無機玻璃鋼通風管道應用現狀分析

   無機玻璃鋼通風管（又稱玻璃纖維氯氧鎂水泥通風管）是以氯氧鎂水泥為膠結料中堿玻璃纖維為增強材料、加入填充材料和改性劑等所制成的一種管材。它具有不燃燒、屬不燃材料A級，耐腐蝕、強度高和重量輕等特點。在建筑工程、地下工程及工業廠房的通風中，它已經完全取代了不耐燃的農業生產體系玻璃鋼通風管，并在逐步取代預防性能差的鍍鋅鐵皮通風管。尤其是在濕度大的地下工程和長江以南地區，它的優越性更為顯著。近年來其應用普及全國各地。然而，通過氯氧鎂膠凝材料的研究及制品的檢驗，發現無機玻璃鋼通風管在生產中及工程應用中仍存在一些質量問題。有的質量問題嚴重影響了工程的使用壽命，應引起大家足夠重視。
   l通風管的質量問題
   1．l外觀質量
   （1）吸潮返鹵。在一組試樣的3塊板上各任意切取150×150mm試樣，放入相對濕度≥90%，溫度30－40℃的恒溫恒濕箱中，24h及48h后取出觀察有無水珠或變潮。這是檢驗制品在高溫高濕的環境中表面的潮濕情況。產生吸潮返鹵的主要原因是硬化體中殘留的MgCl2溶液因蒸發作用，在靠近表面的縫隙中析出MgCl2·6H2O晶體，而MgCl2·6H2O晶體是強吸潮劑。當空氣相對濕度非常大時，這些晶體會吸收空氣中的水分，在制品表面凝結造成表面掛滿水珠，嚴重時出現水珠連成一片形成流淌現象。如果空氣濕度變低，硬化體表面水分蒸發，留下了斑斑白跡。所以，含有未反應完全MgCl2的鎂水泥硬化體在使用和存放過程中會隨著環境濕度的不同發生吸潮返鹵-干燥的反復文化。這種變化不僅影響了制品的外觀質量，而且降低了制品的耐水性和使用壽命。
   （2）泛霜。用肉眼觀察或用手指抹管表面，看到有白色鹽析出物，這就是泛霜。通過化學分析可知這層白霜的主要成分是MgO和Mg（OH)2。在配料中，如果出現MgO過剩，未與MgCl2反應的MgO又與空氣中的水分發生反應生成白色的Mg（OH)2。另外，所用鹵水中含有可溶性的堿金屬鹽類；如KCI、NaCI等。在水化過程中，可溶性減金屬鹽沿著制品的微細孔擴散到表面，當水分蒸發后就留下白色的殘余物，形成所說的“泛霜”。泛霜可造成制品褪色、泛白、顏色不均勻等。
   （3）翹曲變形。通風管道大多是一些薄壁、大幅畫的產品，在生產和使用過程中經常出現翹曲變形的問題。主要原因：①鎂水泥在自然養護條件下其體積是一個連續膨脹過程，其線膨脹率為0.1~0.2%，體積膨脹率約為1%；②菱鎂礦在服燒過程中不可避免地產生局部過燒，使一部分MgO呈死燒狀態，過燒的MgO水化過程很慢，當已形成強度的水泥石中的MgO再遇水進行水化時，生成Mg（OH)2，體積膨脹120%；③輕燒氧化鎂中游離CaO水化時體積膨脹90％，而鹵片中存在著SO42-，當Ca（OH)2轉化成石膏時，固體體積將增加2倍以上，導致制品變形，這也是限制輕燒氧化鎂中游離CaO含量、鹵片中SO42-含量的原因；④MgO－Mg－C12－H2O系統水化過程是一個強烈的放熱反應過程，而生產的管道體積又大，若環境溫度較高，則反應升溫過程，板材本體溫度過高，反應不充分，造成非常大的結晶應力和熱膨脹應力，使制品體積膨脹。
   1．2力學性能
   （1）抗彎強度低。標準 JC646－ 1996 對抗奇強度的指標和檢驗方法都作了詳細的規定，主要是考慮了通風管道是薄壁（3~8mm）、大幅面（可達5~6m2）的產品，而且長期懸空使用，使用壽命要求在30年以上，所以抗彎強度是一項非常重要的力學性能指標。抗彎強度低的主要原因是①使用了不合格的玻璃纖維布，如高喊布或玻璃絲布的經緯都太稀疏、或是玻璃布厚度太薄；②鋪放的玻璃公布層數太少，達不到標準的要求。
   （2）耐水性差。通風管道長期在潮濕的環境下使用，其力學性能不顯著降低的性質稱為耐水性。通風管道使用的環境比較復雜，如地下、防空洞、煤礦等地方基本長期處于潮濕的環境，而長江以南地區濕度更大，這要求通風管道必須有良好的耐水性。但普通的或改性效果不好的管道耐水性很差，軟化系數只有0.2~0.4，即強度喪失60~80%，基本失去使用性能。通風管道水化硬化的主要產物是518相（五相）和 318相（三相），兩者皆為晶體結構，一般是針桿狀形態。它們相互交叉搭接，穿插排列成網狀結構，變成堅固的水泥石而產生較高的機械強度。但三、五相在結構上屬亞穩態，它們晶體間相互交叉穿插，但并沒有結合成整體；只是類似于石膏晶體相穿插，粘附形成一體；在網狀結構中存在著大量熱力學不穩定的接觸點，當暴露于水中后，晶體間的穿插和吸附作用消失，易發生水解，使制品耐水性變差。
   （3）韌性差、脆性大是通風管道在安裝、維護中所經常遇到的問題。在這一過程中，制品肯定要受到外來非常大的撞擊和壓力，如腳踩、手按、重物的碰施、甚至是受銳器的強烈沖擊等。制品表面受到破壞，或產生放射狀大裂紋或產生網狀細裂紋，降低了管道的耐久性。較直觀的檢驗是用剛脫模或養護好或安裝前的管道，大面朝上用手向下用力按壓，韌性差的管道會發生“嘎巴、嘎巴”似管壁斷裂的聲音，人更是不敢站上去；韌性好的管道卻聽不到任何聲音，人站在管道上面有一種顫悠悠的感覺。
   2影響質量的主要因素
   2.1輕燒氧化鎂
   輕燒氧化鎂是天然菱鎂礦經800－900℃煅燒，MgCO3分解成MgO，再經磨細而成。鎂水泥所用的氧化鎂必須具有活性。氧化鎂的活性是指它與水或MgC12溶液混合后具有發生水化反應的能力，亦稱水活性。話講氧化鎂也是衡量輕燒粉質量和進行配料計算的重要依據。活性氧化鎂含量總是比總氧化鎂含鎂要低。這之間的差值一是在低燒中與燒失較相關的氫氧化鎂和碳酸鎂含量，二是反應活性很差的過燒氧化鎂，而過燒氧化鎂的存在使制品體積安定性變并。平常人們講的“80粉”、“85粉”都是指總氧化鎂含量，所以要把這二者區別開來。
   現在菱鎂行業使用的輕燒氣化鎂標準是JC／T449－91“建筑材料用菱苦土”，后來又修改為JC／T449－2000“鎂質膠凝材料用原料”。這兩個標準的主要控制指標為總Mgo、游離CaO、燒失量、凝結時間、細度和安定性；但都未設活性MgO指標。容易給生產配方計算帶來失誤。新制定的菱鎂行業標準WBT1019-2002“菱鎂制品用輕燒氧化鎂”已于2002年 11月 1日起實施，該標準中增加了活性MgO含量指標，并規定MgO的檢驗方法。筆者建議通風管使用一等品以上的輕燒氧化鎂。
   2.2工業氯化鎂
   工業氯化鎂是氛氧鎂水泥的調和劑。它以MgCl2·6H2O形式存在，有海產和鹽湖產兩種。前者分鹵塊、鹵片等，后者主要足結晶體。目前市場上流通的一部分海產氯化鎂質量較差，主要足NaCl、KCL、CaCl2、SO42-等有育雜質合錄過高，從而引起制品吸潮返鹵、泛霜、變形等弊病，因此生產中應嚴格控制其化學成分，建議通風管使用的工業氯化欽指標如表1。
    表1 通風管用工業氧化鎂控制指標

