（材料学专业论文）纤维水泥复合材料的成型工艺与性能研究.pdf

济南人学颂i 学位论立 摘要 我国近几年特别强调要大力发展节能、节地、利废、保温、隔热等新型墙体材料 和屋面材料。国家墙体改革与建筑节能政策和墙体材料发展趋势为新型建筑板材的发 展提供广阔的发展空间。纤维增强水泥基复合材料以其优良的性能，将会是2 1 世纪 最热门的复合材料之一。以纤维水泥基复合材料制作的建筑板材前景广阔。 本文主要针对一种面层材料为纤维增强水泥基复合材料的屋面复合保温板进行 研究。对纤维增强水泥基复合材料新拌料浆性能及硬化力学性能进行了综合全面的研 究，并对该屋面复合保温板的成型工艺进行研究。 通过对新拌料浆流变性和工作性研究探讨了拌合料浆中的粉煤狄、减水剂、纤 维对新拌料浆的流变性能和工作性( 坍落度、流动度、泌水率等) 的影响。通过研究 发现，粉煤灰、减水剂、纤维对新拌料浆性能有较大影响。纤维水泥成型工艺的研究 中，着重探讨了纤维分散性和振动密实成型工艺。在制备过程中影响纤维分散的的主 要因素有：搅拌方法、纤维掺量及长度、捣实方法及水灰比等：详细研究振动密实工 艺，确定出适合该屋面复合保温板的最佳成型工艺流程。 考察纤维水泥复合材料力学性能，通过正交试验分析粉煤灰、减水剂、纤维等因 素对力学性能影响，确定出最佳掺量。通过掺加聚合物胶改善纤维水泥复合材料的耐 水性能，通过试验确定聚合物胶的最佳掺量。 纤维水泥复合材料中基体与玻璃纤维间会产生一定的粘结力，基体受力通过粘结 力传到纤维，达到纤维增强效果。对纤维表面进行处理，可改善基体与纤维的粘结力。 纤维水泥复合材料存在着骨料水泥浆体界面及纤维水泥基材料界面两大薄 弱环节。界面区是以晶粒较大、空隙率较大、结构疏松为特征。通过掺加粉煤灰和减 水剂能够改变界面区性能，增强界面粘结力，提高强度。 关键词：纤维增强水泥基复合材料：屋面复合保温板；新拌料浆；成型工艺；增强机 理 ! 一。一：一，一堑丝堡堡量些塑竖篓二彗丝墼墼，：；。 。：。，：。 a b s t r a c t o u r c o u n t r yp u te m p h a s i so ne s p e c i a l l ye n e r g e t i c a ld e v e l o p m e n to fe n e r g y c o n s e r v a t i o n ， s a v i n gs o i l ，u t i l i z i n gw a s t e ，k e e p i n gw a r m ，h e a ti n s u l a t i o nd e w - t y p ew a l l m a t e r i a la n d r o o f a g em a t e r i a l i nr e c e n ty e a r s n a t i o n a lw a l lr e f o r ma n db u i l d i n ge n e r g y - c o n s e r v i n g p o l i c y a n dw a l lm a t e r i a l d e v e l o p m e n t t r e n do f f e rt h ew i d ed e v e l o p m e n t s p a c e f o r d e v e l o p m e n to f t h en e w t y p eb u i l d i n gb o a r d ，t h ef 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 ew i t h i t sf i n ep e r f o r m a n c e s ，w i l lb eo n eo ft h eh o t t e s tc o m p o s i t ei nt h e2 1 s tc e n t u r y s oi th a s b r i l l i a n tf u t u r ef o rb u i l d i n gb o a r dm a d eb yt h ef 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 t h i sp a p e rs t u d yo n ek i n do f r o o f a g ec o m p o s i t ep r e s e r v a t i o nb o a r d t h a ts u r f a c em a t e r i a l i 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 em a i n l y g e n e r a lr e s e a r c hi sd o n ea b o u tp e r f o r m a n c e o fn e w l ym i x t u r ea n dh a r d e nm e c h a n i c ss a m p l e s ，a n dm o l d i n gp r o c e