玻璃纖維增強(qiáng)水泥研究進(jìn)展

李勇

【摘 要】本文綜述了近期關(guān)于玻璃纖維增強(qiáng)水泥的一些研究成果。玻璃纖維增強(qiáng)水泥是一種新型建筑材料，具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗沖擊性能。綜述的主要內(nèi)容包括：玻璃纖維增強(qiáng)水泥的耐久性；玻璃纖維增強(qiáng)水泥的一些實(shí)驗(yàn)研究成果；玻璃纖維增強(qiáng)水泥的施工技術(shù)及在工程中的應(yīng)用等。并對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)水泥的未來(lái)應(yīng)用前景作了展望。

【關(guān)鍵詞】玻璃纖維增強(qiáng)水泥；耐久性；最佳配合比

0.前言

GRC是玻璃纖維增強(qiáng)水泥的英文名稱Glass fiber Reinforced Cement的縮寫，在GB/T16309—1996《纖維增強(qiáng)水泥及其制品名詞述語(yǔ)》中的定義為：用玻璃纖維作增強(qiáng)材料，水泥凈漿或砂漿作基體組合而成的一種復(fù)合材料[1-12]。它不但具有優(yōu)良的抗拉、抗彎、抗沖擊性能，還具有抗裂性好、重量輕、易模性好、加工方便、不怕潮、不燃燒等優(yōu)點(diǎn)。上世紀(jì)40年代，歐洲就開始研究玻璃纖維混凝土（以下簡(jiǎn)稱GRC）。60年代初，德國(guó)專家進(jìn)行了早期的試驗(yàn)研究工作。隨后英國(guó)、奧地利、瑞典等國(guó)也相繼從事玻璃纖維增強(qiáng)水泥的研究，從而產(chǎn)生了一系列的GRC產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于GRC的研究主要集中在如何提高其性能和適用范圍這兩大板塊。本文對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)水泥的耐久性和相關(guān)實(shí)驗(yàn)成果作了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)其應(yīng)用和發(fā)展前景作了概述。

1.玻璃纖維增強(qiáng)水泥的耐久性

國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)GRC長(zhǎng)期性能下降的機(jī)理提出了許多學(xué)說(shuō)。歸納起來(lái)，GRC長(zhǎng)期性能下降的機(jī)理主要包括以下幾點(diǎn)[2]：（1）水泥水化后孔溶液中的OH-離子對(duì)玻璃纖維硅氧骨架（-Si-O-Si-）的侵蝕，即典型的化學(xué)侵蝕機(jī)理；（2）由于界面區(qū)Ca（OH）2晶體生長(zhǎng)所產(chǎn)生的壓力造成的破壞；（3）玻璃單絲與水泥水化產(chǎn)物膠結(jié)處形成的應(yīng)力集中原因；（4）水泥水化物填充了玻璃纖維間的空隙，使玻璃纖維的變形自由度下降，導(dǎo)致GRC的破壞。曹巨輝，汪宏濤兩人[2]通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)得出耐久性的改善主要有以下幾個(gè)方面：（1）改變玻璃纖維化學(xué)成分；（2）基體的改性；（3）玻璃纖維表面涂覆處理；（4）界面改善。

2.玻璃纖維增強(qiáng)水泥的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

2.1納米SiO2對(duì)GRC性能的影響研究

曹巨輝等[4]利用水、粉煤灰、硅灰、納米SiO2、玻璃纖維、砂、減水劑等材料。通過(guò)流動(dòng)性試驗(yàn)：按CB/T2419-94《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》，膠砂比為1：2，玻璃纖維摻量為試件體積的2%，水膠比為0.5。得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（1）納米SiO2適量摻入GRC體系中，可以提高GRC的流動(dòng)性及強(qiáng)度；隨著納米SiO2摻量的增加，GRC的流動(dòng)性降低；采用納米SiO2與減水劑、水先混合均勻后再與水泥一起混合攪拌，有利于GRC的強(qiáng)度發(fā)揮。（2）納米SiO2作為高活性摻合料，可改善GRC的耐久性能。

