（材料学专业论文）玻璃纤维增强石膏复合材料的性能研究.pdf

s t u d yo np r o p e r t i e so fg l a s sf i b e r r e i n f o r c e dg y p s u m c o m p o s i t e m a t e r i a l b y z h a nl i n l i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l ig u o z h o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 0 8舢8 咖7洲，47，iii1y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：基燮盐日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：屋燮盐导师签名： v v i i 1 。4 1 3 玻璃纤维增强石膏复合材料的研究现状5 1 3 1 玻璃纤维对复合材料抗折性能的提高7 1 3 2 玻璃纤维的阻裂性能7 1 4 主要研究内容及创新处。7 1 4 1 研究内容与方案8 1 4 2 本文创新处9 第二章原材料及试验方法 2 1 原材料1l 2 1 1 石膏1 1 2 1 2 玻璃纤维j 1 1 2 1 3 化学外加剂j 1 1 2 1 4 才( 泥1 1 2 1 5 粉煤灰1 2 2 2 试验仪器1 2 2 3 基本性能测试1 2 2 3 1 标准稠度需水量的测定1 2 2 3 2 凝结时间的测定1 2 2 3 3 抗折抗压强度的测定1 3 2 3 4 软化系数的测定一1 4 2 3 5 吸水率的测定1 4 第三章玻璃纤维增强石膏复合材料制备工艺的研究 3 1 玻璃纤维掺加工艺的研究15 3 2 玻璃纤维长度和掺量的研究1 7 3 3 本章小结2 0 i 玻璃纤维增强石膏复合材料的性能研究 第四章玻璃纤维表面处理对石膏复合材料性能的影响 4 1 玻璃纤维表面处理2 3 4 1 1 热处理2 3 4 1 2 酸处理2 3 4 1 3 偶联剂处理2 3 4 2 玻璃纤维增强石膏复合材料试样制备2 4 4 3 结果与讨论2 4 4 3 1 表面处理对石膏复合材料力学性能和微观结构的影响一2 4 4 3 2 掺加玻璃纤维对石膏复合材料耐水性能的影响。2 5 4 3 3 不同改性方法的改性机理探讨2 8 4 4 本章小结3 l 第五章外加剂对石膏复合材料性能的影响 5 1 减水剂对石膏复合材料性能的影响3 3 5 1 1 减水剂对石膏流动度的影响3 3 5 1 2 减水剂对复合材料的增强作用3 4 5 1 3 减水剂的作用机理3 5 5 2 缓凝剂对石膏复合材料性能的影响3 6 5 2 1 缓凝剂对石膏基体凝结时间的影响3 7 5 2 2 缓凝剂对石膏复合材料强度的影响3 8 5 2 3 缓凝剂的作用机理探讨4 0 5 3 无机外加剂对石膏复合材料性能的影响4 3 5 3 1 水泥粉煤灰配比的确定4 3 5 3 2 水泥、粉煤灰的作用机理4 4 5 4 本章小结4 5 第六章玻璃纤维石膏复合材料增强机理的研究 6 1 玻璃纤维增强机理一4 7 6 2 外加剂的增强作用4 8 6 3 本章小结4 9 第七章结论 7 1 结论5 l 7 2 今后工作建议5 2 参考文献5 5 济南人学硕士学位论文 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 1 1 i i 限制了其使用范围。为了改善石膏的性能，人们用增强和填充的方法，研究成功了石 膏复合材料，扩大了其使用范围。 因为纤维具有的较大的拉伸强度和断裂韧性，在纤维增强石膏基复合材料受力 时，石膏复合材料中的纤维可吸收较大的能量，抑制石膏基体的微裂纹扩展，使其强 度提高。玻璃纤维的化学稳定性好，且价格低廉来源广泛。不同成分的玻璃纤维对水、 酸和弱碱的化学稳定性较好；机械强度高，弹性模量大，电绝缘性好；吸湿性小，具 有较好的保温隔热性，吸声性能优良。因此玻璃纤维增强石膏复合材料具有更好的推 广应用前景。 本文研究内容包括：采用不同的掺加工艺，研究其对玻璃纤维在石膏基复合材料 的分散性的影响，研究了相应的复合材料性能；采取不同的改性方法对玻璃纤维进行 表面处理，研究相应的复合材料性能，并探讨了界面结合机理；在得到较好的掺加工 艺和改性方法的基础上，研究了玻璃纤维的掺量对石膏基复合材料的物理力学性能的 影响；研究了各种外加剂对石膏复合材料性能的影响；研究玻璃纤维石膏复合材料的 微观结构，探讨了增强机理。 实验研究表明，先将玻璃纤维和石膏干拌再加水湿拌的掺加工艺效果理想，玻璃 纤维的工艺参数最佳值为：纤维长度为1 5 r a m ，掺加量为1 5 时，可使石膏复合材 料的抗折强度提高3 6 8 ，抗压强度降低了8 5 3 。 