s so ft h eb o a r di s d i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y b ys t u d y i n go nr h e o l o g yp e r f o r m a n c ea n dw o r k a b i l i t yo fn e w l ym i x t u r e ，i tp r o b e st h e i n f l u e n c eo ff l ya s h ，w a t e r - r e d u c i n ga g e n t ，f i b r et or h e o l o g ya n dw o r k a b i l i t y ( s l u m p ， f l u i d i t y , w a t e re m i s s i o nr a t e ，e t c ) ，m a n y t e s t si n d i c a t et h a tg r e a ti n f l u e n c et on e w l y m i x t u r eb yt h e m i nt h er e s e a r c ho ft h ef i b r er e i n f o r c e dc e m e n tm o l d i n gp r o c e s s ，i th a v e p r o b e di n t od i s p e r s i o no f f i b e ra n dv i b r a t i o nc o m p a c t i n gm o l d i n gp r o c e s se m p h a t i c a l l y t h em a i nf a c t o rt h a ti n f l u e n c ed i s p e r s i o no ff i b e ri nt h ec o u r s eo f p r e p a r a t i o ni sa sf o l l o w s ， m i x i n gm e t h o d ，f i b r em i x i n ga m o u n ta n dl e n g t h ，v i b r o c a s t i n g m e t h o da n dw a t e ra n d c e m e n tr a t i o e t c ；s t u d y i n g v i b r a t i o n c o m p a c t i n gm o l d i n gp r o c e s s i n d e t a i l ，t h e b e s t m o l d i n gp r o c e s so f t h ep r e s e r v a t i o n b o a r dt h a ti sm a d ec e r t a i n b ys t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c so f t h ef 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 ， a n a l y s ei n f l u e n c em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eb a s e do no r t h o g o n a lt e s tb y t h ef a c t o r ss u c ha s f l ya s h ，w a t e r - r e d u c i n ga g e m ，f i b r e ，e r e ，t h e nd e t e r m i n e t h eb e s tm i x i n g a r f i o u n t a d d i n g p o l y m e rg l u ei m p r o v ew a t e rr e s i s t a n c eo f f 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 ，a n df i n dt h e b e s tm i x i n ga m o u n to f t h ep o l y m e rg l u eb yt h et e s t t h e r ee x i s t sa d h e s i v e s t r e n g t h b e t w e e ng l a s sf i b r ea n dc e m e n tb a s eo ft h ef i b r e r e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e s t r e n g t hr e c e i v e db yb a s ep a s st of i b r et h r o u g ha d h e s i v e s t r e n