（材料学专业论文）玻璃纤维与水泥的相适性研究.pdf

摘要 本文研究了玻璃纤维在硅酸盐水泥、硫铝酸赫水泥、不同碱性条件下的受侵蚀的 情况，通过对水泥基体进行改性，降低其碱度，对玻璃纤维进行表面处理，来提高玻 璃纤维在水泥基体中的耐久性，为玻璃纤维增强水泥基复合材料的广泛应用提供理论 依据。 实验研究了玻璃纤维在硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥受侵蚀的基本情况，并分析了 玻璃纤维受侵蚀后所生成的产物，硫铝酸盐水泥是一种能较好与玻璃纤维复合的水 泥，但还是有一定的腐蚀性。在不同p h 值条件下研究水泥滤液对玻璃纤维的侵蚀性。 实验表明，水泥滤液对中碱玻纤的侵蚀过程中在p h = 1 1 时存在一个转折点。在p h 相 同的条件下，通过不同阳离子碱液对玻璃纤维的侵蚀试验，得出玻纤被侵蚀的程度不 仅和o h 一的浓度有关而且与阳离子的类型有关：通过不同浓度的c a o 溶液对玻璃纤维 的侵蚀试验，得出浓度越大，玻纤被侵蚀越严重，并且存在一个c a o 溶液的最低浓度， 使玻璃纤维基本不被侵蚀。 通过对水泥基体进行改性实验，磷酸二氢钾不仅能提高玻璃纤维增强水泥基复合 材料的力学性能，而且对保护玻璃纤维也有一定的作用：在硅酸盐水泥中掺加一定量 的粉煤灰，采用少量的硫铝酸盐水泥激发粉煤灰的活性。提高粉煤灰的反应率，从而 达到降低水泥基体碱度的目的。 采用偶联剂k h 5 5 0 和环氧树脂对玻璃纤维进行表面处理，提高了玻璃纤维在硅酸 盐水泥滤液和碱性环境下的耐碱性，使其达到甚至超过抗碱玻璃纤维的耐碱程度，使 之更适合成为水泥基复合材料的增强材料。 通过正交试验，掺加一定含量的硫铝酸盐水泥、磷酸二氢钾、粉煤扶，对短切玻 璃纤维增强硅酸盐水泥基复合材料进行研究，所制成的试件具有轻质、强度高、耐水 性好、抗冻融性佳等诸多优良性能。 关键词：短切玻璃纤维增强水泥：水泥基复合材料；抗压强度；抗折强度：耐碱性能： 抗冻融性 a b s t r a c t 1 1 1 ec o n d i t i o nh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e rt h a tg l a s sf i b r ei sc o r r o d e di np o r t l a n d c e m e n t ，s u l p h u ra l u m i n i u ms o u rs a l t e dc e m e n t ，d i f f e r e n ta l k a l i n et e r m s i to f f e rt h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ew i d ea p p l i c a t i o no fg l a s sf i b r eb a s e d c e m e n tc o m p o s i t e ， t h r o u g hm o d i f y i n gt h eb a s e d c e m e n tb o d yt or e d u c ei t sa l k a l id e g r e ea n dd e a l i n gw i t ht h e s u r f a c eo ft h eg l a s sf i b r et oi m p r o v et h ea l k a l i r e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo fg l a s sf i b r ei n b a s e d - c e m e n tc o m p o s i t e t h r o u g he x p e r i m e n t ，t h ec o n d i t i o nh a sb e e ng o r e nt h a tg l a s sf i b r ei sc o r r o d e di n p o r t l a n dc e m e n t ，l o wa l k a l is u l p h u ra l u m i n i u ms o u rs a l t e dc e m e n t ，t h er e s u l to fg l a s sf i b r e a f t e rc o r r o d i n gh a sb e e na n a l y s e d l o wa l k a l is u l p h u ra l u m i n i u ms o u rs a l t e dc e m e n ti so n e o fc e m e n tw h i c hc a nb eb e t t e rc o m p o u n d e dw i t hg l a s sf i b r e ，b u tt h e r ei ss o m ed e g r e eo f t h ec o r r o s i o nt ot h eg l a s sf i b r e i no r d e rt om a k et h ed u r a b i l