化學成分 MgCl2 KCl NaCl CaCl2 SO42-
含量／% ≥45 ≤0.5 ≤1.0 ≤0.5 ≤2.8
   2．3增強玻璃纖維布
   由于鎂水泥漿體的PH值在8．5－9．5，比硅酸鹽水泥漿體的12．5－13低的多，因此可以用中堿玻璃纖維網布來做通風管道的增強材料。玻纖布的厚度及鋪放層數對通風管道的抗奇強度和抗沖擊強度有很大影響。 JC646－1996標準對通風管道中玻璃纖維布的厚度及鋪設層數都作了明確規定，見表2。筆者發現，由于社會上不正當的價格競爭，一部分生產廠又開始使用國家明文規定嚴禁使用的陶土坩堝拉制的高堿玻纖布。在山東德州、武城，河北棗強。江蘇宜興等地，部分銷售商和生產廠使用的0.4mm玻纖網布價格只有 0．45元m（幅寬 0.9m），真實的中堿布反而不好賣，出現了一種不正常現象。通風管中使用高堿布，在短期內產品強度也很高，處理好也能達到國家標準，但試驗表明，一年后管道的強度下降約40％，以后強度還要逐年降低，而且管道還會開裂、粉化等，因此應特別加強對玻璃纖維布的管理和使用。
   表2  無機玻璃鋼通風管對玻璃纖維布的鋪放要求