2.2粉煤灰硅灰改善GRC加速老化條件下的力學(xué)性能

曹巨輝[5]利用42.5R普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、硅灰等材料通過(guò)試驗(yàn)研究了GRC加速老化條件下的力學(xué)性能，此方法通常分為50℃和80℃熱水兩種方法，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：用粉煤灰、硅灰等活性摻合料改善普通硅酸鹽水泥GRC 的耐久性是有效的。粉煤灰摻量50%、硅灰摻量10%的GRC試件在50℃熱水中加速老化56d強(qiáng)度仍保持增長(zhǎng)，在80℃熱水中加速老化11d強(qiáng)度保持繼續(xù)增長(zhǎng)。將粉煤灰磨細(xì)，加入硅灰以及使用硫酸鈉早強(qiáng)劑可提高GRC早期強(qiáng)度， 但硫酸鈉會(huì)降低GRC老化后期的強(qiáng)度。有關(guān)粉煤灰、硅灰改善GRC耐久性的微觀機(jī)理及加速老化試驗(yàn)方法的適用性還需做進(jìn)一步研究。

2.3玻璃纖維對(duì)GRC復(fù)合材料耐久性的影響

汪宏濤等[6]選用42.5R普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、硅灰、玻璃纖維、中砂、減水劑等材料，用GRC加速老化法，即50℃和80℃熱水加熱兩種方法。得出以下結(jié)論：（1）玻璃纖維束通常由許多玻璃纖維單絲粘結(jié)在一起，其分散成玻璃纖維單絲的速率及存在狀態(tài)對(duì)GRC的性能有著非常重要的影響。（2）加速老化條件下，以預(yù)混型短切玻璃纖維為增強(qiáng)材料的GRC比以水分散型短切玻璃纖維為增強(qiáng)材料的GRC表現(xiàn)出更好的耐久性；而ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.7%的耐堿玻璃纖維要比ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.5%的玻璃纖維表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性。（3）與長(zhǎng)度為20mm的玻璃纖維相比，以長(zhǎng)度為12mm的玻璃纖維配制的GRC表現(xiàn)出更好的耐久性。（4）玻璃纖維摻量體積分?jǐn)?shù)為2%和4%的GRC加速老化抗折強(qiáng)度變化曲線基本一致，但摻量體積分?jǐn)?shù)為4%的玻璃纖維GRC強(qiáng)度要低于2%時(shí)同條件下GRC強(qiáng)度，其原因主要在于纖維摻量偏大會(huì)造成玻璃纖維分散不均勻，GRC密實(shí)度低。

2.4玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料耐水性能的研究

趙帥等[7]利用水泥；玻璃纖維等材料。按照一定的配比配置玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料試樣C0～C3，測(cè)試其抗壓軟化系數(shù)和孔隙率。其中試樣抗壓軟化系數(shù)的測(cè)試方法：制得尺寸為40mm×40mm×160mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，放在溫度為20±0.5℃，相對(duì)濕度大于90%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)7d，接著在40±2℃烘箱內(nèi)烘至干，測(cè)得絕干強(qiáng)度。然后泡水24h測(cè)得飽水強(qiáng)度。軟化系數(shù)分為抗壓軟化系數(shù)和抗折軟化系數(shù)。得出如下結(jié)論：摻加外加劑A或聚合物乳液K，在一定程度上提高了玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的耐水性能，同時(shí)摻加外加劑A和聚合物乳液K，可以進(jìn)一步的提高玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的耐水性能。結(jié)語(yǔ)：提高玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的耐水性能，可以通過(guò)一些改性方法得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)摻加適量的外加劑A和聚合物乳液K就是方法之一。

2.5玻璃纖維增強(qiáng)水泥的最佳配合比研究

王紅霞[8]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了：GRC中玻璃纖維摻量P的增大，抗壓強(qiáng)度基本上呈降低趨勢(shì) 在P不太大時(shí)，隨著P的增加.抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度 和彈性階段抗拉彈性模量呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)P增大到一定程度（約為1.5%）后，抗拉增加不明顯，抗彎與彈性階段抗拉彈性模量則明顯開始下降?？梢缘贸?，當(dāng)采用拌臺(tái)法制作GRC時(shí)，玻璃纖維摻量應(yīng)控制在1.5%左右，此時(shí)的抗壓強(qiáng)度降低不多，而抗拉、抗彎強(qiáng)度與抗拉彈性模量均較高，施工也較方便。

