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本文以玻璃纤维增强氯氧镁水泥材料(简称玻镁材料,Glass fiber Reinforced Magnesiumoxychloride Cement,GRMC)的耐久性能为主要研究对象,进行了浸水、冻融、碳化、喷淋-热辐射循环和热水加速寿命等试验。通过分析各试验条件下试件的抗弯强度和变形特性,研究了GRMC的耐久性规律。运用x射线衍射仪(x-ray diffractometer,XRD)等手段分析试样的微观物相组成,并结合扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)观察微观形貌,探讨GRMC材料耐久性失效的微观机理。同时依据热水加速寿命试验的结果,初步建立了GRMC材料的寿命预测方法。本文的主要研究成果如下:
(1)干燥状态下,GRMC材料弯曲韧性减小,材料变脆,抗弯强度变化不大;潮湿状态下,材料断裂挠度增大,抗弯强度和初裂强度减小,材料变软,容易开裂。
(2)冻融试件和浸水试件的弯曲力学性能基本相同,即冻融循环对GRMC材料抗弯力学性能影响很小。喷淋-热辐射试验条件下,虽然GRMC试件弯曲力学性能下降,但以干燥条件为基准时,其抗弯强度保留率均在50％以上,在室外日晒雨淋条件下具有较好的耐候性。
(3)氯氧镁水泥基体的主要水化产物为氯氧化镁5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O(5·1·8)。双掺复合抗水剂和矿渣的MSGP1样品的5·1·8以凝胶相为主,未经改性的M基准样品5·1·8以杆棒状和片状结晶相为主。5·1·8相稳定性与其结晶形态有着紧密联系,其中以凝胶相稳定性最优。
(4)快速碳化可以提高GRMC弯曲力学性能。GRMC水泥基体中的5·1·8碳化为碳化氯氧化镁[Mg(OH)2·MgCl2·2MgCO3·6H2O(1·1·2·6)],碳化后结构密实度变大,且纤维和基体粘结良好。微观物相组成及微观结构的变化是GRMC试件碳化后强度明显增大的主要原因。
(5)GRMC碳化后耐久性能变差。氯氧镁水泥的碳化产物1·1·2·6极不稳定,遇水易分解生成水菱镁矿[4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O(4·1·4)],析出MgCl2,导致结构疏松,进而造成弯曲力学性能急剧下降,耐久性失效。GRMC快速碳化试件室外性能稳定性远低于未碳化试件,双掺复合抗水剂和矿渣可以有效减缓GRMC的碳化进程。
(6)GRMC长期力学性能退化特性如下:弯曲荷载-挠度曲线的弹性阶段缩短;初裂抗弯强度和极限抗弯强度、初裂挠度和极限挠度均在波动中下降;弹性模量在使用前期下降明显,而后在波动中缓幔下降。其耐久性失效微观机理为:氯氧镁水泥基体中的5·1·8相不稳定,在CO2和水份共同影响下,5·1·8会发生碳化-分解和分解-碳化的双重作用,碳化-分解作用的初级产物是1·1·2·6,终极碳化产物是4·1·4;分解-碳化作用的初级产物是Mg(OH)2,终极碳化产物是MgCO3。物相变化造成水泥基体结构疏松,同时玻璃纤维腐蚀,最终导致材料失效。
(7)通过大量的SEM观察发现:5·1·8稳定存在时,氯氧镁水泥材料中的玻璃纤维表面基本保持光滑,没有明显的化学侵蚀。说明5·1·8的长期稳定存在,可很大程度上减缓氯氧镁水泥材料中的玻璃纤维腐蚀破坏进程。另外发现,水泥基体碳化对中碱玻璃纤维无损害。
(8)综合比较后,双掺复合抗水外加剂和20％矿渣的MSGP1配比具有较优秀的耐久性。
(9)GRMC材料的强度损失速率与加速老化温度关系密切,符合Arrhenius型美系。南京佳汇新型建材有限公司生产的双掺复合抗水外加剂和20％矿渣改性后的玻镁外墙挂板在北京地区服役寿命超过24a,北方寒冷地区的服役寿命超过66a。