界面牢固结合时表征复合材料性能的一个重要方面，因此需要对玻璃纤维进行表 面处理，优化增强体与基体的界面粘结度。玻璃纤维经过热处理、酸处理以及硅烷偶 联剂处理后，改善了玻璃纤维表面的粗糙度，提高了玻璃纤维与石膏基体的界面粘结 强度，这对于复合材料性能的提高非常有利。经过表面处理的纤维复合材料的力学性 能和耐水性能都有提高。 现实中石膏的拌和需水量远远高于理论值，过多水分的加入直接影响复合材料的 力学性能，我们加入了减水剂来解决这一问题。萘系减水剂和多羧酸系减水剂减水效 果比较明显，并使复合材料的力学性能大幅度提高。但是二者的减水作用机理并不相 v 玻璃纤维增强石膏复合材料的性能研究 同。 石膏遇水快速凝结硬化，而缓凝剂的加入可以满足石膏对不同施工方面的要求。 分别研究柠檬酸和骨胶对复合材料的缓凝效果，二者都不同程度的引起复合材料强度 的降低。二者的作用机理也存在不同之处。 探讨玻璃纤维的增强机理，玻璃纤维的加入可以有效地阻止或阻碍裂纹的发展， 缓解裂纹尖端的应力集中现象，减少裂缝源的数量，提高复合材料的性能；改性后的 玻璃纤维与石膏基体具有良好的界面结合，对材料的力学性能非常有利；当玻璃纤维 掺加量过大或长度过长时，会产生结团现象，在石膏基体内部产生缺陷，使玻璃纤维 不能充分发挥其增强作用。 在石膏复合材料中掺入玻璃纤维，可以改善复合材料的抗折、抗压、等力学性能。 纤维的表面处理和掺加工艺以及外加剂的掺加，都会显著影响复合材料的性能。 关键词：玻璃纤维；石膏；复合材料；改性；外加剂 济南人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg y p s u mi so n et r a d i t i o n a la i rh a r d e n i n gi n o r g a n i cg e l l e dm a t e r i a l ，i nm a n yd o m a i n s s u c hf i t sd e c o r a t i o n ，w a l la sw e l la sh e a tp r e s e r v a t i o n ，f i r ep r o t e c t i o n , s o u n da b s o r p t i o na n d s oo no b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n b u ti t st e n s i l es t r e n g t ha n dt h ea n t i i m p a c t p r o p e r t i e sa r el o w , b r i t t l ea n dp o o rw a t e rr e s i s t a n c eh a v el i m i t e di t su s i n gs c o p e i no r d e rt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fg y p s u m ，p e o p l es u c c e s s f u l l ys t u d i e dt h eg y p s u mc o m p o u n d m a t e r i a l sw i t ht h ee n h a n c e m e n ta n dt h ep a c k i n gm e t h o d ，e x p a n d e di t sa p p l i c a t i o n s b e c a u s et h ef i b e rh a sg r e a t e rt e n s i l es t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s s ，w h e nt h e c o m p o u n dm a t e r i a l ss u f c rs t r e s s ，f i b e rm a ya b s o r be n e r g yi nt h eg y p s u mc o m p o u n d m a t e r i a l s ，i n h i b i t e st h em i c r of r a c t u r eo fg y p s u ms u b s t r a t ep r o p a g a t i o n ，e n h a n c e si t s i n t e n s i t y g l a s sf i b e r sc h e m i c a ls t a b i l i t yi sg o o d ，t h ep r