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怎样增强菱镁技术服务力学性能的试验研究?

来源 : www.sdsjky.com   发布时间 : 2012-09-25

提高菱镁技术服务力学性能的试验研究?
1. 概述
菱镁制品是由轻烧氧化镁粉(MgO)和拌和剂溶液——卤水(MgCl2)拌合后,在空气中凝结硬化形成的制品。其优点是:制品不需要潮湿养护、凝结硬化快、强度增长快、强度高;碱性弱、腐蚀性低;对有机和无机材料或纤维具有较好的胶结性[1]。但菱镁胶凝材料也存在着易翘曲变形、耐水性能差、易吸潮返卤、夏季凝结时间过快而影响生产操作、密实性能差等缺点。这些缺点在加入合理适用的菱镁胶凝材料改性剂后,已经基本得到解决。
菱镁制品在建筑工程、市政工程及农业领域中的应用范围越来越广,例如:城市道路上的窨井盖、农业种植中的大棚支架、河道仿汉白玉护拦、建筑轻质隔墙板、屋面保温板、空调通风管道以及玻镁防火板等。随着菱镁制品的广泛应用,需要提高制品的各种性能,以保证在其满足使用要求,特别是在一些承重部分需要提高菱镁制品的强度来满足各种构件的使用要求。
菱镁制品作为无机材料,有些固有的缺点,不经过改性或掺加其它材料,仅仅依靠其本身是很难克服的,如抗冲击性能差、耐水软化系数低等一些问题。
在使用菱镁制品时,为了达到轻质的要求,往往添加锯末或稻壳粉来达到目的。但是在达到轻质目的的同时也降低了制品的强度,特别是当制品作为承重构件使用时,强度的降低对制品是无益的。菱镁水泥是气硬性材料,在空气中凝结硬化,当浸泡到水中时,强度降低非常显著,在潮湿或有水的环境中使用时,强度也会有很大的降低,笔者试用掺加水硬性胶凝材料提高菱镁水泥的耐水性能。在作为承重构件时,各种机械冲击对其使用寿命的影响很大,与有机材料相比,无机材料的脆性较大,韧性差,因此提高抗冲击性能是增加菱镁制品使用寿命的途径之一。
2. 原材料及实验方法
2.1. 试验所用原材料
① 轻烧氧化镁
辽宁省大石桥市产,外观呈淡黄色粉末,试验用轻烧氧化镁的化学成份见表1。                            
表1   轻烧氧化镁的化学成分
项目 MgO f-MgO CaO f-CaO n.n.n SiO2 Al2O3 细度
含量 85.69 65.31 1.61 1.44 7.44 1.86 0.80 150目筛余1.5%

② 工业氯化镁(又称卤片)
工业氯化镁(MgCl2·6H2O)俗称卤片,试验用卤片为山东海化集团产,主要化学成分见表2。                         
表2  试验用工业氯化镁的化学成份
项目 MgCl2   KCl NaCl CaCl2
含量% 46.50 0.36 0.66 0.59

③ 无机填充材料
无机填充材料均为固体粉状物料,其中活性硅粉为我院自己研制生产,外观呈粉红色的粉末;粉煤灰是从烧煤的发电厂锅炉烟气中收集到的细粉末,其外观呈灰色的球形,表面光滑,其松散容重为600-700kg/m3,因此可降低制品的重量;矿渣是高炉炼铁过程中排出的非金属矿物熔渣;无机填料的主要化学成分见表3。
表3   无机填料的化学成分
 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO n.n.n SO3 K2O Na2O
粉煤灰 48.45 31.26 6.93 2.5 2.07 6.26 1.05 0.67 0.31
活性硅粉 61.01 15.31 12.52 2.20 4.11 1.87   
矿渣 35.21 11.14 2.23 41.91 6.05 0.65   