i t yb e t t e r , w ed i do u rr e s e a r c h b ys u c ha ne x p e r i m e n ta sf i r s t l yu s i n gd i f f e r e n tp h ，a n ds e ew h a td e g r e eo f t h ec o r r o s i o nt o e、 t h eg l a s sf i b r ef r o mt h ep o r t l a n dc e m e n t a ll e a c h a t ei s ，b yt h i se x p e r i m e n t ，w ef o u n do u t t h e r ew a sat u r n i n gp o i n ta sp h = , 1li nt h ep r o c e e d i n go fc o r r o s i o n ；n e x tw em a d ea n e x p e r i m e n ti nt h es a m ep h ，a n dw ed r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ec o r r o s i o nd e g r e eo ft h e g l a s sf i b r ei sn o to n l yr e l a t e dt ot h ec o n s i s t e n c yo fo h ，b u ta l s ot ot h ek i n d so fc a t i o n ； t e s t i n gt h ee r o s i o nt ot h eg l a s sf i b r ei nc a os o l u t i o no fd i f f e r e n td e n s i t y ，w ec a nd r a wa c o n c l u s i o nt h a tg l a s sf i b r ei sc o r r o d e dm o r es e r i o u s l yw h e nt h ed e n s i t yo fc a os o l u t i o ni s h e a v i e r , a n dt h e r ei st h em i n i m u md e n s i t yo fac a os o l u t i o n ，m a k i n gt h eg l a s sf i b r en o tt o b ec o r r o d e db a s i c a l l y t h r o u g hm o d i f y i n gb a s eb o d yo fc e m e n tb ye x p e r i m e n t s ，p h o s p h o r i ca c i dt w o h y d r o g e np o t a s s i u mcani m p r o v em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t eo fg l a s sf i b r e r e i n f o r c e db a s e dc e m e n tn o tm e r e l y , a n dh a sc e r t a i nf u n c t i o ni np r o t e c t i n gt h eg l a s sf i b r e ； u s i n gs o m ef l ya s hi nt h ep o r t l a n dc e m e n ta n da d o p t i n gas m a l la m o u n to fs u l p h u r a l u m i n i u ms o u rs a l t e dc e m e n tt oe x c i t et h ea c t i v a t i o no ft h ef l ya s ha n di m p r o v et h e r e s p o n s er a t eo ft h ef l ya s h ，t h u si t c a na c h i e v et h eg o a lo fr e d u c i n gc e m e n tb a s ea l k a l i d e g r e e w em a k es o m ee x p e r i m e n t sw i t hc o u p l i n ga g e n tk h 5 5 0a n de p o x yt od e a lw i t ht h e s u r f a c eo fg l a s sf i b r e ，r e d u c i n gt h ed e g r e eo ft h ec o r r o s i o nt ot h eg l a s sf i b r ef r o mt h e p o r t l a n dc e m e n t a ll e a c h a t e ，m a k i n gi tb e