水膠比對GRC 抗彎強度和韌性的影響

劉一槿 張 健 楊國明

（1 廣州立墻墻體材料有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)(3 廣州番禺喬興建設(shè)安裝工程有限公司）

0 引言

玻璃纖維增強水泥（簡稱GRC）具有輕質(zhì)、高強、隔熱保溫、防水、防火、可加工性良好及價格適中等諸多優(yōu)點。由于玻璃纖維的強韌化作用，GRC 具有較高的強度，斷裂韌性有顯著改善[1-2]。GRC 破壞過程不同于普通混凝土的脆性破壞，呈現(xiàn)彈塑性特征，有一個塑性延展的過程[3]。

一般情況下GRC 的抗彎強度、抗沖擊強度隨著水灰比的增加而下降。但水膠比過低時，拌合物流動性不好，纖維不能均勻分散，密實度降低，對強度反而不利。程從密[4]認(rèn)為在預(yù)混澆注法工藝條件下，水膠比為0.5 時，玻璃纖維對GRC 抗彎強度貢獻(xiàn)不顯著，當(dāng)玻璃纖維摻量達(dá)水泥質(zhì)量的6%時，GRC 抗彎強度才明顯上升。崔琪[5]認(rèn)為預(yù)混玻纖長度為20mm，玻纖摻量在1%～2.5%，GRC抗彎強度隨玻纖摻量的增加而提高；當(dāng)玻纖摻量超過2.5%后，強度隨玻璃纖維摻量增加呈下降趨勢。馮竟竟[6]通過試驗表明，纖維體積摻量在1.5%～2.0%時，隨纖維摻量增加，GRC 的抗折強度顯著增大。

本文通過實驗研究水膠比對預(yù)混澆注法生產(chǎn)的GRC 抗彎強度的影響，以及通過彎曲破壞過程的應(yīng)力-撓度曲線分析水膠比對GRC 韌性的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

耐堿玻璃纖維，纖維單絲直徑15μm，玻璃纖維長度為12mm，單股線密度98tex，氧化鋯含量為16.7%，湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司產(chǎn)品（圖1）；低堿度硫鋁酸鹽水泥（L.SAC），強度等級42.5，廣西云燕特種水泥建材有限公司產(chǎn)品；河砂，經(jīng)2.36mm 方孔篩過篩；聚羧酸系高性能減水劑。

圖1 玻璃纖維

1.2 實驗方法

實驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》GB/T15231－2008 進(jìn)行，GRC 拌合物在實驗室采用預(yù)混澆注法制備。先將水、水泥和砂一起攪拌，1 分鐘后緩緩加入玻璃纖維，繼續(xù)攪拌至4 分鐘后將GRC 拌合物注入試模制成10mm 厚GRC 大板。放養(yǎng)護(hù)室恒溫養(yǎng)護(hù)4d后，將大板切割成規(guī)格為250mm×50mm 的試件。

切割完的試件擺放于通風(fēng)良好的室內(nèi)6d 后進(jìn)行抗彎試驗。采用微機控制全自動測試系統(tǒng)上進(jìn)行抗彎實驗（圖2），加載過程的荷載-撓度曲線利用實驗機自帶傳感器和軟件系統(tǒng)記錄。

1.3 配合比設(shè)計

圖2 GRC 抗彎試驗

為研究水膠比對預(yù)混澆注GRC 性能的影響，本實驗采用0.32、0.36、0.4、0.44 和0.5 五種水膠比。拌合物膠砂比為1.00。玻璃纖維摻量以纖維占固體（水泥、砂和玻璃纖維）總質(zhì)量百分比來表示，每種水膠比采用玻璃纖維含量均為2.5%。為減少對拌合物流動性的影響，實驗采用內(nèi)摻法加入玻璃纖維，在加入玻璃纖維的同時減少等質(zhì)量的砂。