g t h t oc o m et ot h er e s u l tf i b r er e i n f o r c e ds t r e n g t h a d h e s i v es t r e n g t hc a l lb ei m p r o v e d b yd e a l i n gw i t ht h ef i b r es u r f a c e t h e r ea r et w om a j o rw e a kl i n k s o fb o u n d a r yt h a ta r e a g g r e g a t e - - c e m e n t i n t e r f a c ea n df i b r e - c e m e n t i n t e r f a c ei nf i b e r r e i n f o r c e dc e m e n t c o m p o s i t e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ec r y s t a l l i n eg r a i nh e a v y ，s p a c e r a t er e l a t i v e l yh e a v ya n d t h el o o s es t r u c t u r ei ni n t e r f a c ed i s t r i c t a d d i n gf l y a s ha n dw a t e r - r e d u c i n ga g e n tc a n c h a n g ep e r f o r m a n c e o fd i s t r i c to fi n t e r f a c et os t r e n g t h e na d h e s i v es t r e n g t hi ni n t e r f a c ea n d i m p r o v e t h es t r e n g t h k e yw o r d ：f i b e r r e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e ；r o o f a g ec o m p o s i t ep r e s e r v a t i o nb o a r d ； n e w l ym i x t u r e ；m o l d i n gp r o c e s s ；r e i n f o r c e dm e c h a n i s m 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：e t 期：型：上； 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) 论文作者魏立蜂胳名：避隰一、； 第一章绪论 1 1 概述 墙体材料和屋面材料川是建筑工程中最重要的材料之一，我国传统的墙体材料与 屋面材料“秦砖汉瓦”已历史悠久。但由于实心粘土砖瓦保温隔热性能差，生产能耗 商，不符合现彳亍建筑设计规范中建筑节能的要求，更为严重的是毁坏耕地的现象十分 严重，己难以适应可持续发展战略要求。因此国家出台了许多限制或禁止使用实心粘 土砖的相关政策【2 | 特别强调要大力发展节能、节地、利废、保温、隔热等新型墙体 材料。世界上口1 许多国家在二十世纪二、三十年代己着手墙体材料改革，逐步推进墙 体材料的环保化，严格限制粘土砖( 制品) 的生产与使用，大力推广各种菲粘土类制 品及大尺寸的块材与板材。目前，西方发达国家的墙体材料正向纵深方向发展，提倡 建筑节能，不断提高新型墙材的生产比例，综合利用工业废渣，节能降耗，使产品系 列化与配套化，同时不断开发多功能的“绿色”材料。因此，当前发展方向是因地制 宜地利用地方性材料及工业废渣，生产轻质、高强、多功能和大尺寸的新型墙体材料。 伴随建筑结构大空闻、大柱网、大开间灵活隔断及坡屋顶的出现【4 l ，墙体和屋面 材料的发展趋势将是块状制品向板状品发展，单一墙体向复合墙体发展，重型体向轻 型墙体发展。因此。建筑板材越来越受到社会的青睐。国外建筑板材用于墙体和屋面 材料己占有相当份额。在我国近年来，纤维增强水泥制品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等迅速发展起来。许多专家和工程 师对这些纤维增强水泥基材料进行了广泛的研究，取得了许多有意义的研究结果并且 其中某些品种已经应用于工程建设中。 1 2 纤维水泥复合材料的国内外研究概况 1 2 1 纤维增强水泥复合材料的国内外发展动态 纤维增强材料历史悠久，我国根早就将稻草等与黏土混合后用于土墙或抹灰墙 中。到了近代【5 “】，于1 9 0 0 年开发了石棉水泥板。其后，其他各种纤维增强材料相继 被研究开发出来，如纤维增强树脂，纤维增强陶瓷和纤维增强水泥基材料等这些纤维 增强复合材广泛应用于各个领域。