玻璃纤维增强菱镁板力学性能的研究

玻璃纤维增强菱镁板力学性能的研究

张兴福 曹永敏 崔洪涛

（山东省建筑科学研究院，济南，250031）

摘要：通过几种因素对玻璃纤维增强菱镁板力学性能影响的研究，找到了提高复合材料力学性能的措施，通过综合改性措施，研究成功超过JC688-2006玻镁平板标准要求的菱镁板。

关键词：玻璃纤维增强菱镁板 抗弯强度 抗冲击强度

玻璃纤维增强菱镁板是由轻烧氧化镁、卤水、改性剂、玻璃纤维等原料，采用防火板专用生产线生产而成，具有防火，耐碱，隔音保温，不霉不腐，可锯可钉，无毒无味，使用寿命长等特点。广泛应用于建筑，装饰，消防等领域，尤其适合餐厅，宾馆，商场等的装修以及地下室，人防和矿井等工程，是替代各种胶合板、密度板、刨花板、纸面石膏板等板材的更新换代产品，属国家装饰协会重点推荐的绿色环保建材。

玻璃纤维对菱镁板增强机理可用纤维对水泥基体系增强作用进行解释，纤维对水泥基体系的增强作用，目前通常采用两种理论^（1）来解释。其中之一是由英国Swamy,Mangat提出的”复合材料机理”。主要从复合材料的混合原理出发，将纤维增强的水泥基体系看作纤维的强化体系，即认为纤维掺入后，水泥基体系强度、抗裂性等与纤维的掺入量，方向、长径比以及粘结力有关，纤维品种不同，与水泥基体系基体的界面作用大小不同；基体中纤维的含量、分布及长径比等，都会影响纤维的增强效果。下面针对上述理论分别从几个方面进行研究。

1 试验部分

1.1 试验用原料

1.1.1轻烧氧化镁，采用辽宁省海城一菱镁粉厂产品，其化学成分见表1。

     表1轻烧氧化镁粉的化学成分

1.1.2氯化镁：选用山东省海化集团的产品，具体指标见表2：

表2氯化镁的化学成分

1.1.3锯粉：细度：通过10目筛，含水率＜10%,掺加量一般占轻烧氧化镁重量的10-30%。

1.1.4玻璃纤维布选用

众所周知，在玻璃纤维制造技术相同的情况下，无碱比中碱的强度高15-25%，中碱比高碱的强度高10-15%，而抗碱介于无碱和中碱之间^（3）,抗碱和无碱玻璃纤维价格较高，高碱玻璃纤维强度低且不耐腐蚀,所以中碱玻璃纤维用于菱镁制品的加筋材料较合适,选择厚度0.2、0.4mm厚中碱玻璃纤维网格布作试验。

1.1.5菱镁胶凝材料性剂

山东省建筑科学研究院研制生产的缓凝剂,抗吸潮返卤剂(符合菱镁胶凝材料改性剂WB/T1023-2005标准)。

1.2 试验方法

1.2.1试件制作

先在模具内涂脱模剂，再制备胶结料(胶结料配方见表3)，然后铺一层胶结料约厚一毫米，再铺一层玻纤布，按照这种方式，用不同的玻璃纤维布层数分别成型250×250×10mm³板材，抹平、盖上塑料薄膜，室内自然养护，24小时脱模，养护28天后其中3块板测抗弯强度⁽²⁾,一块切割成120×15 mm²尺寸5块测抗冲击强度⁽²⁾。

   表3胶结料配方

表3中卤水比重为1.20g/cm³

1.2.2试验仪器

水泥胶砂搅拌机JJ-5，抗弯试验机TYE-10，摆锤抗冲击试验机XJJ-5。

2 试验结果及分析

2.1玻纤布层数对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

在玻璃纤维增强菱镁板材中，玻璃纤维布层数对抗弯强度大小起较大作用，表4数据表明，抗弯强度随玻纤布层数的增加而提高。

表4玻璃纤维布层数不同对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

     表4中使用的玻璃纤维布为0.2mm厚中碱玻璃纤维网格布。

2.2玻璃纤维布铺设方式的影响

     采用同样层数的玻璃纤维布，制作同样厚度的板材， 纤维布采取不同的铺设方式，板材的抗弯强度不同，结果见表5。

表5玻璃纤维布铺设方式对玻璃纤维增强菱镁板材力学性能的影响

表5中1^#采用在板材两表面铺设玻璃纤维布的方式，2^#采用在板材厚度方向均匀铺设玻璃纤维布的方式，1^#强度比2^#高出26.9%。众所周知^（3）：一个物体在外力的作用下，它在各个不同的部位所产生的内应力大小、方向是不同的。例如：一块板材在外部荷载的作用下(如果在弹性受力阶段)其内应力分布情况是越接近板材的表面，其应力越大，越接近中性层其应力越小，直到中性层，其内部应力为零。这也就是说，在板材厚度中心线附近的玻璃纤维根本起不到增强作用，这样就可以解释1^#比2^#强度高的问题。

