玻纖增強(qiáng)水泥在提升渠道式 水泥切割連續(xù)墻抗彎剛度中的運(yùn)用

宋永娜 馮春絢 于春紅

摘 要：玻璃纖維增強(qiáng)水泥是近些年來科研人員開發(fā)出來的一種新型的復(fù)合材料，它具有許多傳統(tǒng)建筑用的水泥基體所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如抗彎、抗拉、質(zhì)輕以及抗沖擊等等，文章針對不同摻量的玻璃纖維增強(qiáng)水泥進(jìn)行了建模分析，通過外加荷載使材料試件發(fā)生破壞，進(jìn)而分析了其破壞的全過程，對各組試件的彎曲韌性、應(yīng)變能進(jìn)行了對比研究，最后發(fā)現(xiàn)當(dāng)玻璃纖維增強(qiáng)水泥中的玻璃纖維摻量增加時(shí)，其抗彎強(qiáng)度會(huì)顯著提高，且材料韌性大大增強(qiáng)，由此不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用更高玻璃纖維摻量的GRC制作建筑構(gòu)件時(shí)，建筑構(gòu)件的抗彎剛度也會(huì)更高，由此得出結(jié)論采用玻璃纖維摻量更高的增強(qiáng)水泥制成的連續(xù)墻的彎曲剛度更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維增強(qiáng)水泥;抗彎剛度;彎曲韌性;多相復(fù)合材料

中圖分類號：TQ172;TU528.58+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0128-05

The Application of Glass Fiber Reinforced Cement in Improving the Flexural Rigidity of Channel Cement Cutting Continuous Wall

Song Yongna1， Feng Chunxuan2，Yu Chunhong1

（1.Qingdao Metro Line 1 Co.，Ltd.， Qingdao 266000， China;

2.Beijing Zhongchang Engineering Consulting Co.，Ltd.，Beijing 100021，China）

Abstract：Glass fiber reinforced cement is a new type of composite material developed by researchers in recent years. It has many advantages that the traditional cement matrix for building does not have， such as bending resistance， tensile strength， light weight and iMPact resistance， etc.， in this paper， we model and analyze the glass fiber reinforced cement with different dosage， and make the material test pieces break through the external load， and then the whole process of its destruction was analyzed. The bending toughness and strain energy of each group of specimens were coMPared and researched. Finally， it was found that when the content of glass fiber in the glass fiber reinforced cement increases， the flexural strength will be significantly improved， and the material toughness will be greatly enhanced. Therefore， it is not difficult to find that when the GRC with higher content of glass fiber is used to make building components， the flexural rigidity of building components will be significantly improved， which leads to the conclusion that a continuous wall made of reinforced cement with a higher content of glass fiber has stronger flexural rigidity.

Key words：glass fiber reinforced cement; bending stiffness; flexural toughness; multiphase composite

在傳統(tǒng)的建筑施工過程中所使用的材料都是以水泥為基體的建筑材料，這種材料較高的抗壓強(qiáng)度，因此被廣泛使用，但是這種建筑材料也存在一些缺陷，比如其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度抗裂性以及抗沖擊強(qiáng)度都較低，材料的脆性大，針對材料的這些缺陷，研究人員進(jìn)行了大量的研究，來改善其各方面的性能，其中研究最多的就是利用纖維材料來增強(qiáng)水泥基體，以此來獲得高性能的建筑材料。研究人員發(fā)現(xiàn)玻璃纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，其單絲抗拉強(qiáng)度是水泥基體的500倍，可達(dá)1770～2550MPa，而彈性模量大約是水泥基體的200多倍，約為70GPa[1]，將玻璃纖維作為增強(qiáng)材料制成玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）能夠有效改進(jìn)水泥基體的抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)能夠很好的控制裂縫發(fā)展，減少裂縫的產(chǎn)生，使用玻璃纖維增強(qiáng)水泥制成的建筑構(gòu)件的耐久性能也會(huì)大大增強(qiáng)。此外，玻璃纖維增強(qiáng)水泥還具有輕質(zhì)高強(qiáng)、防火、防水、機(jī)械加工性能好以及模造性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。基于玻璃纖維增強(qiáng)水泥的各種優(yōu)異性能，可以用這種復(fù)合材料制成各種建筑構(gòu)件，例如外墻板、裝飾墻板、連續(xù)墻等等，這里對玻璃纖維增強(qiáng)水泥的力學(xué)性能進(jìn)行研究，分析其對提升渠道式水泥切割連續(xù)墻抗彎剛度的作用。