i c ei sl o wa n dt h es o u r c ei s w i d e s p r e a d t h ec h e m i c a ls t a b i l i t yo f # a s sf i b e rw i md i f f e r e n ti n g r e d i e n ti sg o o di nw a t e r , t h ea c i da n dt h ew e a kb a s e ；t h em e c h a n i c a ls t r e n g t hi sh i g h ，t h ee l a s t i cm o d u l u si sb i g ，t h e e l e c t r i ci n s u l a t i o ni sg o o d ；t h ew a t e ra b s o r b a b i l i t yi ss m a l l ，h a sg o o dh e a tp r e s e r v a t i o n h e a t - i n s u l a t e dp e r f o r m a n c e ，t h es o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c ei sf i n e t h e r e f o r et h eg l a s s f i b e rr e i n f o r c e dg y p s u mc o m p o u n dm a t e r i a l sh a v et h eb e t t e rp r o m o t e da p p l i c a t i o n p r o s p e c t t h es t u d i e dc o n t e n ti n c l u d i n g ( 1 ) t h ee f f e c to fd i f f e r e n t l ym i x i n gc r a f to nd i s p e r s i v i t y o fg l a s sf i b e ri nt h eg y p s u mb a s e dc o m p o u n d ，s t u d i e st h ec o r r e s p o n d i n gc o m p o u n d m a t e r i a l sp e r f o r m a n c e ；( 2 ) a d o p t st h ed i f f e r e n tm o d i f i e dm e t h o d st oc a r r yo nt h es u r f a c eo f g l a s s 舶既s t u d i e st h ec o r r e s p o n d i n gc o m p o u n dm a t e r i a l sp e r f o r m a n c e , a n dd i s c u s s e st h e c o n t a c ts u r f a c eu n i o nm e c h a n i s m ；( 3 ) b a s e do no b t a i n i n gg o o dm i x i n gc r a f ta n dm o d i f i e d m e t h o d ，r e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo fa d d i n gq u a n t i t yo fg l a s sf i b e rt ot h ep h y s i c a l m e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fc o m p o u n dm a t e r i a l s ；( 4 ) s t u d i e st h ee f f e c to fd i f f e r e n ta d d i t i v e t ot h ep e r f o r m a n c eo fg y p s u mc o m p o u n dm a t e r i a l s ；( 5 ) r e s e a r c ho nm i c r o s c o p i cs t r u c t u r e o fg l a s sf i b e rg y p s u mc o m p o u n dm a t e r i a l s ，d i s c u s s e st h ee n h a n c e m e n tm e c h a n i s m t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yi