④短切纤维
短切纤维为玻璃纤维厂生产的6-15mm的短切玻璃纤维,分别有聚丙烯纤维、中碱玻璃纤维以及涤纶纤维。
⑤稻壳粉
主要用作填充料,以降低制品容重。试验使用的是通过20目筛的细稻壳粉。
2.2. 试验基本条件
① 实验室温度:20±2℃;
② 卤水密度d = 1.23g/cm3,MgCl2含量在25%左右;
③ 轻烧氧化镁的活性含量在65%左右。
④ 采用4×4×16cm砂浆三联模成型,脱模后在标准养护温度下养护至规定的龄期,然后破型。试件在不同龄期分别做抗折、抗压和抗冲击性等试验。其中抗冲击试验是采用XJJ-5冲击试验机,抗折和抗压试验采用的WDW-100型电子万能材料实验机。
3. 无机填料对菱镁制品力学性能的影响及分析
所谓菱镁制品的力学性能,是指菱镁制品的抗折强度、抗压强度、抗冲击强度以及制品的耐水性(即泡水以后的湿强度)等。
笔者分别采用在菱镁制品中加入短切纤维和无机填充材料的方法来提高菱镁制品的力学性能。
3.1 短切纤维对菱镁制品力学性能的影响
笔者使用不同的纤维掺加到菱镁水泥中来提高菱镁制品的强度,实验中,使用一定比例的轻烧氧化镁、硅粉、砂、卤水、稻壳粉以及不同纤维成型得到试件,其中只有短切纤维的品种和用量发生变化,其他材料保持不变,试验结果见表4。
表4  掺加纤维对菱镁试件强度的影响
编号 纤维 28d抗折(MPa) 28d抗压(MPa) 60d抗折(MPa) 60d抗压(MPa) 28冲击(J/cm2)
型   号 长度(mm) 掺量(%)
1    11.9 48.5 14.6 51.2 0.360
2 聚丙烯 9 0.6 13.4 54.2 15.9 52.4 0.420
3 聚丙烯 9 1 13.1 56.2 16.2 63.4 0.498
4 聚丙烯 8 0.6 12.6 58.8 16.3 59.8 0.471
5 聚丙烯 8 1 13.1 58.6 17.1 63.6 0.538
6 聚丙烯 15 0.6 12.6 56.4 15.9 55.8 0.408
7 聚丙烯 15 1 16.1 67.0 19.8 78.3 0.497
8 玻璃纤维 9 0.6 14.6 57.2 17.9 64.0 0.487
9 玻璃纤维 9 1 14.6 57.6 19.4 67.0 0.386
10 涤纶纤维 6 0.6 13.4 58.6 18.3 66.8 0.492
11 涤纶纤维 6 1 13.4 63.0 19.2 79.0 0.500

由表4中可以看出,掺加纤维后菱镁试件的抗压强度、抗折强度和抗冲击性能均有提高。在表4的试验中同一种纤维掺加的量为0.6%和1%,纤维的用量增加,试件的强度也随之提高。以第11组试件为例,涤纶纤维的掺加量为1%,相对不掺加纤维的第1组,28天抗折和抗压强度分别提高了12.6%、29.9%,到60天抗折和抗压强度分别提高了31.5%、54.3%。使用纤维后试件的抗冲击性能明显得到了提高,掺加1%的纤维后,28天试件的抗冲击性能提高了38%。可见纤维掺加后,对菱镁制品的抗折、抗压以及抗冲击性能都有很大的提高。
当纤维掺加到料浆中,使其打开并分散成无数单个纤维。这些纤维呈各向均匀分布于整个料浆,使制品得到辅助的加强,以防止收缩裂缝,提高强度。纤维不对菱镁的化学反应产生任何影响,它完全是纯力学作用改善其工作和力学性能。
从数据上看,纤维掺加量增加试件的力学能得到提高,但是由于用量增加,纤维分散性能降低,在浆体中不能分散,虽然强度有提高,但是浆体的流动性降低很多,施工性能降低,而且成本也提高。笔者在掺加纤维到1.2%时,浆体的流动性较差,成型不密实。
笔者建议,可在菱镁制品中掺加0.6-1%的短切纤维,既可提高制品的力学性能,又可防止制品龟裂。
另外,在菱镁制品中不可掺加高碱玻璃纤维,因为高碱玻璃纤维遇水后,纤维中的K2O、Na2O会形成KOH、NaOH等产物,与玻璃纤维起骨架作用的SiO2发生反应,破坏了玻璃纤维的结构组成,降低了玻璃纤维的结构强度[2]。
2.2无机填充材料对菱镁制品力学性能的影响
笔者用不同的填充料加入菱镁水泥中,比较它们对强度以及耐水性能的影响。试验中保持轻烧氧化镁的用量不变,加入不同量的无机填充料,试验结果见表5。
表5  无机填充材料对菱镁制品性能的影响
编号 硅粉
% 矿渣
% 粉煤灰
% 28d强度(MPa) 浸水15d强度(MPa) 60d强度(MPa)
抗折 抗压 抗折 抗压 抗折 抗压
1    12.9 51.2 11.4 39.4 14.7 64.8
2 20   12.5 52.2 11.7 42.6 14.0 59.2
3 35   12.5 55.0 12.3 45.8 16.4 63.8
4 50   15.2 61.0 13.1 49.6 18.0 68.2
5  20  14.7 49.6 11.3 43.8 14.0 51.2
6  35  15.3 53.8 12.5 46.8 15.0 66.2
7  50  15.9 58.8 12.8 50.8 17.1 68.2
8   20 15.3 54.2 12.6 44.8 15.3 61.0
9   35 14.9 50.4 12.9 47.4 15.5 64.6
10   50 14.4 46.2 13.7 52.0 16.8 63.2