尤其是纤维增强水泥基复合材料更是得到迅速发 展，5 0 年代的玻璃纤维水泥( g r c ) ，6 0 年代的钢纤维水泥( s f r c ) ，8 0 年代的碳 纤维水泥( c f r c ) ，以至后来的纤维增强聚合物水泥，力学性能大幅度提高，用途随 之扩大。5 0 年代我国和苏联都探索用玻璃纤维增强水泥，但均因水泥水化的碱性侵 蚀而未成功。进入6 0 年代，新型纤维增强材料的出现，促进纤维增强材料的发展。 1 9 6 7 年英国建筑研究中心研制出含锆的抗碱玻璃纤维，促进玻纤增强水泥制品的迅 速发展。我国自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开发、对各种工艺条件下不同材料 配比的研究、对g r c 产品种类的研究开发以及对g r c 制品生产用工艺设备的研究开 发。纤维增强复合材广泛应用于现代生活的许多领域已为人类社会的发展做出了巨大 的贡献。 纤维加入脆性的水泥基体中，其主要作用是提高基体的抗拉强度和韧性，改善其 冲击强度和疲劳性能。纤维增强水泥基复合材料的基体1 5 _ 8 】，通常是普通波特兰水泥， 有时也采用高铝水泥和特种水泥。而用于增强的纤维除最早广为使用的石棉纤维外 还有钢纤维，玻璃纤维，天然植物纤维( 如木纤维，农作物纤维玉米秸、麦杆秸、黄 麻等) ，合成纤维( 如高模量的碳纤维，芳纶纤维和较低模量的聚丙烯纤维) 等。这些增 强纤维的性能、增强效果和制造成本差别较大。在纤维增强水泥基材料中，纤维的使 用状态和分布是多种多样的，既可以是长纤维的一维铺设，也可以是长纤维或者织物 的二维分布还可以是短纤维的二维或者三维不连续的乱向分布。因此，近些年来， 纤维增强水泥基复合材料的研究比较活跃，并取得了许多有意义的研究结果。 钢纤维是较早发展的一种纤维，在路面工程等中己得到广泛应用1 9 11 0 o1 9 1 0 年美 国人p o r t e r 提出均匀撒钢纤维于混凝土中以强化材料的设想后，钢纤维开始发展。钢 纤维的弹性模量和抗拉强度很高大约为水泥基材的5 倍以上，抗冲击、耐疲劳性好， 大大提高混凝土的抗拉强度，减小裂缝宽度，提高了混凝土的延性、抗冻融性；同时 钢纤维也可制成各种交截面形状，阻增加与水泥基材之问的握裹力。但是随着钢纤维 掺量增加，拌和物稠度增大，分散性差，搅拌时间长。搅拌成型困难，既增加对搅拌 机械的磨损，又增加混凝土的自重，引起施工困难。此外由于钢纤维价格昂贵，使得 混凝土造价过高，也是在普通工程中推广的一大障碍。 玻璃纤维增强水泥( 英文名称g l a s s f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ，缩写为g r c ) 是以 济南人学硕l 。学位论文 玻璃纤维为增强构料，以水泥净浆或水泥砂浆为基体而形成的一种复合材料“2 1 。 玻璃纤维具有很高的强度和模量，并且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 材料其低干容重，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 的容重可减低5 0 ：g r c 高的抗 弯强度、抗拉强度和高的抗冲击强度使得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，它不仅不怕潮混而且防火；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。但g r c 材料最大的 缺点是其在大气中暴露一段时间以后，强度和韧性会有大幅度下降。 碳纤维是六十年代开发研制的一种高性能纤维 1 3 】，具有抗拉强度高和弹性模量很 高、化学性质稳定、高性能( 耐热、耐蚀) 、抗蠕变。导电、传热和与混凝土粘结良好 等特性。用碳纤维做的复合材料己广泛应用在航天、航空高技术产品及高级体育用品 中。碳纤维的厂家主要集中在西方发达国家，产量最大的是日本东丽公司，其年产量 在3 0 0 0 吨左右。我国虽有数家工厂生产碳纤维，但都因年产量小、工艺不够成熟、 产品质量不够稳定、价格相对较高，所以很大地限制了碳纤维在国内地应用。 这些年来，合成有机纤维增强水泥基复合材料的发展异常迅速m 。4 。6 】。主要是 这类纤维抗拉强度高、抗碱性腐蚀优异，大幅度延长使用寿命，并具有优良吸收动能 的能力，但弹性模量一般均偏低；针对这类纤维的特点，当前主要研究合成纤维改性， 提高弹模，减小极限延伸率，以利达到增韧的同时，提高增强和阻裂的效果。总体来 说，国内对合成纤维的研究仍处于初始阶段，这也使得纤维在混凝土中的推广应用有 困难。由于国内生产技术落后，生产的纤维的抗老化能力，抵御酸、碱、紫外光线等 的能力不够，导致目前主要依赖进口，价格昂贵，很大程度上阻碍了其在国内的应用 和推广。 l _ 2 2 纤维水泥基复合材料研究 众所周知，以水泥为基体的建筑材料都有一个突出的特点，就抗压强度高，而抗 弯( 折) 强度、抗拉强度和抗冲击强度低，从而限制了其应用范围。发展混凝土构件 与水泥制品工业必须增加品种、提高性能、降低成本、扩大用途馆1 ，这些都需要 在水泥基材料上下工夫，包括丌创新的原材料组成、改进制作工艺、提高性能和增加 特种功能等。