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玻璃纤维增强水泥制品(GRC)及工艺(一)  

2012-08-20 14:45:39|  分类: 玻纤类技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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玻璃纤维增强水泥(Glass fiber Reinforced Cement,缩写为GRC)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。
    从建材行业的发展角度来讲,大宗建材必须是可持续发展的绿色材料。水泥与水泥基材料是当今最大宗的人造材料。世界水泥产量已超过15亿t(我国目前的水泥产量也已达到世界水泥产量的1/3强),据此推算 ,水泥基材料总量在60-70亿t上下。估计所消耗的主要资源为优质石灰石15亿t。砂石集料40亿m3,排放的 CO2;(主要温室气体)12t以上,还有其他的有害气体与大量的粉尘,严重污染环境。如今后我国水泥年产量保持在5亿t,按合理的指标估算,每年消耗的能源。资源与造成的环境负担如表5-4所示。
玻璃纤维增强水泥制品(GRC)及工艺(一) - 泰~~~昌 - 不饱和树脂、玻璃钢树脂、钛白粉、水晶树脂
    可见不论我国,还是世界其他地区都必须依靠科技、人力节约能源,保护环境,否则水泥与水泥基材料将成为不可持续发展的材料。水泥基材料必须向高性能发展,向减少用量,延长寿命,增强功能,尤其是降低环境代价的方向努力。
    从1824年波特兰水泥问世以来,经历多次大的发展,以扩大用途与提高力学性能为主线:
    波特兰水泥→砂浆、混凝土→钢筋混凝土门(1850)→石棉水泥门(1900)→预应力混凝土(1929)→外加剂混凝土(1935)→聚合物水泥混凝土(20世纪50年代)→高强混凝土(20世纪70年代)→高性能混凝土(20世纪90年代)。
    纤维增强水泥基材料自石棉水泥到20世纪50年代的GRC(玻璃纤维水泥)、60年代的钢纤维水泥(SFRC)、80年代的碳纤维水泥(CFRC), 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。
    从材料发展史来看,原先所用的泥结卵石、草筋泥。火山灰石灰。各种三合土,以至近代的水泥基复合材料,都说明复合化是材料发展的主要途径之一。玻璃纤维增强水泥基材料是复合化的新成就,二战以来发展迅速。复合化的技术思路—超叠加效应,对材料高性能化具有重要意义,可用公式1+2 》3表示。例如在高性能混凝土(HPC)中就用多种复合,不仅复合胶结材料,还要复合细掺料,复合外加剂。玻璃纤维增强在复合化中占突出地位,在上述特高强水泥基材料中对增加韧性、抗冲性等起着关键作用。此外,还有多种水泥一玻璃纤维一聚合物复合材料,如玻璃纤维增强聚合物改性水泥。聚合物在水泥硬化体中提高了玻璃纤维与水泥石的粘结强度,使玻璃纤维的增强作用充分发挥,从而提高了延伸率和韧性(假韧性)。因此,抗折、抗拉。抗冲性大为提高,表现出明显的性能超叠加效应。自从石棉致癌问题提出后,性能优良的石棉水泥受到很大影响,但石棉水泥的工艺与设备在混凝土、水泥制品工业中是最先进的。以此为基础,开拓思路,努力创新,将各种玻璃纤维与优质水泥基材料(如HPC、UHPC)等结合起来,进行新的复合,使水泥基材料的缺点得到改进,性能大幅度提高,创造新的绿色建材,扩大用途,造福人类。
    以水泥为基体的建筑材料都有一个突出的特点,就是抗压强度高而抗弯(折)强度。抗拉强度和抗冲击强度低。采用纤维材料对水泥基材料进行性能改善,不失为一种行之有效的方法。有些纤维只能提高水泥基的抗弯(折)强度和抗拉强度,但不能改善其抗冲击性能;有些纤维只能提高水泥基体的抗冲击性能,但无法改善其抗弯强度和抗拉强度;而玻璃纤维不仅可以提高水泥基的抗弯。抗拉强度,还可以提高其抗冲击强度。玻璃纤维较高的抗拉强度(单丝抗拉强度可达1770-2550MPa)和较高的弹性模量(约为70GPa,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。30多年来国内外对玻璃纤维增强水泥性能的研究证明,在水泥基体中加人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2-3MPa,极限延伸变形为100-150με,抗弯(折)强度为 5-7MPa,抗冲击强度约为 2kJ/㎡,当加人4%-5%的玻璃纤维后,复合材料的抗拉强度达到9-12MPa,极限延伸 变形达到8000-12000με,抗弯(折)强度达到20-25MPa,抗冲击强度达到15-20kJ/㎡。少量的玻璃纤维加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,作为一种材料,特别是用于制造建筑构件的材料,人们更加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的复合材料来说,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,并且开始查明其侵蚀、脆化的机理,而且通过各种方法对玻璃纤维进行了改善。一方面提高了玻璃纤维的抗碱侵蚀能力,主要从两个方面进行改进,即或者是改变玻璃纤维的化学组成,或者是对玻璃纤维的表面进行耐碱处理;另一方面是对基体材料进行改性,或者是在波特兰水泥中加入火山灰质材料,以提高基体的强度和韧性,或者是在基体中加人聚合物,以阻止基体遭受物理和化学侵蚀,或者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Ca(OH2)的含量。日本、英国等采用的技术路线是抗碱玻璃纤维与改性波特兰水泥相复合。我国建材院采用的是抗碱玻璃纤维与低碱度水泥相匹配的“双保险”技术路线。较好地解决了玻璃纤维增强水泥的长期耐久性问题。经过加速老化试验推测,GRC的安全使用寿命至少为50年。玻璃纤维增强水泥耐久性的解决为此种材料的广泛应用奠定了坚实的基础。
    由使用抗碱玻璃纤维制造GRC制品并开始进人工业规模生产为起点,国际GRC制品行业迄今为止已经经历30个春秋。目前全世界有数十个国家和地区以不同规模生产和使用GRC制品,全球GRC制品的年产量估计为45万吨左右,其中产量最高者当推日本,年产量约为12万吨,美国GRC制品的年销售额已达1亿美元以上,全欧洲GRC制品的年产量估计不少于10万吨,其中德国约占半数。在亚洲,我国GRC行业的规模已在日益扩大,年产量已达到4-5万吨,新加坡、马来西亚等国以及我国台湾、香港两地区也已生产GRC制品多年。
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