2.6 GRC（FRP）模板與硅復(fù)合梁的試驗(yàn)研究

王紅霞和向忠兩人[9]探討了GRC（玻璃纖維增強(qiáng)水泥）與FRP（玻璃鋼）作為永久性模板的可行性，即利用GRC和FRP具有易成型、較高的抗拉強(qiáng)度特點(diǎn)、形成模板/ 混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過(guò)拉伸、彎曲等試驗(yàn)對(duì)比，論證了GRC和FRP永久性模板各自的特點(diǎn)及對(duì)混凝土梁起到結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用。主要證明了：（1）不論GRC或FRP均能大幅度地提高混凝土梁的抗彎強(qiáng)度，永久性模板對(duì)混凝土起到了增強(qiáng)作用。（2）GRC與混凝土的界面復(fù)合性能要優(yōu)于玻璃鋼與混凝土的結(jié)合，但GRC模板的塑性不如FRP 模板。（3）通過(guò)對(duì)FRP 模板內(nèi)表面采取措施后，能改善其與混凝土的界面結(jié)合強(qiáng)度。

2.7玻璃纖維增強(qiáng)水泥在加固砌體抗剪中的研究

王紅霞等[10]在研究GRC在對(duì)磚砌體墻的開裂進(jìn)行加固修復(fù)的抗剪強(qiáng)度和阻裂性能時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：（1）在水泥砂漿中摻加少量的耐堿玻璃纖維形成GRC材料的抗拉強(qiáng)度和阻裂性能大大提高。用GRC加固磚砌體可顯著提高其抗剪強(qiáng)度、改善受力性能。（2）用GRC加固的墻體在水平力作用下根據(jù)加固層厚度的不同可發(fā)生粘結(jié)面剪壞和加固層剪壞兩種破壞形態(tài)，在工程應(yīng)用的范圍內(nèi)加固層厚度大于20mm時(shí)均能發(fā)生粘結(jié)面剪壞的破壞形態(tài)。

3.GRC的應(yīng)用及其發(fā)展前景

3.1玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用

馬景峰和陳立君兩人[11]總結(jié)出玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的施工技術(shù)：（1）預(yù)拌成型法；（2）壓制成型法；（3）注模成型法；（4）直接噴涂法；（5）噴射抽吸法；（6）鋪網(wǎng)一噴槳法；（7）纏繞法。并發(fā)現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)混凝土在應(yīng)用中存在的問(wèn)題：1）在生產(chǎn)過(guò)程中玻璃纖維不易在混凝土中均勻分散而易纏繞成團(tuán)，不僅影響了混凝土的性能，而且還影響了新拌混凝土的和易性。2）具有較好的增強(qiáng)效果的一些玻璃纖維價(jià)格較貴，增加了混凝土的成本。

3.2 GRC制品在建筑工程上的應(yīng)用及其發(fā)展前景

崔玉忠[1]總結(jié)出建筑工程中常用的GRC制品，包括以下幾種類型：（1）GRC輕質(zhì)多孔內(nèi)隔墻條板（2）GRC外墻保溫板（3）GRC通風(fēng)管道（4）GRC外墻外裝飾制品。除了上述幾種GRC制品之外，近年來(lái)在建筑工程上使用的其它GRC材料制做而且也取得較好效果的建筑構(gòu)件有陽(yáng)臺(tái)欄板，陽(yáng)臺(tái)隔板，網(wǎng)架屋面板，雨蓬板等。在轟轟烈烈發(fā)展的同時(shí)也出現(xiàn)了一些不好的現(xiàn)象，有些單位或者是不了解GRC材料的實(shí)質(zhì)和基本技術(shù)要求，或者是為了貪圖眼前利益，隨便用普通水泥和普通玻璃纖維混合起來(lái)就稱之為GRC材料。一是材料的選用錯(cuò)誤，給長(zhǎng)期使用留下了隱患；二是纖維的摻量不夠，摻量太低就得不到所期望的增強(qiáng)增韌效果；三是連續(xù)玻璃纖維的配放位置不正確，當(dāng)構(gòu)件受到外加荷載時(shí)，纖維難以發(fā)揮增強(qiáng)作用。這些不正當(dāng)?shù)淖龇?，造成了GRC產(chǎn)品的市場(chǎng)混亂，直接損害了玻璃纖維增強(qiáng)水泥這種新型材料的聲譽(yù)。