n d i c a t e dt h a tt h ee f f e c to fd r ya n dw e tp r o c e s si si d e a l ，t h eb e s t v a l u eo fg l a s sf i b e r st e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ri s ：t h ef i b e rl e n g t hi s15 m m , t h eq u a n t i t yi s v i i 玻璃纤维增强石膏复合材料的性能研究 1 5 t h ef l e x u r a ls t r e n g t hi n c r e a s e d3 6 8 ，c o m p r e s s i v es t r e n g t hd e c r e a s e d8 5 3 t h ec o n t a c ts u r f a c er e l i a b l eu n i o na t t r i b u t e sa l li m p o r t a n ta s p e c tt ot h ec o m p o u n d m a t e r i a l sp e r f o r m a n c e , t h e r e f o r en e e d i n gt oc a r r yo nt h es u r f a c et r e a t m e n tt ot h eg l a s sf i b e r , o p t i m i z e dt h ei n t e r f a c eb o n d i n gd e g r e eb e t w e e ne n h a n c e m e n tb o d ya n ds u b s t r a t e g l a s s f i b e r a f t e rh e a tt r e a t m e n t , a c i dt r e a t m e n ta sw e l la s s i l a n ec o u p l i n ga g e n tp r o c e s s i n g ， i m p r o v e dt h eg l a s sf i b e rs u r f a c er o u g h n e s s ，e n h a n c e dt h eg l a s sf i b e ra n dt h eg y p s u m s u b s t r a t ec o n t a c ts u r f a c ec o h e s i o n a ls t r e n g t h , t h i si sv e r yb e n i f i c a lt oe n h a n c et h e 脚o r m a n c eo fc o m p o u n dm a t e r i a l s a f t e rs u r f a c et r e a t m e n to ft h e 舶m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dw a t e rr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t ew e r ei m p r o v e d t h ea c t u a lv a l u eo fg y p s u l l lm i x i n gw a t e rd e m a n di sm u c hh i g h e rt h a nt h et h e o r e t i c a l v a l u e , e x c e s s i v em o i s t u r eb ya d d i n gh a v ead i r e c ti m p a c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o m p o s i t e , w ea d dt h ew a t e r - r e d u c i n ga g e n t t os o l v et h i sp r o b l e m t h er e d u c i n gw a t e re f f e c t o fn a p h t h a l e n es u p e r p l a s t i c i z e ra n dp o l y c a r b o x y l i ca c i ds u p e r p l a s t i c i z e ri sq u i t eo b v i o u s ， a n dc a