重视材料缺点的改进和新需求的出现，是推动水泥基材料以至制品发展 的重要条件。采用各种纤维材料与水泥基材进行复合化，改善性能是水泥基材料改进 的一个重要途径，提高实用价值和耐久性，使水泥基材料的缺点得到改进，性能大幅 度提高，扩大用途。使水泥基材料得到可持续发展。复合化的技术思路超叠加效应， 对材料高性能化有重要意义【旧】。对于水泥基材料高性能化发展来说，复合化是其发展 的主要途径，不仅有复合胶结材料，还有复合细掺料，复合外加剂，而纤维增强在复 合化中占有突出地位，在水泥基复合材料中对增加韧性、抗冲击性等起着关键的作用。 当今纤维增强水泥基复合材料己是复合材料中一重要分支，是一种有生命力的水泥基 复合材料。 纤维增强水泥复合材料i l “( f i b e rr e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e ，简称f r c c ) 是发 展薄壁高强制品的重要材料，能解决普通混凝土材料的脆性和重量大的缺点。其中纤 维的主要作用是在于减少因水泥基体收缩而引发的微裂缝并缩小其尺度，在受载荷初 期延缓与阻止基体中微裂纹的扩展并最终成为外载荷的主要承受者。由于纤维的拔出 或拉短，或者二种情况兼有而导致f r c c 的破坏。在纤维的外形、尺寸、物理力学性 能、掺量、取向及其与水泥基体的界面粘结等因素的综合影响下，使f r c c 的各项强 度指标和断裂韧性，与水泥基体相比有不同程度的提高。 影响纤维增强效果的因素主要有以下几个方面纤维种类；纤维的表面性 能。一般认为：纤维过长，长径比过高会影响水泥浆体的流变性，并且不易分散均匀： 纤维过短，长径比过低，则水泥混凝土的塑性和其它力学性能增效甚微【2 0 】；( d 纤维 与基体界面的粘结强度。纤维增强水泥混凝土的力学性能主要取决于基体的物理性 质、纤维的物理性质以及两者之间的粘结强度。当基体与纤维确定后，纤维与基体之 间的粘结强度就成为了决定硬化后物质性能的主要因素。将纤维异性化、对纤维进行 表面改性处理均可以增强纤维与基体之间的粘结强度：( d 纤维掺量，对于乱向短纤 维增强水泥复合材料而言为使基体开裂后的承载能力不致于下降，所需要的最小纤 维体积率称为临界纤维体积率。表1 1 列举了几种纤维的临界体积率【2 “。 表1 1 常川纤维增强混凝十类型昂l 纤维临界体积率 a b e n t u r 等 7 2 2 1 研究了纤维增强水泥基复合材料中的纤维与基体的界面，提出 了界面过渡区( i n t e f f a c i a lt r a n s i t i o nz o n e ) 的概念，认为这是一个厚度约为5 0 1 0 0 1 u n ， 邻近增强材料表面的区域，在该区域中物质的微观结构与水泥基体内部材料结构有很 大的差异。纤维直径和纤维间距会直接影响其界面粘接效果。 1 3 纤维水泥复合材料的成型工艺f 6 1 3 1g r c 制品成型工艺 1 3 1 1 喷射法 在喷射法工艺中。短切纤维和水泥砂浆通常由各自的喷嘴喷射到模具上，两者在 模具表面混合。水泥砂浆需先经粗筛滤去其中的结块料，然后经计量泵喂料至喷枪， 并用压缩空气雾化。为获得易干加工的混合料水和水泥之比值必须足够高，但也必 须注意要避免对制品强区产生过多的影响。当为了获得所需的工艺性而采用很高的水 和水泥比值时在喷射结束后需将过量的水分除去。玻璃纤维以粗纱形式送入切割喂 纤维，水泥复合材料的成型t 艺- i 性能研究 料机。切割机与喷枪相连，它将玻璃纤维切割成所需的长度，并送入水泥砂浆流中， 使之逐渐在模具上形成由纤维和砂浆组成的毡。由喷射法制造的g r c 制品中的玻璃 纤维含量通常是5 ( 重量比) 。 1 3 1 1 1 手工喷射法 在手工喷射法工艺中，由内操作人员操纵喷枪在模具上方作前后往复移动，并使 原材制的喷射流尽可能地垂直于模具表面，直至到达到所需厚度。当喷射料层达到所 需厚度后，还需进行辊压处理，以排除裹入的空气，并使玻璃纤维能被水泥浆完全浸 透。辊压处理对于保证制品获得模具的表面形状及提高复合材料的密度也很有益。最 后可对经辊压处理后的制品表面进行修整并进行手工压型，从而获得装饰的效果。用 这种工艺制好的g r c 制品，其一侧表面则为经过辊压，另一侧表而则为经过辊修、 修整或装饰后的表面。喷射结束后，用聚乙烯薄膜覆盖制品，次日脱膜，并移至养。 1 3 1 1 2 机械喷射法 上述的手工喷射法可进行机械化操作，用于制造平直的或浅型材。在机械化喷射 工艺中，模具一般保持静止，喷枪则按预定的方式移动。从而保证喷射料沉积均匀以 及纤维在复合材料中分布合理。机械化喷射法的生产效率比手工法高得多，通常可以 达到2 5 。3 0 千克产品分钟。 1 3 1 1 3 喷射脱水法 喷射脱水法最早是由英国建筑科研所作为手工喷射法的一种改进工艺研究成功 的，随后又进行了机械化改进，并用于g r c 薄板的全机械化生产。 为了使水分易于滤去，用于成型薄板的水平模具的底部必须是多孔结构，并覆盖 一层湿态强度很高的滤纸或多孔塑性材料作为过滤层。当g r c 料层沉积到适当厚度 时，从模具下方抽吸空气，在负压作用下使沉积料层中的水脱去。