1 建立玻璃增強(qiáng)水泥數(shù)值模型

我們都知道玻璃纖維增強(qiáng)水泥材料是典型的多相非均勻材料，所以我們這里在描述玻璃纖維增強(qiáng)體材料和水泥基體材料的非均勻性是采用的是概率統(tǒng)計(jì)學(xué)里面的Weibull分布函數(shù)，密度函數(shù)的表達(dá)式為：

式中u為材料細(xì)觀單元力學(xué)特性參數(shù);u0為材料細(xì)觀單元力學(xué)性質(zhì)平均值;m反映Weibull分布密度函數(shù)的形狀參數(shù)。其中，Weibull分布函數(shù)的形狀是由m定義的，根據(jù)根部函數(shù)的形狀可以看出材料的細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)的均勻性，材料的細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著m值得增大變得越來越均勻，所以它也被稱作均質(zhì)度。這里的f （u）表示的是材料的某一種力學(xué)性質(zhì)的細(xì)觀單元的密度分布。

這里我們選用了5組不同玻璃纖維體積摻量的試件來進(jìn)行試驗(yàn)，其玻璃纖維含量分別為3.6%、3.0%、2.4%、1.8%、1.2%和0.6%，然后再加上一組不含玻璃纖維的試件作為對照組，試驗(yàn)試件如表1所示。

這里使用的試件尺寸都為160mm×40mm，并將其劃分為320×80個(gè)單元，所使用的玻璃纖維的直徑為0.5mm。試驗(yàn)中的加載方式選用豎直位移方式，其加載步長為1×10-3，加載步數(shù)100步。試驗(yàn)中水泥的極限強(qiáng)度和彈性模量分別設(shè)為32.5MPa、35000MPa，設(shè)均質(zhì)度系數(shù)為5，而玻璃纖維的極限強(qiáng)度和彈性模量則設(shè)為1800MPa、80000MPa，其均質(zhì)度系數(shù) 設(shè)為20，假設(shè)水泥基體和玻璃纖維之間不存在弱界面層，及為理想界面。這里我們多采用的GRC數(shù)值模型[3]如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）材料試件破環(huán)全過程分析。圖2給出了對照組水泥砂漿基體和摻入不同體積含量的各組試件在三點(diǎn)彎曲條件下的裂紋擴(kuò)展圖。

從圖2中可以看出，當(dāng)玻璃纖維基體參入量為0時(shí)，也就是不加入玻璃纖維的對照組，觀察試件的破壞裂紋可以看出其明顯的脆性，其破壞路徑總體呈一條豎直的直線，表明試件的能量吸收能力十分有限。從前面的分析中可以知道，玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥基體，因此將玻璃纖維加入是水泥基體后纖維能夠有效阻止裂縫擴(kuò)展[4]，進(jìn)而避免了裂縫的貫通和擴(kuò)展。即使是外界所施加的荷載超過了材料的極限荷載后，因?yàn)槔w維的相連作用，也能夠顯著延緩基體中裂縫的擴(kuò)展，使基體中損傷核的擴(kuò)散明顯減緩，基體的變形能力大大提高，破壞路徑得到延長，這也表明基體的能量吸收能力得到了提高，增強(qiáng)機(jī)體的韌性大大增強(qiáng)。從圖中可以看出，當(dāng)玻璃纖維的體積摻量增加時(shí)，試件的破壞路徑也越來越彎曲，其破壞區(qū)域逐漸增大，甚至出現(xiàn)了多條破壞路徑，表明試件的能量吸收能力不斷的提高，其韌性不斷增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明玻璃纖維的加入使得水泥基體的抗彎者強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，并且隨著摻入量的增加而增加。

這里我們引入另一個(gè)概念聲發(fā)射現(xiàn)象，它指的是當(dāng)復(fù)合材料發(fā)生結(jié)構(gòu)突變時(shí)，例如纖維斷裂、基體開裂、快速脫落等，這些突變都會(huì)使得能量以彈性應(yīng)力波的形式，從發(fā)生結(jié)構(gòu)突變的源點(diǎn)向材料基質(zhì)的各個(gè)方向擴(kuò)散傳播，造成彈性應(yīng)力波的損耗[5]。而玻璃纖維增強(qiáng)水泥受到外力作用產(chǎn)生裂紋時(shí)也會(huì)引起聲發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)生，并且與其內(nèi)部破裂的產(chǎn)生直接相關(guān)。下圖所示的是玻璃纖維摻量為3.0%的試件在三點(diǎn)彎曲條件下的破壞全過程，其中包括聲發(fā)射和最大拉應(yīng)力的數(shù)值模擬圖。試驗(yàn)中是根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的損傷單元的數(shù)量來表示聲發(fā)射次數(shù)的，聲發(fā)射的能量釋放也由單元損傷的應(yīng)變能釋放表示。圖中顏色較淺的圓表示在當(dāng)前步數(shù)試件單元所產(chǎn)生的損傷和聲發(fā)射，并且聲發(fā)射的能量隨著圓的半徑增大而增大，顏色較深的圓則表示在此之前已經(jīng)發(fā)生了損傷破壞，也就是該單元已經(jīng)發(fā)生過聲發(fā)射現(xiàn)場。