圓形風管直徑或矩形風管大邊長 鋪設玻璃纖維布層數層
 
風管管體                              法蘭
 
玻璃纖維布厚度mm
mm 0.3 0.4 0.3 0.4
小于300 5-6 4-5 8-9 7-8
320-500 7-8 5-6 10-12 8-9
530-1000 8-9 6-7 13-14 9-10
1060-1500 9-10 7-8 14-16 10-11
1600-2000 12-13 8-9 16-18 14-15
大于2000 14-15 9-10 20-22 16-18
   2.4生產配比
   通風管道的生產配比主要根據MgO／MgCl2、H2O／MgCl2。兩個比值來計算，MgO／MgCl2越大，強度越高；H2O／MgCl2越小，強度越高。但要注意比值對吸潮返鹵性、變形及科漿和易性的影響。生產中出現的一個誤區是很多人把MgO／MgCl2中的MgO看成是總MgO，而實際上一是參與化學反應的活性MgO的量。筆者建議，通風管配料的MgO／MgCl2為7－9，H2O／MgCl2為15一18，但也要根據溫度。濕度以及填充材料的不同來進行調整。
   2.5養護條件
   在溫度20－35℃、相對濕度60一70％的室內環境下，成型24h即可脫模，脫模后不要立即拆除表面的聚脂薄膜，保溫保濕養護3一5d。養護溫度過高會引起制品內水分快速蒸發，水化反應過早地停止，導致制品泛霜、翹曲變形；溫度過低會延緩能機硬化速度，延年脫模時間，降低強度；現在有的生產企業受生產場地限制，沒有專門的養護室，脫模后的管放到室外露天堆放。更有甚者，成型后即把管連同模具一起放于室外，遭受太陽的暴曬。有的企業受模具數量限制，上午成型的管道僅凝固5個多小時就脫模，以便下午再次使用模具。這些做法都會破壞管道的早期性能，并危機后期性能。
   3改性技術的發展
   針對現在通風管道存在的種種不足，經系統試驗研究，研制成功第三代菱鎂膠凝材料改性劑。該技術通過了山東省科技廳鑒定，申報了發明專利，并成功地應用于通風管道中，解決了通風管道的種種弊病。
   3.1改善表面性能
   通過外加改性劑的方式可大幅提高管道的表面質量，使其不吸潮返鹵、不泛霜。原理如下：①改變管道的表面性能，使其親水性降低；憎水性提高，并將游離的MgCl2。屏蔽起來；②外摻的改性劑具有很強的減水功能，可在保證料漿流動性、和易性不變的前提下，降低料漿中的鹵水用量，亦即是降低了游離MgCl2的含量，料漿水灰比的降低也減少了制品的毛細通道，同時提高了制品的耐水性；③加入一些無機活性填料，加活性處粉、硅灰、粉煤灰等，活性SiO2能與體系中過剩的 Mg2+反應，生成抗水性較強的MgSiO3膠凝結品化合物。
   3．2提高耐水性能
   改性劑提高耐水性的機理：可以改變硬化相的結晶外貌，使518相變得更細小、更致密。通過電鏡分析知道，未改性的鎂水泥體主要是一些針桿狀結晶，在此網狀結構中存在大量熱力學不穩定的結晶接觸點，遇水易發生水解。改性后的結構以短棒狀或板塊狀品體為主，耐水性得到提高；加入的高分子聚合物能在絡合物周圍產生高聚物并包覆Mg（OH)2結晶體，形成良好的防水保護層，同時堵塞結晶體中的毛細通道。
   3．3改善力學性能
   主要途徑是，①在體系中摻入增韌劑，增強系統中農業生產體系物和無機物之間的親和力，起到分子橋的作用，從而使制品具有良好的抗沖擊性和韌性；②加入消泡劑，可有效地減少料漿中的氣泡，從而提高制品的密實度，提高度度和耐水性；并能改善管道的發面質量。
   3．4 改善料裝件和物的性能
   加入緩凝劑，可延長料漿的初凝時間，提高和易性，并能提高制品的強度和耐水性。這一部分的內容，筆者已在“新型建筑材料”2002年第 7期作了詳細介紹，在此不再重復。
   應則該技術生產的改性無機玻璃鋼通風管道，經國家防火建筑材料質量監督檢驗中心測試，性能符合JC646－1996標準中一等品的要求，見表3。
   表3 改性無機玻璃鋼通風管性能
   表觀密度g·cm-3 吸水率% 執彎強度MPa 軟化系數 法蘭抗沖擊強度kj·m-2
實測值 1.6 10 90 0.92 30
   4 結束
   （1）無機玻璃鋼通風管道具有不燃燒、耐腐蝕、強度高、重量輕等優點，現已成為通風管道的優選產品，市場前景廣闊；
   （2）氯氧鎂膠凝材料固有的耐水性差、易吸潮返鹵、泛霜、易變形等弊病嚴重降低了通風管過的使用質量，如不完全解決將影響該行業的發展；
   （3）在無機玻璃鋼通風管的生產中，要嚴格控制主要原材料的質量指標，切實做到不合格的原料不進廠，并嚴格生產工藝和生產配方，這是保證產品質量的基礎；
   （4）新一代改性劑的使用可改善通風管的表面質量、提高抗彎強度、韌性及耐水性、并改善拌和物的成型性能，從根本上克服氯氧鎂材料的弊病，提高其質量和使用壽命。