用这种方法可以使 砂浆中水和水泥的比例由通常的o ，5 5 降到0 2 5 0 3 0 ，从两使制品的初始强度得到相 应提高。所制薄板的上表面可进行修整或修饰而下表面则与过滤材料的纹理一致。 1 3 1 2 预混法 将短切纤维原丝与水泥、砂子、水和添加剂混合后进行浇铸成型制品的工艺称为 预混法。该工艺顾名思义分为两步：制备可使纤维均匀混入的砂浆，以及使纤维在砂 浆中均匀混合。纤维在砂浆混好后加入，从而可使纤维的损伤降低到最低程度。 早期的研究表明，玻璃纤维在混料机中的缠绕结成团导致纤维在基材中的分散性 6 很差，以及混合料的加工和配置困难。同时由于纤维的存在，基体中的水分易于沿着 纤维游离到材料表面因此，即使施加很低的压力，也会导致分凝和失水。解决这些 问题的方法是在混合料中加入少量的聚合物如聚环氧乙烯和甲基纤维素以改进湿态 混合料的性能。在玻璃纤维加入混合料进行混合之前，应先将纤维在聚合物溶液中浸 湿，使纤维具有一定的润滑度，从而提高其水相粘度这种方法可使纤维在混合料中 的分布更好，并有助于保持水分。 预混法g r c 混合料的配方随所制制品而定，通常砂子的含量为水泥重量的5 0 。 在水与水泥之比值较低时( 最好不超过o 3 5 ) ，加入添加剂可获得良好的加工性能。 预混法g r c 制品中玻璃纤维的含量( 重量比) 在4 0 o 以上，长度为1 2 - 2 5 m m 。 1 _ 3 1 3 缠绕工艺 纤维缠绕工艺广泛应用于玻璃钢工业中，特别是用于制造高技术产品。在g r c 工业中，这种方法目前使用得还很少，主要原因是成本比较高。 玻璃纤维无捻粗纱或原丝在水泥和砂浆中通过并被浸渍( 有时以散丝的形式通过 搅拌好的水泥浆槽) ，随后将此经浸渍的粗纱或原丝缠绕到以适当形式旋转的成型模 具或者心轴上，同时向该构架上喷射其余的砂浆及短纤维原丝，然后利用压实辊或采 用抽吸真空的方法将多余的砂浆和水分除去。即可制成密实度相当好的g r c 制品。 玻璃纤维原丝通常需保持一定的微张力，从而保证原丝在制品中的平直和排列。 1 3 1 4 手糊工艺 这种工艺也是从玻璃钢工艺中借用而来的，当用这种工艺制造g r c 制品时，可 采用多种玻璃纤维制品作为增强材料，如无捻粗纱、短切纤维毡或玻纤织物。采用适 当的模具或成型面，可成型各种形状和尺寸的制品。由于纤维增强材料很难直接被水 泥浆润湿，因此，最好预先使纤维被水泥浆润湿。将经润湿的增强材料铺放在模具内 或成型面上，用特制的刷辊糊上余量的水泥糊，并施加压力使之压实并成型适当的形 状。有时通过外部振动也能达到压实的目的。超过需要的多余水分可通过抽滤或压力 使之脱去。 1 3 2 空心板成型工艺 1 3 2 1 挤压成型工艺 机械生产轻质多孔隔墙板的方式，采用复合空心隔墙板挤压成型机，具有工艺先 进，保证质量，减轻劳动强度，提高生产效率，改善工作条件等优点。为生产高强度、 纤维水泥复台村料的j 戊型t 艺，性能研究 高质量的轻质复合空心隔墙板，实现大规模机械化生产提供了有效途径。成型机在水 泥平台上工作，通过螺杆的旋转挤压送料至成型腔，振动器带动振动板振动使松散的 ， 物料呈现准流体状态。在螺杆旋转推挤压力的作用下，被挤压密实，同时被挤压密实 后的物料对旋转螺杆所产生的反作用力，推动整机前进。当物料源源不断地从喂料口 送入时，成型机不断向前行走从而实现连续生产。 1 3 2 _ 2 立模成型工艺 立模成型空心类墙板始于制造石膏空心隔墙板，后来发展到成组立模、机械丌合 模到目前的机械抽芯管等制造技术。其特点是：产品平整度好，模具长度、厚度可调， 因而适应性较强，板材物理力学性能稳定，生产效率较高等。为降低板材的千缩值， 一方面采取振动下料与掺入适量超塑化荆降低水狄比，另方面采取无轻骨料大空心 率( 5 0 ) 的方式，这样既提高板材密实度又保持板材具有不太高的容重。成组立 模的发展方向应是生产工艺线的配套化及扩展到可生产夹芯类复合墙板上。 1 3 2 3 喷吸成型工艺 对于g r c 产品，其生产方式起源于手工喷射成型，喷射成型工艺早已用来生产 空心类墙板。在喷射成型工艺的基础上，增加真空脱水与芯管机械装拔技术，一方面 可通过抽真空过程抽掉多余水份。提高板材密实度以降低干缩值，另一方面可实现快 速抽掉芯管，以利于工业化生产。目前，喷吸法机械化流水生产工艺线已投入正常使 用，可年产3 0 万m 2 空心类墙板。 1 3 2 4 管振式成型工艺 该成型工艺主要采用三维钢丝网架作为增强材料，因此利用管振式空心墙板成型 工艺，避免了玻璃纤维耐腐蚀性问题。其工艺过程比较简单，大体可分为原材料准备、 物料搅拌、墙板成型、养护等步骤。具体工艺流程如图1 1 所示。 1 4 本论文研究内容 1 4 1 研究对象 由上面的论述可知，纤维增强水泥复合材料将会是2 l 世纪最热门的复合材料之 一。国家墙体改革与建筑节能政策和墙体材料发展趋势为新型墙体板材的发展提供广 阔的发展空间。屋面作为建筑物的重要部位之一，其防水隔热问题一直受到有关科技 济南人学坝i j 学位论文 界和工程界的广泛关注。我们所研制的屋面复合保温板的外观形状如图l | 2 所示。 图1 1 空心轻质墙板生产一l ：艺流程 面层1 5 3 0 。 