玻璃纤维在菱镁胶凝材料中的应用

1 概述
    在无机胶凝材料中，菱镁水泥即菱镁胶凝材料是其重要的分支之一，它主要应用于建筑工程、市政工程、公路交通、环保行业及农业生产中，其制品在代木、代钢等方面，显示出其优越性。与其它水泥不同，菱镁水泥不用水调和，而是由活性MgO与调和剂溶液（MgCl2溶液）拌合而成，得到一种碱式氯化镁（2Mg（OH）Cl）固化体，外表和强度似波特兰水泥，故称之为氯氧镁水泥，又叫菱镁胶凝材料。该胶凝材料于1867年由法国人Sorel发明；到1932年开始用通式xMgO·MgCl2·yH2O（x=1～10，y=10～21）表示其水化产物；1976年由 Sorrell和 Armstrong确定其低温下的水化产物为结晶相5Mg（OH）2·MgCl·8H2O（简称518相）、3Mg（OH）2·MgCl2·8H2O（简称318相）；后来又证实了518相比318相结晶快，而且有转变成318相的趋势，这种转化的首与MgO／MgCl2的摩尔比有关。
    我国菱镁矿资源丰富，已探明的矿藏就有30多亿吨，居世界储量的xx。氯化镁（俗称卤片、卤粉）更是产量可观，除各大盐厂生产的海产MgCl2外，仅青海盐湖的氯化镁储量就达19亿吨，可谓取之不尽。这就为氯氧镁水泥制品的生产打下良好的基础，如菱镁地板砖、活动板房、屋面保温板、中央空调的通风管道、城市道路上及住宅小区内的检查井盖、农业生产中的蔬菜、花卉大棚架及轻质隔墙板、玻镁防火板、装饰板等，为我国国民经济的发展作出了巨大的贡献。
2 菱镁胶凝材料的性能及应用
2.1 菱镁胶凝材料性能
    ①菱镁水泥是一种气硬性胶凝材料，即其终凝后只有在空气中才能继续凝结硬化，制品不能在水中养护。
    ②强度增长快，抗折、抗压强度高。其{yt}、七天的抗折、抗压强度能分别达到28天龄期强度的30％和80％。压折比为4～6，是一种韧性良好的无机材料。
    ③弱碱性、低腐蚀性。菱镁胶凝材料浆体滤液的pH值在8.0－9.0之间，这样就可以使用价格适中的中碱玻璃纤维作为增强材料，也可以利用一些植物下脚料（刨花、锯粉、稻壳、花生壳等）来改善胶凝材料的性能。
    ④对有机和无机材料或纤维具有较好的胶结性。
    但是，菱镁胶疑材料的缺点也很明显。①弱的耐水性能。普通的菱镁制品在水中浸泡28天，其强度会降低70～80％，耐水性很差．②易吸潮返卤。在潮湿的环境下（地下室）或处于多雨季节，制品表面出现大水珠，甚至水珠流淌。③易翘曲变形，密实性能差，夏季凝结时间过快，影响生产操作等。正是上述这些缺点妨碍了菱镁胶凝材料的大范围应用。
2.2 菱镁胶凝材料的应用
    为了克服菱镁水泥这些固有的弊病，人们进行了大量的研究、探索，特别是近十几年来，经菱镁工作者的潜心研究和不断探索，使用稳定的原材料、科学的生产配比、先进的改性技术，可以很好地解决菱镁胶凝材料耐水性差、表面易吸潮返卤和易翘曲变形的缺陷，使菱镁制品成为无机胶凝材料制品中一道亮丽的产品，产品也在建筑工程。市政工程、公路交通、环保行业及农业生产中得到了很好的应用。
    以菱镁胶凝材料做为胶结料，以玻璃纤维作为增强材料，以外加剂进行改性处理所生产的产品称为玻璃纤维增强菱镁材料。
    玻璃纤维增强菱镁材料的主要用途之一是替代木材。我国是一个人均森林拥有量极为贫缺的同家，而随着改革开放和经济的发展，我国对木材的需求量将持续增长，因此我国木材的缺口会越来越大，供求矛盾会更加突出。玻璃纤维增强菱镁材料具有材质轻、可锯刨、打眼、钻孔、吸音隔热等优点，同时还具有环保、不燃、吸水率低、握钉力大、抗折强度高等特点，是一种绿色环保产品（见表1），整体价格比木制品低30％～50％。近年来我国发展迅猛的玻镁平板和玻镁装饰板等，可替代建筑内装饰用的木板，并出口到美国、欧洲、东南亚、非洲、南美洲等世界近一百多个国家和地区，每年出口约1亿平米。国内使用每年节约木材超过1000万立方米。