a ra l k a l i n eu n d e rt h ea l k a l i n ee n v i r o n m e n t ，a n d m a k i n gi tr e a c he v e ne x c e e dt h ea l k a l i r e s i s t a n tg l a s sf i b r e i ti sm o r es u i t a b l ef o rt h e e n h a n c e m e n tm a t e r i a lw h i c hi sc o m p o u n dw i t hc e m e n t t h r o u g hc r o s se x p e r i m e n t ，s t u d yo ns h o r tg l a s sf i b r er e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e w i t hs o m es u l p h u ra l u m i n i u ms o u rs a l t e dc e m e n t ，p h o s p h o r i ca c i dt w oh y d r o g e np o t a s s i u m a n df l ya s h ，m a k i n gp r o d u c t sh a v el i g h tq u a l i t y , h i g hs t r e n g t h ，g o o dw a t e r - r e s i s t a n t p e r f o r m a n c ea n df r e e z i n ga n dm e l t i n g r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：s h o r tg l a s sf i b r er e i n f o r c e dc e m e n t ； c e m e n tb a s e dc o m p o s i t e ； c o m p r e s s i v es t r e n g t h ； f l e x u r es t r e n g t h ； a l k a l i r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e ； f r e e z i n ga n dm e l t i n g r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e 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，均已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：撞1 3 1 芏日期：煎! 妄：圣 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：施尘圣导师签名：差亟毖日期：弛：三! 丛 第一章绪论 1 1 概述“1 5 ” 玻璃纤维增强水泥( 英文名称g l a s s f i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t ，缩写为g r c ) 是以玻 璃纤维为增强材料，以水泥净浆或水泥砂浆为基体而形成的一种复合材料。1 众所周知，玻璃纤维不仅可提高水泥基体的抗弯、抗拉强度，还可提高其抗冲击 强度。玻璃纤维较高的抗拉强度( 抗拉强度可达1 7 7 0 2 5 5 0 m p a ) 和较高的弹性模量( 约 为7 0 g p a ，为水泥基体的2 5 倍) 为其能够大幅度提高水泥基体的强度和韧性提供了必 要的保证。3 0 多年来，国内外对玻璃纤维增强水泥性能的研究证明：在水泥基体中 加入4 5 的玻璃纤维，即可大大改善其力学性能。一般素水泥砂浆的抗拉强度为 2 3 m p a 、极限延伸变形为1 0 0 1 5 0 p e 、抗弯( 折) 强度为5 - 7 m p a 、抗冲击强度约为 2 k j i m 2 ；当加入4 一5 的玻璃纤维后。复合材料的抗拉强度达到9 - 1 2 m p a 、极限延 伸变形达到8 0 0 0 - - - 1 2 0 0 0 p e 、抗弯( 折) 强度达到2 0 2 5 m p a 、抗冲击强度达到1 5 - 2 0 k j m 2 。1 少量的玻璃纤维加入到水泥基体中即可得到如此好的效果，当然是一件令人 鼓舞的事情，但是作为一种材料特别是用于制造建筑构件的材料，人们更关心的是它 的耐久性问题，都希望建筑材料有一个长久的使用寿命和良好的安全可靠性。 对于玻璃纤维增强水泥这种新型复合材料来说，玻璃纤维在水泥基体中能否保持 其较高的强度和较好的韧性，是保证玻璃纤维增强增韧效果的关键所在。在实践中， 人们发现了玻璃纤维在水泥基体中的侵蚀和脆化问题，并且查明了其侵蚀、脆化的机 理，而且通过各种方法对玻璃纤维增强水泥的长期耐久性迸行了改善。