u s e sl a r g es c a l ee n h a n c e m e n to ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o u n d m a t e r i a l s b u tt h ew a t e r - r e d u c i n gm e c h a n i s mb e t w e e nt h e mi sd i f f e r e n t t h eg y p s u mr a p i dh a r d e n i n gi nw a t e ri sa l s oah e a d a c h eq u e s t i o nf o rp e o p l e , a d d i n g r e t a r d e rc a nm e e tt h ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t s r e s e a r c hr e t a r d a t i o ne f f e c t so f c i t r i ca c i da n db o n eg l u et ot h ec o m p o u n dm a t e r i a l s ，b o t ho ft h e mv a r y i n g d e g r e ec a u s e s c o m p o u n dm a t e r i a l si n t e n s i t yr e d u c t i o n t h ea c t i o nm e c h a n i s mo ft h e ma l s oh a st h e d i f f e r e n c e d i s c u s sg l a s sf i b e r se n h a n c e m e n tm e c h a n i s m ，t h eg l a s sf i b e rc a r le f f e c t i v e l yp r e v e n to r i m p e d et h ed e v e l o p m e n to fc r a c k s ，t oa l l e v i a t e t h ep h e n o m e n o no fc r a c kt i ps t r e s s c o n c e n t r a t i o n ，r e d u c e st h ec r a c ks o u r c eq u a n t i t y , e n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo fc o m p o u n d m a t e r i a l s ；t h em o d i f i e dg l a s sf i b e ra n dt h eg y p s u ms u b s t r a t eh a v et h eg o o dc o n t a c ts u r f a c e u n i o n , i sa d v a n t a g e o u st ot h em a t e r i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；w h e nt h em i x i n gq u a n t i t yo f g l a s sf i b e rm i x i n gi so v e r s i z e do rt h el e n g t hi se x c e s s i v e l yl o n g , w i l lp r o d u c et h ep i n er e s i n g r o u pp h e n o m e n o n ，h a st h ef l a wi nt h eg y p s u ms u b s t r a t ei n t e r i o r , e n a b l e st h eg l a s sf i b e rt o p l a yi t se n h a n c e m e n tr o l ef u l l y m i x e sg l a s sf i b e ri n t h eg y p s u l l lc o m p o u n dm a t e r i a l s ，c a ni m p r o v et h ef l e x u r a l ， c o m p r e s s i o n ，a n do t h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o u n dm a t e r i a l s t h et e x t i l ef i b e r v i i i i x 济南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 纤维增强石膏复合材料的发展 石膏与水泥、石灰统称为三大胶凝材料，石膏用于建筑有许多优良特性，它的硬 化体绝热性能和吸音性能良好，防火性能好，硬化时体积略有膨胀，可使硬化体表面 光滑饱满，干燥时不开裂，装饰性好，可加工性好，环保节能等掣。