的腐蚀外，还能够使水泥基体与玻璃纤维黏结更好，在外力作用下可以使应力由基材传递给纤维[7-9]。

3 结语

1）对GRMC材料进行拉伸、压缩、弯曲性能测试研究表明：当加载速率为0.2-6mm/min,拉伸试样宽度尺寸为10-40mm、压缩试样承压面的边长尺寸为20-60mm、弯曲试样的宽度尺寸为20-50mm时，加载速率、试件尺寸对测试结果影响较小，本研究建议GRMC材料的拉伸、压缩、弯曲试验可采用上述加载速率和试样尺寸范围。

2）研究了配合比因素对GRMC的主要力学性能的影响，结果表明：随着网格布层数的增加，拉伸强度增大，压缩强度几乎不受影响，四点弯曲强度增大。滑石粉、砂、轻质碳酸钙为填料的GRMC的拉伸强度：轻质碳酸钙（3.7MPa)＞砂（3.1MPa)＞滑石粉（2.8MPa)，压缩强度：砂（19.3MPa)＞滑石粉（15.7MPa)＞轻质碳酸钙（13.2MPa)，弯曲强度：滑石粉（13.8MPa)＞轻质碳酸钙（9.5MPa)＞砂（7.7MPa)。对脲醛树脂、苯丙乳液、丙烯酸乳液涂覆网格布的GRMC拉伸、压缩、弯曲强度进行研究，拉伸强度：脲醛树脂（4.0MPa)＞苯丙乳液（4.0MPa)＞丙烯酸乳液（2.9MPa)；压缩强度：脲醛树脂（16.5MPa)＞苯丙乳液（16.4MPa)＞丙烯酸乳液（12.3MPa)，弯曲强度：丙烯酸乳液（13.6MPa)，苯丙乳液和脲醛树脂处理的玻璃纤维网格布的GRMC力学性能呈现出了较为优越的力学性能。