一是提高玻璃 纤维的抗碱性侵蚀能力，主要从两个方面进行改进，或是改变玻璃纤维的化学组成， 或是对玻璃纤维的表面进行耐碱处理；二是对基体材料进行改性，或是在波特兰水泥 中加入火山灰质材料使之与c a ( o h ) 2 作用，或是在基体中加入聚合物以阻止基体遭受 物理和化学侵蚀，或是研制适合于玻璃纤维使用环境的低碱度水泥，以减少水泥水化 产物中c a ( o h ) 2 的含量。【8 1 1 2 国内外g r c 的发展现状“4 7 ” ! 。一，一! 一，。! 墼丝皇堡塑鎏丝塑，：一；一， 一， 为了改善水泥基体与玻璃纤维的相适性，国内外许多专家学者进行了一些初步研 究。2 0 世纪6 0 年代中期，马容达发明含锆抗碱玻璃纤维，其耐碱性比一般玻璃纤维 有较大提高，与硅酸盐水泥匹配后的试件耐久性也有所改善，但长期强度仍要下降， 只限用于非承重结构：7 0 年代中期，王燕谋等提出抗碱玻璃纤维增强硫铝酸盐水泥 的技术路线，但硫铝酸盐水泥对抗碱玻璃纤维也有一定的影响。7 0 年代末，薛君歼 等研究了玻璃纤维增强水泥专用的低碱度硫铝酸盐水泥：1 9 8 5 年杨梦初等提出了含 锆玻璃纤维抗碱机理，9 0 年代初，他们还研究了稀土氧化物对抗碱玻璃纤维耐腐蚀 性能的影响，发现稀土离子的高场、高配位及积聚的作用能够促使玻璃结构密实化， 从而改善玻璃纤维的耐碱性。 1 2 1 g r c 的科学研究工作“” 自7 0 年代后期，我国恢复对玻璃纤维增强水泥的研究工作以来，研究工作一直 没有间断过，其中包括对原材料的研究和丌发、对各种工艺条件下不同材料配比的研 究、对g r c 产品种类的研究丌发以及对g r c 制品生产用工艺设备的研究开发。在对 g r c 产品的不断发展过程中，也对g r c 材料的定义范畴进行了拓展，如近年来发展 起来的轻质g r c 就是具有代表性的例子。 从原材料方面来讲，对玻璃纤维增强水泥物理力学性能和长期耐久性起决定作用 的抗碱玻璃纤维和低碱度水泥都有了很大发展，玻璃纤维生产单位根据g r c 的不同 生产工艺与不同制品的特点，开发出供喷射法生产用的连续玻璃纤维无捻粗纱、供预 混法和挤出法生产用的耐碱玻璃纤维短切纱、以及供铺网法生产用的连续玻璃纤维网 格布。在坚持使用含锆抗碱玻璃纤维的同时，有些玻纤生产厂也一直在致力于对中碱 玻纤网格布进行耐碱被覆处理的研究，取得了一定的效果。低碱度水泥的品种和性能 也在不断改进，由最早采用的i 型低碱度水泥和硫铝酸靛旱强水泥，发展到现在的低 碱度硫铝酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥，从化学组份和物理力学性能上都有了较大改 善。随着原材料性能的不断改善，g r c 制品的性能和耐久性将会越来越好。 从基体材料组成来讲，从最初的水泥净浆、水泥砂浆逐步发展到适用于不同用途 制品的轻质基体，例如在基体中加入轻质的膨胀珍珠岩颗粒，或者在基体中加入发泡 剂，以降低制品的密度。 对于g r c 材料的物理力学性能和耐久性研究也一直没有间断过，近几年开展了 连续玻璃纤维和短切玻璃纤维、玻璃纤维和其它类型纤维混合增强水泥基体材料的研 究工作。探索了不同型式纤维和不同品种纤维混合增强增韧的叠加效应，取得了一些 成果。 1 2 2 g r c 的产品开发工作”1 由于玻璃纤维增强水泥具有轻质、高强、防水、耐火、易模造性和机械加工性能 好等特点，使其能够广泛地应用于各个领域，如建筑材料、农用构件、水利工程构件、 景观材料、卫生洁具等。其中以平板( 包括单板与复合板) 形式出现的产品有：外墙装 饰面板、阳台栏板、阳台分隔板、遮阳板、吊顶板、复合外墙板、网架屋面板、外墙 外保温板、外墙内保温板、轻质空心内隔墙板、水利工程滤砂板等；以型材形式出现 的有：波瓦、半波瓦、粮仓板、通风管道、灌溉渠道、沼气池、太阳能灶、暖棚骨架、 瓷釉浴缸、洗刷池等；以景观小品形式出现的有：凉亭、浮雕艺术品、造型艺术品、 大型花盆以及建筑外装饰用的窗棂、门楣、柱头等。 近年来尤以建筑外装饰制品、轻质内隔墙板、外墙内保温板、网架屋面板和通风 管道的发展最为迅猛。在北京、大连、广州等城市，许多建筑物的外墙装饰使用了 g r c 外装饰制品，改变了建筑物外貌的单调格式，使得建筑风格更加多样化，估计 1 9 9 7 年使用量在5 0 万m 2 ；在北京、上海、天津、大连、广州、成都等城市，在住宅 建筑中使用了大量g r c 轻质内隔墙板出于其施工快捷方便，湿作业少，得到了施 工单位的赞同和认可，每年g r c 轻质内隔墙板的使用量约为1 0 0 0 万m 2 ：在北京、 天津等地区，为满足建筑节能的要求，大量使用了g r c 外墙内保温板，年使用量约 为2 0 0 万m 2 ：g r c 通风管道以其重量轻、占地面积少、安装施工方便，在北京、大 连等地应用十分广泛：g r c 网架屋面板也在全国各地得到了广泛应用，为大型工业 厂房和住宅提供了一种集轻质高强及保温隔热于一体的新型屋面材料。 1 2 3g r c 制品的工艺装备开发工作“” 随着产品种类的不断增多，也研究丌发出适用于生产不同制品和不同要求的工艺 方法和工艺装备，如直接喷射法、喷射抽吸法、人工铺网法、预拌振捣法、挤出法、 浇注法、流浆法和机械布浆铺网法。