配合比設(shè)計時保持水泥與砂的量不變，改變用水量來調(diào)整水膠比。對于水膠比較低的樣品，加入適量減水劑調(diào)整流動度。為研究玻璃纖維對GRC 抗彎強度的影響程度，還設(shè)計了分別與上述不同水膠比GRC 配合比相對應(yīng)的五種無玻璃纖維砂漿試樣。

不同水膠比GRC 和對比砂漿試樣的配合比如表1所示。

表1 不同水膠比GRC 和對比砂漿試樣的配合比

2 水膠比對GRC 抗彎強度的影響

水膠比對GRC 和對比砂漿抗彎強度的影響如圖3所示。由圖可看出，無玻璃纖維的對比砂漿抗彎強度隨著水膠比的增加明顯下降。水膠比從0.32 增加至0.50時，對比砂漿的抗彎強度從10.14MPa 下降到6.18MPa，降幅為39.1%。水膠比對GRC 的抗彎強度也有類似的影響規(guī)律。隨著水膠比的增加，GRC 抗彎強度顯著下降，GRC 的抗彎強度下降與水膠比的提高呈近似直線關(guān)系。水膠比從0.32 增加至0.50 時，GRC 的抗彎強度從10.93MPa 下降到5.76Mpa，降幅達(dá)47.3%。這表明玻璃纖維摻量為2.5%時，水膠比越低，GRC 的抗彎強度越大。從圖3 還可看出，無玻璃纖維的對比砂漿和GRC 的抗彎強度-水膠比關(guān)系曲線基本接近，這表明當(dāng)玻璃纖維摻量為2.5%時，對水泥砂漿的抗彎強度無明顯增強作用。

圖3 所示為水膠比與抗彎強度的關(guān)系

3 水膠比對GRC 韌性的影響

圖4 所示為不同水膠比配制GRC 的典型彎曲應(yīng)力-撓度曲線。由圖4 可以看出，五組不同水膠比GRC 的典型應(yīng)力-撓度曲線上升段彎曲應(yīng)力與撓度呈直線關(guān)系，應(yīng)力-撓度曲線頂部呈弧形，表明其具有一定的韌性特征。這表明玻璃纖維摻量為2.5%時，玻璃纖維的加入雖然沒有顯著提高砂漿強度，但具有明顯的增韌作用。

圖4 不同水膠比配制GRC 的典型彎曲應(yīng)力-撓度曲線

水膠比為0.50 時，曲線下降段較為平緩，表明此時GRC 具有更明顯的韌性特征。隨著水膠比減小，曲線下降段越來越陡峭。這表明，隨著水膠比的增加，雖然GRC的強度下降，但玻璃纖維對GRC 增韌效果更好。這是因為水膠比較高時，玻璃纖維能夠更好地分散在水泥漿體中，水泥基質(zhì)的開裂由單一裂紋快速擴展變成大量裂紋同時出現(xiàn)，在玻璃纖維的約束作用下，使水泥基材的韌性得到明顯改善。另外，當(dāng)水膠比較低時，水泥基體與玻璃纖維之間的作用力更小，玻璃纖維可通過與水泥基體脫粘而由基體中拔出，從而使GRC 具有更好的延性[7]。

4 結(jié)論

本文通過試驗研究了預(yù)混澆注法GRC 的抗彎性能，通過水砂比對GRC 抗彎強度和應(yīng)力-撓度曲線影響的研究，得出如下結(jié)論：

⑴水膠比對GRC 抗彎強度有著顯著影響。隨著水膠比的增加，GRC 抗彎強度明顯下降，呈近似直線關(guān)系。

⑵玻璃纖維摻量為總固體質(zhì)量2.5%時，沒有顯著提高GRC 的抗彎強度，但是明顯提高了GRC 的韌性。

⑶水膠比越大，GRC 的彎曲應(yīng)力-撓度曲線下降段越平緩。表明玻璃纖維摻量為2.5%時，高水膠比對GRC的增韌效果更好。