户 ooo 口 l 一2 i 。o ：。= “4 s 。：。乙习 。二oj | ：奠 oo 。0 0 t 。 0o 图1 2 屋面复合保温板 该屋面复合保温板保温层和面层要求如下： ( 1 ) 保温材料 板的保温隔热性能主要取决于板的保温隔热材料层，选用阻燃自熄型聚苯乙烯泡 沫塑料，其密度大于等于1 8 k g m 3 ，符合g b l 0 8 0 1 标准。 ( 2 ) 面层材料 面层采用水泥砂浆材料，为增加板的结构功能，使其具有一定的抗冲击性和抗裂 性，在砂浆中加入短切玻璃纤维作为增强材料。 1 4 2 主要研究内容 本论文的主要研究内容是针对上述屋面复合保温板面层复合材料进行研究。首先 对纤维增强水泥基复合材料新拌料浆性能进行综合全面的研究；对纤维水泥复合材料 9 纤维，水怩复合材料的成型t 艺t j 性能研究 成型工艺进行研究，深入研究成型工艺中的纤维分散性，根据实际条件，选择振动密 实成型，并探讨振动参数的影响，确定出适合该屋面复合保温板的成型工艺；对该复 合保温板面层材料力学性能及耐水性能进行研究；为了进一步了解纤维增强水泥基复 合材料性能，深入探讨了纤维水泥复合材料的增强机理。 o 济南人学瑚i 学位论义 第二章实验原材料分析与实验方法 2 1 原材料及分析 2 1 1 水泥 新汶矿业集团特种水泥厂生产的r s a c 4 2 5 # r 快硬硫铝酸赫水泥。其化学成分见 表2 ，l ，水泥熟料的主要矿物成分见表2 2 。x 射线衍射分析进一步确定熟料成分，如 图2 1 。 表2 1 硫铝酸盐水泥化学成分 表2 2 硫铝酸盐水泥化学成分 图2 1 硫锅酸盐水泥的x 射线衍射图 。，。一，。，；，；，：堑堡垒些塑鎏丝塾墼堡墨三兰竺! ! 竺! ! ：一。，；：。：， 2 1 2 粉煤灰 粉煤灰为火电厂排除的干排狄，为灰色粉末，含有相当高的无定型硅质材料，其 主要化学成分重量百分含量如表2 3 所示。 表2 3 粉煤灰主要化学成分白分含量 2 1 3 玻璃纤维 山东泰安玻璃纤维有限公司生产的长度为8 一1 5 m m 的短切玻璃纤维，纤维的主 要性能如表2 4 所示，其化学成分见表2 5 。 表2 4 玻璃纤维的性能 表2 5 玻璃纤维的化学组成 2 1 4 中细砂 筛除大于2 5 m m 的颗粒，含泥量小于l ，无胶泥。 2 1 5 减水剂 高效减水剂( u n f ) 为粉状萘系高效减水剂，其中n a 。s o 。含量小于5 。 2 1 6 其他原材料 聚合物胶( 自配) 、苯乙烯、表面活性剂等购自化工商店。 2 1 7 胶凝材料的选择 胶凝材料作为纤维水泥基复合材料重要组成部分，是制品性能的决定性因素之 一。对于维增强水泥基复合材料，胶凝材料与纤维的相适性是决定纤维增强性能的主 要因素。 由于玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体中这样的碱性环境中极易失去其强度和 刚性。2 0 世纪5 0 年代术我国开发玻璃纤维增强水泥未获得成功的主要原因就是该材 料后期强度下降问题无法解决，也就是耐久性问题。 围绕玻璃纤维与水泥浆体相互作用的物化理论研究，薛君开2 7 1 等通过研究发现， 硅酸靛水泥水化过程中析出的大量c a ( o h ) 2 ，它与玻璃纤维中s i 0 2 发生不可逆的化学 反应，生成新的化合物水化硅酸钙，从而破坏玻璃结构使纤维丌始变脆，以后 便丧失强度。其化学反应式如下： x c a ( o h ) 2 + y s i 0 2 + n h 2 0 - - 4 x c a o y s i 0 2 ( 1 + n ) h 2 0 式中x 、y 之比接近l ，n 不固定。 根据前面研究，防止玻璃纤维侵蚀的主要途径是减轻或者杜绝c a ( o h ) z 与玻璃纤 维中s i 0 2 之间的化学反应。 首先研究一下硫铝酸盐水泥水化特性【2 8 9 1 。硫酸盐水泥主要是由含 3 c a o - 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 和2 c a o s i 0 2 等矿物的熟料与c a s 0 4 2 h 2 0 ( 石膏) 或c a s 0 4 ( 无水石膏) 混合而成。其水化反应主要有： 3 c a o 3 a | 2 0 3 c a s 0 4 + 2 ( c a s 0 4 2 h 2 0 ) + 3 4 h z o 3 c a o a | 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 + 2 ( a 1 2 0 3 3 h 2 0 ) ( g e l ) 2 c a o - s i 0 2 + 2 h 2 0 _ c a o s i o z - h 2 0 + c a ( o h ) 2 3 c “o h ) 2 + a h 0 3 3 h 2 0 + 3 c a s 0 4 2 h 2 0 + 2 0h 2 0 3 c a o a h 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 从上述反应式可以看出普通硫铝酸盐水泥与水反应后生成的c a ( o h ) 2 进一步与 石膏和铝胶二次反应生成钙矾石，因此普通硫铝酸盐水泥水化产物中不存在c a ( o h ) 2 析晶。 