其中直接喷射法适用于无限制大面积、任意厚度 平板的生产，如复合外墙板、外墙装饰面板、网架屋面板、保温板面层、轻质空心内 隔墙板、水利工程滤砂板等；喷射抽吸法、流浆法和机械布浆铺网法适用于二定宽度、 一定厚度的单板和波形板的生产：预拌振捣法适用于生产小截面和造型复杂的制品， 如暖棚骨架、围栏柱、门媚、窗权、柱头等：挤出法适用于固定截面尺寸构件的生产， 如窗框、门框、轻质内隔墙板等；浇注法适用于生产具有较大厚度的制品，如轻质内 隔墙板等：人工铺网法适用于劳动力充足，具有平整表面的板材的生产，如保温板、 轻质内隔墙板等。多种工艺多种生产装备的研制丌发，为更好地利用玻璃纤维增强水 泥材料的特性，更多地制造出不同种类的g r c 制品创造了有利条件。 1 2 4g r c 制品的标准化” 一种新材料自诞生、发展到应用必须要有严格的生产管理和质量监督。随着我 国住宅产业化的快速发展对建筑市场更加规范，对建筑构配件的要求将更加严格。 几年来制订了数项有关玻璃纤维增强水泥性能测试方法和有关g r c 制品技术要求的 标准，其中玻璃纤维增强水泥性能试验方法g b t 1 5 2 3 1 1 5 9 4 为国家标准，该 标准规定了玻璃纤维增强水泥复合材料中玻璃纤维含量的测试方法，以及复合材料物 理力学性能的测试方法，即复合材料体积密度、抗压性能、抗弯性能、抗拉性能和抗 冲击性能的测定方法；玻璃纤维增强水泥波瓦及其脊瓦j c , q 5 6 7 9 4 与玻璃纤 维增强水泥轻质多孔隔墙条板j c 6 6 6 9 7 为建材行业标准，前者规定了生产g r c 波瓦及其脊瓦所用原材料的技术要求，瓦的外观质量、尺寸偏差和各等级瓦的物理力 学性能。后者对g r c 轻质多孔蕊墙条板所用原材料提出了具体技术要求，并对板的 外观质量、尺寸偏差和物理力学性能作出了具体规定。瓷釉g r c 浴缸 c b m 刖g r c a 0 0 l 0 0 3 8 7 为建材工业协会g r c 分会标准。g r c 外墙内保温板和 g r c 轻质内隔墙板在1 9 9 6 年被列入北京市产品质量检验标准，而且这两种产品在 1 9 9 6 年还被分别编入北京市外墙内保温构造图集和条板轻隔墙构造图集。玻 璃纤维增强水泥通风管道的建材行业标准正在制订之中。这些标准的制订为规范 g r c 产品、控制产品质量起到了很好的作用。 l 2 5g r c 材料与制品的行业管理1 自1 9 8 5 年成立中国建筑材料工业协会玻璃纤维增强水泥( g r c ) 分会( 挂靠在中国 建筑材料科学研究院水泥科学与新型建筑材料研究所) 以来，先后吸收科研单位、原 材料生产厂、g r c 制品生产厂1 8 0 余家为会员单位。g r c 协会还与一些省市的墙体 改革办公室建立了联系，以促进玻璃纤维增强水泥行业的发展。据不完全统计，目前 我国约有玻璃纤维增强水泥的原材料生产厂和制品生产厂5 0 0 多家，其中抗碱玻璃纤 维生产厂7 家，低碱度水泥生产厂1 5 家。1 3 年来g r c 协会共召丌会员大会8 届， 出版( g r c 技术通讯4 0 期，g r c 专题译文集9 集。g r c 协会在协调各方面关 济南人学顼 ：学位论文 系，监督产品质量，促进行业发展方面起到了积极作用。 1 2 6 存在的问题”1 1 9 9 7 年，根据国家技术监督局下达的任务，出国家建材局房建材料产品质量监 督检测中心( 挂靠在我院水泥科学与新型建筑材料研究所1 对玻璃纤维增强水泥轻质 内隔墙板进行了抽查检测，同时g r c 协会对玻璃纤维网格布的耐老化性能也进行了 统一检测。检测结果表明，多数原材料生产厂和墙板生产厂都能够按照要求组织生产， 但是也有很多不尽人意的事情。一些墙板生产厂采用非抗碱的玻璃纤维作增强材料， 虽然在短期内墙板的性能都能够满足要求，但给长期使用埋下了隐患：有些抗碱玻璃 纤维生产厂，随意降低抗碱玻璃纤维中的氧化锆含量，或者随意降低网格布的单位重 量，给g r c 制品也带来了不利影响。还有相当数量的小型制品厂或个体生产者，没 有从根本上了解g r c 材料的实质和基本技术要求，随意使用原材料进行生产，造成 g r c 产品的市场混乱，损害了g r c 这种新型材料的声誉，产生了非常不良的影响。 1 3 我国g r c 的发展前景“- ” 玻璃纤维增强水泥的优良物理力学性能和工艺性能必将得到更加广泛的应用，其 良好的经济效益和社会效益为它的发展奠定了坚实的基础。 1 3 1 g r c 具有广阔的发展前景”1 玻璃纤维增强水泥作为一种新型的无机复合材料具有许多独特的优点：首先它是 轻质的，一般以水泥砂浆为基体的g r c 材料其气干密度为1 8 2 o g c m 3 ，比普通 混凝土约低2 0 ：在抗弯破坏强度相当的条件下，g r c 的密度可减轻5 0 ；g r c 高的 抗弯强度、抗拉强度和抗冲击强度使其能够以较薄的厚度获得所需力学性能：作为以 水泥为胶凝材料的复合材料，它不仅不怕潮湿而且防火；它的工艺性能好，可任意模 造出各种复杂的造型，用g r c 材料不仅可制造出应用于各个领域的建筑制品、景观 制品，还可用于制造仿古艺术品：它的可加工性能好，可任意锯、钉、磨、钻，便于 安装施工；其价格较低，符合我国国情，可大量推广应用。 l _ 3 ，2 住宅建设为g r c 产品提供了发展机遇”。 根据国家社会经济发展规划，今后l o 年我国年均建造住宅1 0 亿m 2 。