玻璃纤维增强菱镁材料的主要用途之二是替代部分玻璃纤维增强材料（玻璃钢）制作成各种制品，由于不燃、耐磨、生产成本低，同时菱镁胶凝材料本身是一种无机非金属材料，不存在热固塑料难于分解，污染环境的隐患。可以制作成无机玻璃钢通风管道，替代过去的有机玻璃钢风管；可以制作成各种工艺制品、花盆等，替代以前的不饱和树脂生产的花盆等。现在，广东、福建、浙江、上海、江苏等沿海省市，用玻璃纤维增强菱镁材料制作的花盆大量出口美国、西欧等国家。
    玻璃纤维增强菱镁复合材料，可根据条件和对材料性能的要求进行设计，制作成高强度材料、导电材料、耐磨材料、柔韧性材料等。耐磨性材料，其耐磨性低于花岗石，高于大理石；韧性材料，其薄板厚度可小于木质三合板，但强度和柔韧弯曲性能可与木质三合板比美。总之，玻璃纤维增强菱镁复合材料符合生态环保要求，产品性能优良，具有显著的经济效益和社会效益，是玻璃纤维有应用潜力的产品之一。
3 玻璃纤维在菱镁胶凝材料中的应用现状
3.1 玻现纤维的类别
    玻璃纤维是一种无机非金属的矿物纤维，由于成分不同，可以划分为不同的种类，常见的可以拉制成纤维的玻璃种类和主要性能见表2。
    玻璃纤维的种类很多，但菱镁胶凝材料中使用的增强玻璃纤维主要有玻璃纤维布，玻璃纤维毡以及短切玻璃纤维原丝，主要作用是提高菱镁胶凝材料制品的抗折强度、抗冲击强度和抗拉强度，增加制品的韧性。考虑到菱镁胶凝材料的磁性比较低（pH值为8.0～9.0），因此使用中碱玻璃纤维（C）就可以了，视产品的不同可选用玻璃纤维布或短切玻璃纤维原丝或玻璃纤维毡。
3.2 玻璃纤维在菱镁胶凝材料中的应用现状
    我国的玻璃纤维工业始于1958年，1962年开始起草编写了系列玻璃纤维标准。上世纪90年代中期，随着同家经济的腾飞，玻璃纤维工业得到了飞速的发展，在菱镁胶凝材料中也得到了广泛的应用，如轻质隔墙板、通风管道、玻镁平板、玻镁装饰板、屋面保温板、检查井盖、工艺制品、花盆等；由于菱镁胶凝材料中含有较多的Cl-（6％～11％），而Cl-的腐蚀性使得不能用钢筋作为菱镁胶凝材料的增强材料，因此，玻璃纤维已成为菱镁胶凝材料不可替代的增强材料，就如同混凝土中的钢筋一样不可或缺。
    玻璃纤维按其含碱金属氧化物含量的不同，分为高碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维和耐碱玻璃纤维。由于菱镁胶凝材料的碱性较低（浆体滤液的pH为8.0～9.0），属低碱水泥，因此，增强纤维使用中碱或无碱的玻璃纤维即可。早在1995年，国家建材局就下发了354号文《关于严禁陶土坩埚生产的玻璃纤维用于玻璃钢和其他玻璃纤维增强建材制品的通知》规定，陶土坩埚玻璃纤维布一旦用于建材制品中一律判为不合格。但近年来，许多的菱镁制品企业为了片面地追求降低成本，采用了以废玻璃为原料，用陶土坩埚拉丝的高碱玻璃纤维作为增强材料来生产通风管道、轻质隔墙板、玻镁装饰平板、检查井盖、屋面板等产品，严重地降低了制品的耐久性，导致xx丧失玻璃纤维的增强作用。
    高碱玻璃纤维应用到菱镁胶凝材料中，在空气湿度变大或遇到水后，纤维中的Na2O、K2O会形成NaOH、KOH等产物，与玻璃纤维中起骨架作用的SiO2发生反应，破坏了玻璃纤维的结构组成，对菱镁制品起不了加筋增强的作用，时间一长就会导致制品开裂、变形、强度大幅度降低，危及人身安全，影响工程质量，因此菱镁胶凝材料中要严禁使用高碱玻璃纤维。
    根据国家发展和改革委员会工业[2004]872号文件，关于下达2004年行业标准项目计划的通知，编制《菱镁制品用玻璃纤维布》行业标准。由中国菱镁行业协会和山东省建筑科学研究院负责组织有关单位对标准进行了编写。该标准WB／T1036－2006于2007年7月1日起正式实施。
该标准适用于作为菱镁制品增强材料用的玻璃纤维织造网布，并规定了菱镁制品不允许使用高碱玻璃纤维布作为增强材料。主要产品规格见表3。