2.3纤维含量不同对玻璃纤维增强菱镁板材冲击强度的影响

按照1.2.1试样制备方法,表6中玻璃纤维布层数制备试样,测得抗冲击强度,具体结果见表6。

表6纤维含量不同对玻璃纤维增强菱镁板材冲击强度的影响

从表6中看出，纤维含量增加了，抗冲击强度增加114.6%，增加了一倍还多。菱镁水泥属脆性材料，抗冲击强度的高低主要取决于玻璃纤维布的强度。

2.4 表面刮涂树脂对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

用表3的胶结料, 0.2mm厚玻璃纤维布3层成型250×250×10mm³板9块,养护28天后,3块直接测抗弯强度,其余6块板材中3块一组表面分别刮上表7中2^#和3^#的树脂，利用树脂具有很高的粘结强度和抗弯强度特点，可以明显提高复合后板材的抗弯强度。

表7表刮涂树脂对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

在玻璃纤维增强菱镁板表面刮树脂约一毫米厚，加一层0.2玻纤布，抗弯强度分别提高47.1%和36.8%。

2.5胶结料粘结力对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的影响

    菱镁胶结料是无机脆性材料，为降低板材密度，增加韧性，材料中还要加入部分锯粉，锯粉颗粒较粗，造成浆料较粗糙，对玻璃纤维的浸润、渗透能力很差，对玻璃纤维的握裹力较小。玻璃纤维菱镁水泥板在破坏试验时，纤维有两种失效方式^（4），其一是玻璃纤维从水泥中拔出；其二是玻璃纤维在复合材料受弯或冲击时，玻璃纤维剪切断裂。根据复合材料力学原理，纤维的拔出取决于纤维与水泥基体的界面摩擦阻力，摩擦阻力越大，纤维越不易拔出，此时纤维会断裂。界面摩擦阻力与胶结料粘结力、纤维表面处理剂性能、纤维的长度、直径等因素有关。

表8胶结料粘结力的影响

表3中均铺设3层0.2mm厚玻璃纤维布,1^#锯粉加量较多，胶结料抗折强度较高，说明是锯粉的纤维增强作用的结果；抗压强度较低，说明加入较多的锯粉后，降低了料浆的握裹力，对玻璃纤维布粘结力较小，这也可以解释板材抗弯强度较低的问题。

2.6 改性玻璃纤维增强菱镁板材性能

   综合运用上述成果,掺加山东省建筑科学研究院生产的缓凝剂,抗吸潮返卤剂研制的玻璃纤维增强菱镁板，综合性能见表9。

表9改性玻璃纤维增强菱镁板材性能

经过改性的玻璃纤维增强菱镁板材，物理力学性能完全能满足或超过JC688-2006玻镁平板的要求，冲击强度是要求最小值的6.4倍，握螺钉力是要求最小值的1.5倍，干缩率是要求最小值的36%，湿涨率是要求最小值的30%。

3  结论

(1)胶结料对玻璃纤维的粘结力越大,玻璃纤维增强菱镁板材力学性能越高；

（2玻璃纤维含量越高，玻璃纤维增强菱镁板材力学性能越高。

（3选用合适的玻璃纤维布铺放方式，能充分发挥玻璃纤维布对玻璃纤维增强菱镁板材抗弯强度的提高作用。

（4）用环氧树脂或196树脂刮涂玻璃纤维增强菱镁板材表面，提高了复合材料抗弯强度。

（5）经过综合改性研制的玻璃纤维增强菱镁板材，性能超过JC688-2006玻镁平板的要求。

参考资料：

（1）马捷等.纤维增韧技术在建筑腻子中的应用，化学建材，2007（23）.4

(2) 玻镁风管JC/T646-2006

 (3) 丁茂林.中碱玻纤在氯氧镁复合材料中的作用，玻璃纤维，2000.3.

（4）邓德华.MgO/MgCl₂摩尔比对玻璃纤维氯氧镁水泥复合材料力学性能的影响，混凝土与水泥制品，2001.5

(5) 玻镁平板JC688-2006

(6) 菱镁胶凝材料改性剂WB/T1023-2005

作者简介：张兴福 山东莱州人，1965年3月出生，研究员，从事菱镁胶凝材料改性剂及配套技术研究，电话：15866637035  E-mail:[email protected]