从表5中可以看出,活性硅粉和矿渣都是随着掺量的增加,试件的强度提高。相同的掺加量比较,掺加硅粉的试件抗压强度高于掺加矿渣的试件。但是掺加相同量的矿渣,试件的抗折强度提高幅度很大,明显高于掺加硅粉的试件强度。说明矿渣的掺加对菱镁制品的抗冲击性能有一定的益处。掺加粉煤灰后,随着掺量增加,试件的28天强度呈降低趋势,但是到60天,掺量的变化对试件的强度影响不大。掺加硅粉、矿渣和粉煤灰均能提高菱镁制品的耐水性能。以试件的抗压强度的软化系数举例说明:不掺加任何无机填料时,试件的软化系数为0.77。当掺加硅粉后软化系数提高到0.81以上,掺加矿渣后软化系数提高到0.85以上。加入粉煤灰后,随着粉煤灰的用量增加,试件耐水性能随之提高,当掺量达到50%时,浸泡14天后,软化系数大于1。
无机填充材料提高菱镁制品力学性能的机理,笔者认为有以下几方面:①晶粒细化效应。由于所掺入的无机填充材料均是细的粉状材料,可以使MgO颗粒在MgCl2溶液中分散更均匀,所形成的氯氧镁晶体晶格尺寸变小,变的密实;而且硬化反应中粉状颗粒表面和新生成的菱镁水泥硬化体产生界面反应,互相粘连在一起,改善了制品的微观结构,使制品的内部孔隙得到了充实,从而提高了制品的强度和耐水性能。②由于粉煤灰具有憎水性,使水分难以在孔隙中流动,Cl-和Mg+损失很少,因此制品的耐水性能得到一定的提高[3]。③加入的无机活性填料,都含有很多活性的SiO2、Al2O3、Fe2O3,在菱镁水泥中生成Fe(OH)3、Al(OH)3胶状絮凝物,堵塞内部毛细管通道,而活性SiO2受Mg2+、OH-、Cl-等激发,形成S-I凝胶:Mg2++OH-+Cl-+SiO2+H2O→M-Cl-S-H,硅518凝胶水稳定性好,而且其凝胶孔径较小,它本身不被水破坏,而且又保护内部518晶体,使硬化结构浸水时不受破坏[4]。
从试验看出,在菱镁制品中掺入无机活性填料后,可使力学性能和耐水性能都得到了很好的改善和提高,因此,要尽可能地掺入具有活性的无机填料,如粉煤灰、活性硅粉、硅灰、矿渣、炉渣、硅藻土等;但对于像滑石粉、石粉、石英粉等惰性材料要慎用,因为惰性的无机填料不仅不参与制品的反应,降低强度和耐水性,而且石粉中含有大量的CaO,容易使制品的后期性能变差,引起后期的开裂和变形等。
4. 结论
①在菱镁制品中掺加纤维,对制品的抗折、抗压和抗冲击性能都有明显的提高,在保证施工性能的情况下,随着纤维掺量的增加,强度提高更加明显。
②外掺无机填料的情况下,矿渣和硅粉的加入,可以提高菱镁制品的强度,并且提高了菱镁制品的耐水性能。
③外掺粉煤灰后,菱镁制品的早期强度有所下降,到60天时,与不掺加粉煤灰的制品强度基本持平,但是粉煤灰的掺加,大大提高了菱镁制品的耐水性能。

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