由硫铝酸盐水泥水化特性可以看出。由于水化产物中几乎不存在c a ( o h ) 2 ，水化 介质碱度较低，p h 值为1 0 5 1 1 。而硅酸盐水化介质p h 值达1 3 左右。水泥水化滤 液对玻璃纤维侵蚀影响如图2 。2 所示。 一，。：，。，一，一，。：璧：尘堡墨：! ：丝塑墼些! ：i 兰。：尘璧些! 兰，。，。，。，：。，。： 1 0 0 8 0 ； i 6 0 疆 蠢4 0 骥 2 0 0 371 42 l2 86 0 龄 | j j ( d 一系列l 一系列2 注：系列l 为硫铝酸盐水泥水化液对玻纤的侵蚀；系列2 为硅酸盐水泥水化液对玻纤的侵蚀 图2 28 0 水泥水化液中强度保留率 图2 2 是玻璃纤维在不同的水泥水化液中的强度变化。在硫铝酸盐水泥中的玻璃 纤维强度虽有所下降，但与硅酸盐水泥水化液比较，6 0 d 的强度保留率仍然很高。图 2 3 为不同水泥水化液侵蚀玻璃纤维s e m 照片。从微观照片也可看出，硅酸盐水泥水 化液对玻璃纤维的侵蚀较硫铝酸盐水泥严重。 r 1 齑f * m 圈2 3 ( a ) 硅酸盐水泥水化液浸泡2 8 d 玻纤 r 佰胃。1 自出o _ 1 图2 3 ( b ) 硫铝酸盐水泥水化液浸泡2 8 d 玻纤 图2 3 水泥水化液对玻璃纤维的侵蚀 由上述可知，硫铝酸盐水泥适合作玻璃纤维水泥复合材料的胶结材料，与玻璃纤 维有很好的相适性。本文中所用水泥如不特别注明均为硫铝酸盐水泥。 2 2 所用仪器及设备 ( 1 ) 药物天平、烧杯、量筒等若干 ( 2 ) 不同规格模具若干 ( 3 ) 振动台 ( 4 ) j s 1 9 5 胶砂搅拌机 ( 5 ) n j _ 一1 6 0 a 净浆搅拌机 ( 6 ) 水泥稠度凝结仪( 无锡建筑材料仪器厂生产) ( 7 ) n x s i i 型回转粘度计 ( 8 ) 1 0 l b 2 型电热鼓风恒温干燥箱 ( 9 ) y e _ 一3 0 液压式压力试验机 ( 1 0 ) l 锄6 型电动抗折试验机 ( 1 1 ) 扫描电子显微镜：s 2 5 0 0 型i r s c a n n i n g e l e c t i o n m i c r o s c o p e 电镜( 日本日立 公司) ( 1 2 ) x 一射线衍射仪：d m a x y a 型) 【射线衍射仪( 日本理学公司) ( 1 3 ) p o r e m a s t e r 6 0 全自动孔分析仪 ( 1 4 ) s s 1 5 砂浆渗透仪 ( i5 ) 粒径分析仪：l sp a r t i c l es i z e a n a l y z e r 2 3 基本性能测试方法1 3 0 - 3 2 1 2 t 3 1 抗折强度的测定 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 m m 4 0 m m 1 6 0 m 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是k n ，用下面的公式转化为m p a 。 纤维，水泥复合材料的成型t 岂，件能研究 o f = 3 p l 2 b h 2 式中，o r 抗折强度，m p a ；p 破坏载荷，k n ：i 跨距，c m ； 卜试样宽度，c m ；h 试样厚度，c l i i 。 2 3 2 抗压强度的测定 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 m m 4 0 m m 。将抗压央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。丌动机器，使试件在加荷开始后2 0 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： g 。= p f 式中 6 ，一抗压强度，m p a ； p 破坏载荷，n ；卜试样的受压面积， m m 2 。最后计算6 个试样的抗压强度平均值。 2 t 3 3 流动度的测定 按g b 2 4 1 9 8 1 规定进行。取一定量的水泥和砂予，水按预定的水灰比进行量取。 2 _ 3 4 稠度的测定 参照g b l 3 4 6 _ 7 7 中的测定方法进行。 2 3 5 坍落度试验 参照普通混凝土拌和物性能试验方法( g b j 8 0 8 5 ) 进行。 2 3 6 泌水率试验 采用内径为1 8 5 c m ，高2 0 c m 的带盖容器，先称容器筒重量，然后用湿布润湿容 器，将拌合物一次装入，在振动台振2 0 s ，抹平( 试样表面应比筒口低2 c m ) 。再称筒 加试样重量，加盖防止水蒸发。自抹面开始计算时间。在前6 0 m i n 每隔1 0 m i n 吸取泌 水一次，直至连续三次无泌出水为止。每次吸水前5 m i n 应将筒底一侧垫高约2 c m 使 筒倾斜，以便吸水。每次吸出的水注入带塞的量筒内，最后计算出总的泌水量。泌水 率按下式计算：