“九五”期 间城市住宅年均建造量为2 4 亿m 2 ，2 0 0 1 2 0 1 0 年1 0 年f b j ，年均建造量将达到2 5 3 0 玻璃纤维，水泥的相适性研究 亿m 2 ；为实现2 0 0 0 年我国城镇人均居住面积达8 m 2 以上的目标，到2 0 0 0 年全国城 镇每年需建成2 亿m 2 的住宅，还有2 0 亿m 2 的城镇旧房需要逐年改造；农村住房建 设每年竣工量为8 亿m 2 。如此宏大的建设规划和建筑市场，以及建筑体系的多样化 和建筑风格的美观化为g r c 外墙板系列产品、g r c 轻质内隔墙板、g r c 保温板 和g r c 通风管道的发展和应用提供了良好的机会。 由中国建筑材料科学研究院承担的“住宅用g r c 外装饰板系列产品”己被列入 我国“2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程”项目，这标志着g r c 产品将进入一个 新的发展阶段。 1 3 3国家政策为g r c 产品提供了用武之地“1 随着现代化建设发展和人民生活水平提高，宽敞舒适的居住环境已成为人们生活 的迫切要求，如果仍然以毁坏良开；l 作为改善居住条件的前提，其后果是不堪想象的。 发展新型材料、使用新型材料是我国墙体材料革新的重大举措，也是历史赋予我们的 责任。玻璃纤维增强水泥作为一种新型建筑材料，其产品不仅可在使用功能上替代红 砖，而且在某些功能上更优于红砖，在一些产品中还可掺入粉煤灰填充材料。达到利 用废料保护环境的目的。 我国是一个能源紧缺国家，但建筑能耗又很高，与发达国家相比有很大的差距， 其主要表现在建筑保温上。我国已确定到2 0 0 0 年实现建筑节能5 0 的目标，许多省 市的墙体改革办公室都制订了本地区的墙体改革措施和节能工作规划，这就意味着建 筑节能市场将需要大量优质的、性能可靠的产品，以玻璃纤维增强水泥为面层材料的 保温板经过几年的使用，证明可以满足这一要求，只要我们能够把握时机，保证产品 质量，就一定能使玻璃纤维增强水泥这种新型材料得到广泛长久的应用。 1 4 玻璃纤维增强水泥的理论研究现状“2 。4 ”。9 ” 在玻璃纤维增强水泥基复合材料中，基体的破坏应变比纤维小得多，纤维体积很 少超过8 ，玻纤配筋方式绝大多数是乱向短纤维配筋。对于带状、网格布作配筋， 一般都配在主应力方向上。纤维起加强作用的机理涉及到：应力通过界面的剪切或者 通过纤维表面变形，通过纤维与基体之间的相互连接，从基体传到纤维。纤维和基体 共同承受拉力直到基体裂损，然后总的力都转移到纤维上。这种损坏机理上的变化， 6 使下述各方面的性能得到重大改善：柔韧性、峰固性、抗冲击性、受拉性、抗挠强度、 疲劳寿命、抗磨损、收缩性、耐久性和抗气蚀作用。 关于玻璃纤维增强水泥材料的脆化机理，迄今为止国际上主要有“化学侵蚀说” 与“力学破坏说”两种不同的学术见解。持第一说的学者有m a j u m d a r 、p r e o e t o r 、薛 君王干、曹永康等，持第二说的学者有d i a m o n d 、b e n t u r 、m e y e r 等，但也有人认为c a ( o h ) 2 晶体对玻纤原丝的力学破坏、水泥基体孑l 隙中高碱度的液相对玻纤的化学侵 蚀是同时存在且又相互助长的，只有设法同时消除以上两个因素，爿可获得耐久性较 好的玻纤增强水泥材料。 1 5 主要内容 1 5 1 玻璃纤维与硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥及其它碱性物质的相适性研究 首先确定玻璃纤维、硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥成分和基本性能，然后制造水泥 净浆滤液并分析其成分，并配制其它碱性条件的溶液，最后分析玻璃纤维力学性能的 变化，研究玻璃纤维被侵蚀后新生成的产物。 1 5 2 玻璃纤维表面处理后与硅酸盐水泥相适性的探讨 首先对玻璃纤维进行热处理， 选用环氧树脂和偶联剂 k h 5 5 0 ( h 2 n c h 2 c h 2 c h 2 s i ( o c h 2 c h ) 3 ) 作为玻璃纤维的表面处理材料：其次配置处理 液，对玻璃纤维进行化学处理，然后使之与环氧树脂结合：最后对处理后的玻璃纤维 与硅酸盐水泥的相适性进行研究。 1 5 3 水泥基体改性后与玻璃纤维相适性的探讨 ( 1 ) 外加剂硫铝酸盐水泥改性粉煤狄硅酸盐水泥 了解硫铝酸赫水泥激发粉煤灰活性的基本原理，研究外加剂硫铝酸盐水泥改性粉 煤灰硅酸盐水泥水化产物的形貌、力学性能及其与玻璃纤维的相适性： ( 2 ) 磷酸赫改性硅酸盐水泥 了解磷酸盐改性硅酸盐水泥的基本原理，研究其水化产物的形貌、力学性能及其 与玻璃纤维的相适性： 1 5 4 玻璃纤维增强水泥基复合材料的性能研究 玻璃纤维进行表面处理后，做四个因素( 纤维含量、硫铝酸盐水泥含量、磷酸盐 含量、粉煤灰掺量) ，三个水平的正交试验，研究玻璃纤维增强水泥基复合材料的力 学性能、耐水性能、抗冻融性。 1 6 实验设计方案 1 6 1测试玻璃纤维与水泥的成分及基本性能，分析水泥净浆滤液的基本组成； 1 6 2 在不同温度、不同浓度及不同碱性物质条件下研究玻璃纤维受侵蚀的情况，并 用x 射线衍射仪、扫描电镜、红外光谱等仪器进行表征： 1 6 3 对玻璃纤维及硅酸盐水泥进行改性，分析改性后玻璃纤维与硅酸盐水泥的相适 性。 