石膏作为一种 优良的建筑材料在国外已经大量使用，近十多年来，石膏复合材料在国内也得到广泛 应用。我国目前生产的建筑石膏制品主要有纸面石膏板、空心石膏条板、纤维石膏板、 石膏砌块和装饰石膏制品等【2 别，但所有这些都只限于建筑内隔墙，石膏砌块等用于 外墙也正在研究中。 石膏与其他的无机胶凝材料一样，虽具有较高的抗压强度，但其抗折强度较低， 抗冲击性能较低，脆性大等缺点因而限制了石膏的在建筑领域的应用。根据国外的经 验，石膏经过改性，完全可以用于建筑外墙，甚至外墙承重。人们通常采用各种纤维 作为石膏制品的增强材料，以改善其物理力学性能。比如：提高石膏基复合材料的抗 折、抗压、抗冲击强度和韧性。同时使石膏基材料的抗裂和耐水能力有显著提高。用 这种方法制得的新型复合材料被称为纤维增强石膏基复合材料。 狭义的复合材料是指由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合 工艺组合而成的一种材料，它既保持了原组分材料的性能特色，又可以通过材料设计 使各组分的性能相互补充、彼此关联，形成复合效应。获得原组分材料所不具备的性 能。因此纤维增强石膏基复合材料既保留了石膏基体原来的优点，又可以改善它的不 足，提高了其物理力学性能，扩大了石膏的应用范围，具有重要意义。 石膏基复合材料是以各种纤维增强建筑石膏得到的一种复合材料。我国石膏资源 丰富，居世界之首。石膏开采方便能耗低，又有许多化学石膏( 属工业废渣如磷石膏、 氟石膏等) 可以应用，因此石膏资源十分丰富，石膏基复合材料也是大有发展前途的 一类复合材料。石膏基复合材料具有质量轻、保温隔热、吸音性能好、成型工艺简单 等特点。另外石膏基复合材料还具有呼吸功能，可以调节建筑物内的干湿度，提高居 住环境的舒适度。 因为纤维具有的较大的拉伸强度和断裂韧性，在纤维增强石膏基复合材料受力 时，石膏复合材料中的纤维可吸收较大的能量，抑制石膏基体的微裂纹扩展，使其强 玻璃纤维增强石臂复合材料的性能研究 度提高。纤维增强石膏复合材料的优点是：能大幅度改善石膏的脆性，从而提高了复 合材料的抗折强度，使复合材料的承载能力增强；能有效的减少和抑制裂纹的扩展， 提高石膏材料的整体性能；制得的复合材料质轻，可减少自身的承载重量。目前工业 生产中常用于石膏的纤维增强材料有玻璃纤维( g f ) 4 1 、石棉纤维、植物纤绁5 。0 1 、钢 纤维、维尼纶纤维、和有机合成纤绁1 1 , 1 2 】等等。玻璃纤维材料来源广泛、价格低廉， 是目前用于石膏材料增强最为普遍的材料之一。 纤维增强石膏基复合材料是指以石膏为基体材料，以非连续的短纤维或者连续长 纤维作增强材料所组成的复合材料。石膏基复合材料也是近些年来发展较快的一类复 合材料，无论是生产工艺技术、产品成型设备及对石膏基体材料的改性方面，都取得 了很大的成就。目前的石膏基复合材料产品主要有纸面石膏板、雕塑石膏板、石膏基 植物纤维复合板、石膏空心轻质墙板等，在建筑领域发挥了很好的作用。 石膏基植物纤维复合材料是以石膏为基质，植物纤维为增强材料，添加必要的辅 助原料，经冷压而成的一种性能优良的轻质建筑材料，其主要用于建筑内隔墙及室内 装修，与传统的实心粘土砖比较有着较为明显的优点：自重轻、节约能耗、增加使用 面积；便于施工及使用灵活；装饰新颖美观、无污染、良好的隔热、隔声以及可调节 室内湿度等性能f 1 3 , 1 4 。石膏基植物纤维复合材料在国内外都具有非常广阔的市场前 景。但是由于石膏基植物纤维复合材料存在易吸水以及吸水后强度等性能下降的缺 点，所以在湿度比较大的环境中降低了使用性能的发挥，并且限制了向国内外市场的 进一步开拓与市场竞争力的提高。许多研究者就石膏基植物纤维板易吸水的主要原因 进行分析，并总结国内外石膏基植物纤维板防水添加剂的最新研究动态，为今后的研 究和生产提供帮助，并可以进一步用于电厂脱硫石膏、磷石膏以及农作物秸秆等的综 合利用【1 5 】。 麦秸硬石膏板复合墙体是以麦秸墙体保温材料为厚芯板、硬石膏板为表板，经连 接件结合或粘接而成的一种新型墙体材料。它具有重量轻、耐湿、保温、隔热等性能， 可作为建筑内、外墙使用。在麦秸墙体保温材料的制造过程中，热压工艺的控制对该 产品的质量影响很大；麦秸墙体保温材料的导热系数随着其密度的增加而增加。麦秸 墙体保温材料与硬石膏板的复合可以采用连接件结合或粘接的方法。