根據(jù)建設(shè)部《關(guān)于推廣應(yīng)用住宅建設(shè)新技術(shù)新產(chǎn)品的公告》中，首批住宅技術(shù)“外墻保溫隔熱技術(shù)”和“廚房煙氣排放系統(tǒng)”中可分別使用GRC外墻保溫板和GRC通風(fēng)管道，首批住宅產(chǎn)品中將“耐堿玻纖低堿水泥隔墻板”列為非承重內(nèi)墻材料；八部委局《關(guān)于推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化提高住宅質(zhì)量的若干意見(jiàn)》中指出：“積極發(fā)展各種新型砌塊、輕質(zhì)板材和高效保溫材料，推行復(fù)合墻體和屋面術(shù)，......”、“積極發(fā)展通用部品，逐步形成系列開發(fā)、規(guī)模生產(chǎn)、配套供應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)住宅部品體系。重點(diǎn)推廣并進(jìn)一步完善已開發(fā)的新型墻體材料、防水保溫隔熱材料、輕質(zhì)隔斷......”。GRC制品良好的性能和有關(guān)政策的頒布，為建筑工程用GRC制品提供了發(fā)展機(jī)遇，相信GRC建筑制品會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。

4.結(jié)論

縱觀GRC的發(fā)展歷史和如今的各項(xiàng)相關(guān)研究，我們不難看出GRC的耐久性和相關(guān)力學(xué)性能相當(dāng)出色，但是其發(fā)展的腳步卻無(wú)法跟上高速發(fā)展的建筑技術(shù)，原因在于GRC作為一種新型材料還未被人們所熟知和接受。但是GRC也有很多問(wèn)題急待解決，如GRC的配比需要有更簡(jiǎn)便易行的施工方法；GRC材料的使用需要有更便捷的流通渠道；GRC材料的使用范圍需要更深入到建筑的各個(gè)部分；GRC材料的經(jīng)濟(jì)性需要更趨向于合理化；相信解決了這些問(wèn)題之后的GRC作為一種新型建筑材料定能發(fā)揮出他應(yīng)有的價(jià)值。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]崔玉忠.GRC制品在建筑工程上的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J].混凝土與水泥制品，2000 （z1）：108-110.

[2]曹巨輝，汪宏濤.玻璃纖維增強(qiáng)水泥耐久性研究的進(jìn)展[J].建筑技術(shù)，2004（4）：266-269.

[3]韓靜云，蔣家?jiàn)^.歐洲玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）的回顧與展望[J].混凝土與水泥制品，2003（6）：33-38.

[4]曹巨輝，蒲心誠(chéng).納米SiO2對(duì)GRC性能的影響研究[J].新型建筑材料，2004（8）：12-15.

[5]曹巨輝.粉煤灰硅灰改善GRC加速老化條件下力學(xué)性能的研究[J].粉煤灰綜合利用，2003（5）：27-29.

[6]汪宏濤，曹巨輝.玻璃纖維對(duì)GRC復(fù)合材料耐久性的影響[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：1-4.

[7]趙帥，田穎.玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料耐水性能的研究[J].江蘇建材，2008（2）：20-21.

[8]王紅霞，向忠.基于玻璃纖維增強(qiáng)水泥（混凝土）材料性能分析的最佳配合比的研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2001（3）：57-59.

[9]張巨松，牛錫泉，曾尤，楊合.GRC（FRP）模板與砼復(fù)合梁的試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2000（z1）：178-179.

[10]王紅霞，向忠.玻璃纖維增強(qiáng)水泥在加固砌體抗剪中的研究[J].工業(yè)建筑，2000（4）：50-53.

[11]馬景峰，陳立君.玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用[J].玻璃纖維，2005（3）：24-27.

[12]X.Qian，B.Shen，B.Mu andZ.Li.Enhancement of aging resistance of glass fiber reinforced cement.Materials and Structures/Materiaux etConstructions，2003，Vol.36： 323-329.