济南大学硕士学位论文 第二章原材料分析与实验条件 2 1 原材料及分析 2 1 1 水泥 采用山东水泥厂生产的硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，其主要化学成分为c a o 、 a i z 0 3 、s i 0 2 、f c 2 0 3 和s 0 3 。各氧化物的含量见表2 - 1 。 表2 - i 硅酸盐水泥( a ) 和快便硫铝酸盐水泥( b ) 的化学成分( 质量分数) a5 4 7 9 4 2 3 2 8 ，7 1 4 1 0 2 0 2 1 3 2 b4 0 7 92 3 4 18 9 76 1 7i i 9 9 4 4 0 2 - 2 。 通过x 一射线衍射分析进一步确定两种水泥的主要化学组成，衍射图如图2 - i 、 i90 92 99 93 99 94 99 95 9 9 96 99 9 幽2 i 碎酸盐水泥的x 射线衍射图 i 。 一lj 。 1 i ，l 。i 1 。l 图2 2 硫铝酸盐水泥的x 射线衍射图 2 1 z 粉煤灰 采用黄台热电厂生产的普通粉煤灰和高钙粉煤灰，其化学组成见表2 2 。 表2 - 2 普通粉煤灰( a ) 和高钙粉煤灰( b ) 的化学组成 2 1 3 玻璃纤维 玻璃纤维强度和弹性模量较高，来源丰富，制造成本较低，是复合材料增强纤维 的主要品种之一。玻璃纤维加入到水泥基体后，可以有效地控制基体中的裂纹，改变 材料的破坏方式，提高材料的强度特别是能够大幅度提高水泥基材料的韧性。而且， 水泥基材料中存在玻璃纤维时，其抗冲击性能、耐疲劳性能、耐磨性能、冻融性能等 都有不同程度的提高。下面是几种不同含碱玻璃纤维的性能，如表2 3 所示。 0 表2 - 3 儿种玻璃纤维的性能 由于普通玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体这样的碱性环境中极易失去强度和 刚性，因此最好选用无碱玻璃纤维。同时由于抗碱玻璃纤维的抗碱能力有一定的限度， 为确保纤维增强水泥材料的长期耐久性，应尽量降低水泥基体的碱度。结合试验实际 情况，采用山东泰安玻璃纤维有限公司生产的短切玻璃纤维，其化学成分见表2 4 。 表2 - 4 玻璃纤维的化学组成 2 2 所用仪器及设备 ( 1 ) 药物天平、烧杯、量筒等若干 ( 2 ) 模具若干( 规格4 0 r a m 4 0 r a m 1 b o m m ) ( 3 ) 3 - s 一1 9 5 胶砂搅拌机 ( 4 ) 1 0 1 b 一2 型电热鼓风恒温干燥箱一台 ( 5 ) y e 一3 0 液压式压力试验机 ( 6 ) k z j 一6 电动抗折试验机 ( 7 ) 扫描电子显微镜：s - 2 5 0 0 型i rs c a n n i n ge l e c t i o nm i c r o s c o p e 电镜( 日本 同立公司) ( 8 ) x 一射线衍射d 姒x y a 型x 一射线衍射仪( 同本理学公司) ( 9 ) 红外光谱仪 ( 1 0 ) p o r e m a s t e r 6 0 全自动孔分析仪 玻璃纤维与水泥的拥适性研究 2 3 基本性能测试方法。2 。 2 3 1 抗折强度 按g b l 7 7 5 - - 8 5 规定进行抗压强度测定。抗折强度试验采用的是三点加载简支梁， 将制得尺寸为4 0 r a m 4 0 r a m x1 6 0 r a m 的标准试件插入抗折仪的支梁上，试件的成型面应 侧立，使加荷辊与两个支承辊保持等距。开动抗折试验机，使试件折断：记录3 个试 件的测试值，并计算其平均值。测出的抗折破坏载荷单位时k n 用下面的公式转化 为m p a 。 o = 3 p l 2 b h 2 式中0 广一抗折强度，m p a ； p 破坏载荷，k n ：l 跨距，c m ： b 试样宽度，c m ；h 试样厚度，c m 。 2 3 2 抗压强度 将抗折强度测试后的两断块中的一块作为抗压强度试件按g b l 7 7 5 - - 8 5 规定进行 抗压强度测定。试验时将试件放在抗压夹具内，试件的成型面应与受压面垂直，受压 面积为4 0 r a m x 4 0 m m 。将抗压夹具连同试件置于抗压试验机上、下台面之间，下台板 球轴心应通过试件受压面中心。开动机器，使试件在加荷开始后2 0 一4 0 秒内破坏。 记录每个试件的破坏载荷p ，抗压强度按下面公式计算： a 。= p f 式中0 。抗压强度m p a ：p 一破坏载荷，n ： f 试样的受压面积， m i n 2 。最后计算6 个试样的抗压强度平均值。 2 3 3 抗冻融性 分别检查十个试件的外表面，注明标号，静置待干；将一组五个冻融试件浸入 1 0 2 0 的水池或水箱中，水面应高出试件2 0m m 以上，试件间距不得小于2 0t o n i 。 另一组五个试件作对比试验。浸泡4 d 后从水中取出试件，在支架上滴水l m i n ，在用 拧干的湿布拭去内外表面的水。将五个冻融试件放入预先降至一1 5 。