其中，螺栓连接 件结合的麦秸硬石膏板复合墙体性能较好【1 6 , 1 7 。 对于那些缺乏木材的国家来说，他们会利用本地的无机材料与木材相结合。近年 在北美洲等地区更产生了开发木纤维与无机材料之复合材料的兴趣。这类复合材料是 2 把木纤维或木屑与一种无机基体如石膏或硅酸盐水泥按一定比例混合而制成的。它们 结合了木材和无机基体的特性，具有优于某些传统建筑材料的性能，能承受室外应用 的苛酷环境。石膏粘结的木纤维板用来代替石膏板，显示了如下优点具有高耐湿性和 耐火性提高了抗冲击性和防霉性容易钉钉和安装螺丝用作天花板时不易下垂隔音性 能较好安装时不需用接缝带，施工方便【l 引。 维尼纶纤维增强石膏基复合材料石膏基复合材料实现了单一的结晶到晶胶共生 的结构转变，材料的强度和耐水性得到改善；维尼纶纤维能提高复合材料的抗折强度、 断裂能、断裂韧性和冲击韧度。维尼纶纤维的掺入能提高复合材料的抗折强度，当含 量低于0 7 时还能提高其抗压强度，断裂能随纤维质量分数增加呈单调增加。纤维 的引入大大提高了复合材料的抗冲击韧性，也使石膏基复合胶凝材料实现了从无征兆 的瞬时破坏到延时性破坏的转变。 石宗利等【1 9 】采用材料复合技术研究了石膏基复合材料的高强、耐水机理。采用短 切维尼纶纤维作为增强材料，研究了维尼纶纤维增强石膏基复合材料的力学性能、增 强增韧机理以及复合材料的界面性能。 一般说来，硅酸铝纤维性脆易断、抗拉强度较低，很少用于复合材料，但硅酸铝 纤维易分散，加工性能较好；从表面状况来看，硅酸铝纤维表面粗糙，毛刺发育，与 石膏等无机胶凝材料有较好的相容性。以硅酸铝纤维作为增强纤维，可提高石膏基复 合材料的抗折强度，且随着纤维含量的逐渐增加，石膏复合材料的抗压、抗折强度增 加值较小，达到最大值时下降的幅度也不是很大；因此，在某些场合下可用硅酸铝纤 维代替其他纤维，以简化生产过程，降低生产成本【2 0 】。 以聚乙烯纤维作为增强材料研制出一种新型墙体复合材料，该复合材料具有良好 的保温、隔热、阻燃性能和力学性能，且生产、施工简单，是一种具有良好发展前 景的建筑墙体复合材料【2 l 】。 卞敬玲等【冽在日本大学工学部著名教授大滨嘉彦的指导下，通过添加纤维的方 法，达到了补强增韧改善石膏硬化体脆性的目的。建筑材料中，常用的是碳纤维( c f ) 和维尼龙纤维( v f ) ，纤维补强增韧的效果与纤维自身的拉伸强度、弹性模量、延伸率 和掺量有着直接的关系。作者重点对掺入维尼龙v f 3 、v f 4 、v f 6 和高性能维尼龙 h v f l 2 纤维后，石膏硬化体的强度、韧性、软化系数等进行了研究。 纤维补强增韧耐水性复合石膏硬化体拌合物的流动值，随着纤维混入率的增加而 减小，并具有良好的成形性。纤维补强增韧耐水性复合石膏硬化体的弯曲强度、耐水 3 玻璃纤维增强石膏复含材料的性能研究 性以及弯曲韧性等均随着纤维掺量的增加而提高。4 种纤维中，h v f l 2 纤维掺入后对 复合石膏硬化体性能改善的效果最佳，当纤维的掺量为2 、3 时，其强度和韧性均 较为理想。纤维承担了部分拉伸应力，抑制了裂缝的产生，使得弯曲变形能力提高。 纤维补强增韧耐水性复合石膏硬化体除了具有抗拉、抗压、抗剪、抗弯、粘结强 度高的优点外，还具有较好的抗裂、阻裂性能，较好的耐磨和耐腐蚀性能，抗弯和较 好的抗冻融性能，较好的抗疲劳性和抗碎裂性。再增加纤维掺量，韧性会更好，但经 济与施工方面的问题不可忽视【2 3 1 。 我们都知道陶瓷的生产离不开石膏模具，如果用普通的石膏来做模具的话，这种 模具强度低，使用寿命短的缺陷玩玩满足不了陶瓷泥浆浇注成型的要求，这也是高强 石膏取代普通石膏做模具的必然性所在。在这种背景条件下，日本研成功了用碳纤维 来增强的石膏模具，这种模具是以高强石膏为基材的，高强石膏模具常常是里面加入 了水泥，树脂等添加剂，并以各种纤维( 天然纤维、玻璃纤维等) 作为增强材料，这 种模具的强度得到大大提高。这种高强石膏模具也具有自身的局限性，对于掺加水泥 和天然纤维的模具来说，其自身的吸水性差，会导致坯体不易脱模且脱模强度低，制 得的成品效果差。还有一个问题，如果模具中的增强纤维裸露在外，且是硬质的话， 会很容易划破坯体表面，使光滑度下降。因此，纤维用于高强石膏模具，我们应该注 重考虑吸水性和柔软性的问题。 还有的用各种纤维制成石膏复合材料在建筑石膏制品中掺入各种无机纤维，可大 大加强制品的抗压、抗弯强度、耐水、耐火和其他性能。国外很重视低级石棉纸浆纤 维、合成纤维以及纤维生产石膏制品。日本已生产出抗压强度高达1 0 0m p a 的石膏 纤维制品。德国生产纤维石膏制品的方法有干、湿法，另外，喷制法工艺生产的纤维 石膏制品在德国发展很快1 2 4 】。 1 2 玻璃纤维的i 生质及应用 玻璃纤维具有直径小、耐腐蚀等优点，而且玻璃纤维的弹性模量比石膏的弹性模 量高4 倍，直径8 - 1 0 p m 的玻璃纤维强度高达1 8 0 0 - 2 5 0 0m p a 。