4 影响玻璃纤维增强菱镁胶凝材料性能的因素
4.1 玻璃纤维增强菱镁胶凝材料的生产工艺
    以改性玻镁平板的生产工艺为例，见图1。

4.2 玻璃纤维的加入方式、配向及层数
    玻璃纤维增强菱镁胶凝材料的性能除了与原材料、生产配方、成型工艺以及养护制度等因素有关外，还与玻璃纤维在料浆中的加入方式、配向及层数有关。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的大小和方向是不同的。一张板材在外力的作用下，其内应力的分布情况是越接近板材的表面，内应力越大；越接近中间层，其应力越小，直到中性层，其内应力为零。
    玻璃纤维的加入方式和配向一般可以用效力指数来表示，几种配向具体的效力指数见表4。
    在保证料浆和玻璃纤维布有充分的渗透和粘接的条件下，玻璃纤维布层数越多，制品的强度会越高，这也是经过试验证明的。
    因此，要获得菱镁复合材料高的力学性能，需要将玻璃纤维分布在接近制品表面的地方，而且需要顺向，分布均匀。
4.3 玻璃纤维与料浆的粘接（握裹力）
    菱镁胶凝材料是以轻烧氧化镁和工业氯化镁溶液拌和制成的菱镁水泥料浆，基体是一种无机胶凝材料，料浆的稠度很大，浸润、渗透玻璃纤维的能力很差，而成型时玻璃纤维和基体的界面粘合xx是机械式的结合，通过料浆对玻璃纤维的渗透使纤维和基体“铆”在了一起。为了传递应力，就必须使基体和增强材料的表面之间有良好的粘接或较大的握裹力，它与料浆介质的接触面有直接关系，即与纤维在料浆中的分散均匀有关。对不同的玻璃纤维而言，取决于浸润剂的品种、含量以及所处的状态；而对于同一种纤维，就仅仅取决于接触面积。一根纤维，其接触面等于纤维的周长乘以纤维的长度，当纤维的直径确定后，其表面积主要取决于纤维的长度。因此，应尽量采用长玻璃纤维并无曲度，同时能高度分散或均匀定位。同时还要求玻璃纤维的浸润剂有良好的成膜组分，以利于纤维与料浆充分接触，提高料浆对纤维的握裹力。
5 菱镁行业对玻璃纤维的总需求估算
    菱镁制品中，使用玻璃纤维网格布的主要有：玻镁平板、玻镁装饰板、轻质隔墙板、复合保温板、复合保温屋面板、通风管道、建筑模板、波形瓦、保温鸡舍、农业用蔬菜大棚骨架等，使用玻璃纤维毡的主要有：工艺制品、花盆、壁画、假山等艺术品，而为了提高菱镁制品的韧性、抗冲击能力以及提高制品的抗裂性，上述制品都可以不同程度地掺入一部分短切玻璃纤维原丝。
    据初步统计，现在我国菱镁行业每年使用轻烧氧化镁粉约500万吨，每年需要使用玻璃纤维布或玻璃纤维毡约20万吨，短切玻璃纤维原丝约4万吨。由于菱镁水泥比普通硅酸盐水泥的碱度低得多，用于菱镁复合材料的主要原料：轻烧氧化镁（MgO）的pH=10～11，工业氯化镁（MgCl2·6H2O）溶液的pH＝5～6，配制后的料浆的pH＝8～9，碱性很低，属于低碱水泥；而基体材料凝结硬化后，制品内部比较干燥，对玻璃纤维的腐蚀性较小，所以菱镁制品使用的增强材料基本以中碱玻璃纤维为主，辅助使用无碱玻璃纤维和抗碱玻璃纤维等。
6 结语
    （1）菱镁制品是一种性能优良的无机胶凝材料，在我国原材料储量丰富，因此应重视并加大在这方面的研究和开发，使其满足国民经济发展的需要。
    （2）我国菱镁行业制造菱镁产品对玻璃纤维的年总需求量约为24万吨。菱镁胶凝材料中使用的增强玻璃纤维主要有玻璃纤维布，玻璃纤维毡以及短切玻璃纤维原丝，由于菱镁材料中Cl-含量高，因此，玻璃增强纤维已成为菱镁胶凝材料不可取代的增强材料，就如同混凝上中的钢筋一样不可或缺。
    （3）菱镁胶凝材料的碱性低，属低碱水泥，困此可使用中碱玻璃纤维作为菱镁制品的增强材料，但不允许使用高碱玻璃纤维。
    （4）使用玻璃纤维时，要正确的掌握玻璃纤维的加入方式、配向、料浆与玻璃纤维的握裹力等要素，使玻璃纤维真正地起到增强“筋”的骨架作用。