c 的冷冻室或低温 冰箱中，试件应放置在断面为2 0m m 2 0m m 的木条制作的格栅上，间距不小于2 0i n g l 。 当温度再次降至一1 5 时丌始计时。冷冻4 h 后将试件取出再置于水温为l o 一2 0 的 水池或水箱中融化2 h 。这样一个冷冻和融化的过程即为一个冻融循环。每经5 次冻 济南人学硕士学位论文 融循环，检查一次试件的破坏情况，如开裂、缺棱、掉角、剥落等，并做出记录。在 完成规定次数的冻融循环后，将试件从水中取出，进行强度试验。 2 3 4 强度保留率 根据实验要求，在不同的温度条件下，用3 0 c m 长的玻璃纤维浸泡在溶液中，浸 泡不同的时间，接着用w p m 一1 0 0 型成型拉伸机测定其抗拉强度，取三次测量结果的平 均值为最终结果。 玻璃纤维与水泥的相适性研究 第三章玻璃纤维与硅酸盐水泥、低碱硫铝酸盐水泥及其它碱 性物质的相适性研究 3 1 概述“”一圳 水泥基体对玻璃纤维的侵蚀，迄今为止国际上主要有“化学侵蚀说”与“力学破 坏说”两种不同的学术见解。持第一种观点的学者有m a j u m d a r 、p m o c t o r 、薛君开、 曹永康等，他们认为主要是硅酸盐水泥水化生成的高碱度液相对玻璃纤维进行化学侵 蚀即玻纤在水泥中腐蚀的主要原因是水泥在水化过程中产生的c a ( o h ) 2 与玻纤中的 s i - o 框架反应形成了一种新的水化产物硅酸钙凝胶，这种不可逆的反应毁坏 了玻纤的结构。致使玻纤失去强度。为此，提高玻纤增强水泥材料耐久性的唯一途径 是尽可能降低水泥基体的碱度。持第二种观点的学者有d i a m o n d 、b e n t u r 、m e y e r 等 他们认为硅酸盐水泥水化生成的碱液并不对玻纤发生明显的化学侵蚀，导致玻纤腐蚀 的根本原因在于硅酸盐水泥生成的大量的c “o h ) 2 晶体沉淀于玻纤原丝的孔隙中， c a ( o n h 晶体在单丝之间或围绕着单丝生长。由于这些晶体紧紧地夹持着单丝，玻纤 水泥材料受力时，原丝即失去松动与调节的余地，从而大幅度丧失其韧性而成为脆性 材料。为此，持“力学破坏说”的学者主张提高耐久性的唯一途径是设法消除玻纤原 丝中的c a ( o h h 晶体，至于水泥基体的碱度高低则并非是主要的。 但是也有人认为c a ( o h ) 2 晶体对玻纤原丝的力学破坏以及水泥基体孔隙中高碱 度液相对玻纤的化学侵蚀是同时存在且又相互助长的，只有设法同时消除以上两个因 素，才可获得耐久性较好的玻纤增强水泥复合材料。 3 2 玻璃纤维与硅酸盐水泥相适性的研究 3 2 1 实验过程 试验用的水泥水化净浆滤液是以l ：l 水狄比配成的水泥浆，用搅拌机充分搅 拌2 h 后，用真空泵抽气过滤而得。在9 0 。c 条件下，玻璃纤维在硅酸盐水泥净浆滤液 受侵蚀后，分别1 2 h 、2 4 h 后测量玻璃纤维的强度变化，在常温条件下，分别测量玻 璃纤维在3 0 d 、6 0 d 、9 0 d 、1 8 0 d 、2 7 0 d 的抗拉强度：在纤维脆度变化的测量中，将玻 璃纤维弯成圆圈同时拉伸纤维的两端，观测其断裂时圆圈的直径大小。 3 2 2 玻璃纤维在硅酸盐水泥水化溶液中性能的变化 a 玻璃纤维抗拉强度的变化 抗拉强度是玻璃纤维的主要力学性能之一在9 0 1 2 水泥水化净浆滤液中侵蚀1 2 h ， 纤维的强度就降低了5 0 以上，2 4 h 便完全失去强度( 见图3 1 ) ，在常温下侵蚀9 0 d ， 强度己降低一半以上，到2 7 0 d 强度的绝对值已经很小了( 见图3 2 ) ，而且仍有继续 下降的趋势。由此可以看出，硅酸盐水泥水化溶液对玻璃纤维的侵蚀作用是相当严重 的。 1 2 0 1 0 0 童8 0 蓑e o 萋们 2 0 o 00 5 12 龄期( d ) 图3 一l 9 0 c 下水泥水化液中侵蚀的普通 玻璃纤维的强度变化率 03 06 09 01 8 02 7 0 龄删( d ) 图3 2 玻璃纤维在常温( 2 0 ) 下在 硅酸盐水泥水化液中强度的变化 b 玻璃纤维脆度的变化 在硅酸盐水泥水化溶液中，9 0 。c 条件下侵蚀1 2 h 和常温条件下侵蚀9 0 d 的玻璃纤 维的脆度，比原纤维增加了一倍。9 0 。c 下2 4 h 和常温1 8 0 d 侵蚀后纤维变得非常脆了， 轻轻一触即断，已不能进行测量。我们认为玻璃纤维的变脆是玻璃纤维在混凝土构件 中后期抗冲击性能差的原因。 啪咖伽啪咖啪咖伽枷。 圈3 - 3 常温f 玻璃纤维侵蚀3 0 d 后的表面 图3 4白色附着物著热分析图 用扫描电镜观察了水泥水化溶液侵蚀后的纤维表面形貌发现纤维的表面粗糙不平， 在纤维的表面有白色附着物( 图3 - 3 ) ，当受到外力作用时很容易脱落。对白色附着 物进行差热分析，发现在8 3 04 c 附近有一放热峰( 图3 4 ) ，从而可以认为白色附着物 是水化硅酸钙。 c 侵蚀溶液成分的变化 在9 0 ( 2 条件下，以硅酸盐水泥水化溶液浸泡玻璃纤维，2 4 h 后溶液中c a o 的浓 度由1 8 3 8 m g l 降至4 0 0 m g l 左右。k 2 0 和n a 2 0 的溶度略有增加，s i 0 2 变化不大。 3 2 3 玻璃纤维增强硅酸盐水泥复合材料的力学性能研究 在常温条件下，按水灰比0 3 5 ，掺加不同长度、不同掺量的玻璃纤维，制成 4 0