在各种增强纤维中， 玻璃纤维是一种较理想的石膏制品的增强材料【2 5 1 。 玻璃纤维在复合材料领域发挥着极其重要的作用。玻璃纤维( g l a s sf i b e r ) 是由氧化 硅与金属氧化物等组成的盐类混合物经熔融纺丝制成的，它是最早被用作增强材料使 用的纤维之一。玻璃纤维的生产具有悠久的历史。据考证，早在1 7 1 3 年法国就使用 过玻璃纤维织物，德国于1 9 1 6 年开始生产用作保温材料的玻璃纤维；1 9 3 0 年，美国 o w e n si l l i n o i sg l a s s 公司首先生产玻璃长丝。玻璃纤维复合树料于4 0 年代开始在航空 4 济南大学硕l 学位论文 工业得到应用。由于玻璃纤维在结构、性能、加工工艺、价格等方面的特点，使它在 复合材料制造业中一直占有重要位置。 以商化的玻璃纤维主要有以下几种类型： a 玻璃纤维即高碱玻璃或称钠玻璃。是最常用的玻璃多用于制作平板玻璃和 玻璃器皿； e 玻璃属低碱玻璃，主要成分为硼铝硅酸盐，电绝缘性好，常用于制造玻璃 纤维编织物； c 玻璃主要成分为硼硅酸钠，耐化学药品性、持别是耐酸性强； s 玻璃其成分是铝硅酸镁，抗张性能及耐热性均优于e 玻璃，可用作结构材 料。 此外，还有一些特殊组成的玻璃，如m 玻璃，含有氧化铰，可制成高模量( 11 3 g p a ) 纤维；d 玻璃的介电常数小( 3 8 ) ，适用作雷达装置的增强材料；l 玻璃即铅玻璃，具 有防射线功能，主要用于防护制品。 玻璃纤维的特点之一即抗张强度较高。它的强度不仅超过普通天然纤维和化学纤 维，也高于一般钢材。但玻璃纤维的弹性模量不高，与纯铝相近，仅为普通钢材的 1 3 左右。玻璃纤维的应力一应变曲线基本为一直线，不出现塑性变形，属于具有脆性 特征的弹性材料。 一般玻璃纤维的软化温度为5 5 0 8 5 0 ，在2 0 0 2 5 0 c 下强度不会降低，但发 生收缩，在反复波动的高温环境下，承载玻璃纤维复合材料会发生界面粘附破坏现象。 玻璃纤维具有较低的线膨胀系数和导热系数以及良好的热稳定性。它的耐热性主要取 决于其化学组成。普通硅酸盐玻璃纤维在4 5 0 * ( 2 附近强度变化不大，而石英纤维或高 硅氧玻璃纤维的耐热温度都超过1 2 0 0 。 玻璃纤维是一种理想的电绝缘体。通过改变组成，可使玻璃纤维具有较高的介电 强度和较低的介电常数。它还具有良好的光学性能，除可用作光学材料外，还可用玻 璃纤维增强树脂基体，制成透明或有很好光泽的复合材料( 玻璃钢) 。 1 3 玻璃纤维增强石膏复合材料的研究现状 随着新型墙体材料这个主题的延伸，纤维增强复合材料已成为新时期国际高技术 新材料研究中的一个新领域，玻璃纤维在增强复合材料领域中扮演着越来越重要的角 色【2 6 1 。但是，相对于进行得如火如荼的玻璃纤维增强有机复合材料的研究，玻璃纤维 增强复合材料的研究投入还是太少，关于玻璃纤维增强复合材料的报导和相应的各种 5 玻璃纤维增强石膏复合材料的件能研究 标准也比较贫乏。 玻璃纤维增强石膏作为一种复合材料，使石膏的物理力学性能得到一定程度地改 善与提高，而复合效应的发挥在很大程度上取决于玻璃纤维与基体之间的界面结合情 况以及纤维的性能、含量、分布和石膏的性能和含量。目前国内外学者对纤维增强石 膏的研究做的不是很多，其理论成果也不是很完善。 在玻璃纤维石膏复合材料中，玻璃纤维是复合材料的增强体，它不仅能提高材料 的强度和模量，而且能减少收缩，提高热变形温度和冲击强度等。玻璃纤维的化学稳 定性好，不同成分的玻璃纤维对水、酸和弱碱的化学稳定性较好；机械强度高，弹性 模量大，抗拉强度可达1 5 0 0 一4 0 0 0 m p a ；使用合适的玻璃纤维可大大提高石膏材料 的抗冲击强度；耐高温性好；电绝缘性好；吸湿性小，具有较好的保温隔热性，吸声 性能优良【2 7 1 。因此玻璃纤维增强石膏复合材料具有更好的推广应用前景。 玻璃纤维增强石膏通常采用短切玻璃纤维，这种增强方式所需设备简单、操作便 捷，是目前使用较多的一种增强方式。玻璃纤维在石膏中呈惰性，不存在腐蚀问题。 石膏经玻璃纤维增强后，其抗折强度有较大的提高，同时还具有较好的耐拔钉性，便 于施工钉钉、开槽沟等。然而在石膏中加入玻璃纤维后，是否会影响其耐水性能，以 及如何提高玻纤增强石膏制品的耐水性能方面，还需要进一步深入研究。玻璃纤维增 强石膏基复合材料阻止了界面裂纹的扩展，使复合材料的整体强度和耐水性能得到了 显著的提耐2 引。 m s i n g h 乘l m g a i - g 2 9 利用加速模拟的方法研究了e 玻璃纤维在不同气候条件下， 对石膏复合材料强度和耐久性能的影响。将复合材料置于干湿两种条件下( 温度是 6 0 c ) ，交替循环5 0 次