根據(jù)復(fù)合材料理論，玻璃纖維的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥基體，玻璃纖維的加入，試件的整體剛度明顯提高，其損傷單元的區(qū)域也擴(kuò)大了許多，并且試件的破壞都是由較為脆弱的地方發(fā)生，然后沿著總體能量消耗最小的路徑傳播。觀察GRC的破壞全過程可以發(fā)現(xiàn)，試件受力的初始階段，因?yàn)樗┘拥妮d荷比較小，最先出現(xiàn)損傷的是位于試件底部拉應(yīng)力最大的區(qū)域的強(qiáng)度較為弱的單元，而這個(gè)階段基體單元損傷所釋放的能量也比較低，這一點(diǎn)從聲發(fā)射圖中圓的直徑較小就可以看出。當(dāng)所施加的載荷不斷增加，發(fā)生損傷的單元數(shù)量也不斷增加，其破壞發(fā)展生裂紋，增強(qiáng)體中橫貫裂紋的纖維也漸漸被拉斷或者拔出，在這個(gè)過程中玻璃纖維增強(qiáng)體的發(fā)射次數(shù)也顯著增加[6]，這就有效的延長了破壞裂紋的擴(kuò)展路徑，試件吸收能量的能力也明顯增強(qiáng)，也提高了增強(qiáng)體的韌性，此外因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展會(huì)穿過抗拉強(qiáng)度較高的玻璃纖維，試件的抗彎強(qiáng)度也大大增強(qiáng)。

（2）材料試件荷載-加載步-聲發(fā)射次數(shù)圖分析。不同摻量的玻璃纖維增強(qiáng)水泥的荷載-加載步-聲發(fā)射次數(shù)圖如圖4所示。表示了材料試件破壞過程和聲發(fā)射現(xiàn)象之間的關(guān)系。從圖中可以看出，在受到外界荷載作用的初始階段，處于拉伸區(qū)域內(nèi)強(qiáng)度較弱的單元會(huì)先產(chǎn)生拉伸損傷，這個(gè)階段試件的荷載-加載部曲線保持了良好的線性關(guān)系。當(dāng)時(shí)間所受荷載達(dá)到峰值后，發(fā)生損傷的單元數(shù)量大量增加，所以相應(yīng)的聲發(fā)射次數(shù)也突然劇烈增加。圖中（a）表示的是沒有加入玻璃纖維的試件的荷載-加載步曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)經(jīng)過荷載峰值過后，其荷載-加載步曲線不向其他試件呈梯狀下降的，而是陡然下降，著表現(xiàn)出了材料顯著的脆性[7]。而其他的加入了玻璃纖維的試件，它們的荷載-加載步曲線經(jīng)過峰值的下降都是成梯狀逐漸下降的，這主要是由于橫貫列裂紋的纖維的阻擋作用延緩了破壞裂紋的擴(kuò)展，顯著提高了試件的變形能力和強(qiáng)度，因此玻璃纖維的摻入量越大，其阻擋裂紋擴(kuò)展的作用就越明顯。

（3）彎曲韌性和釋放應(yīng)變能分析。圖5為各組試件的荷載-位移全過程圖，從圖中可以看到，加入玻璃纖維后，試件的彎曲韌性和抗彎強(qiáng)度都明顯的改善和提高，當(dāng)處于彈性階段時(shí)，各組試件的彈性模量并沒有明顯增加，只有少量的遞增，這就說明在試件峰值強(qiáng)度之前，玻璃纖維的加入量對材料的彈性性能影響并不明顯，從圖中可以看出達(dá)到試件的峰值強(qiáng)度以及之后的殘余階段，玻璃纖維的加入對材料的彈性影響極大。在試驗(yàn)試件的纖維摻量范圍內(nèi)，試件的峰值強(qiáng)度是隨著玻璃纖維的摻量不斷增加的，并且當(dāng)達(dá)到了試件的峰值強(qiáng)度之后，試件的荷載-位移曲線的下降階段顯示陡然下降，然后慢慢區(qū)域平緩下降，與此同時(shí)試件的變形逐漸增加，表現(xiàn)出了更佳的變形能力，試件的破壞形態(tài)也由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變。

表2中所列為各組試件的彎曲韌性、峰值荷載以及聲發(fā)射應(yīng)變能的相對值，這里的彎曲韌性指的是材料試件在荷載作用下直到失效整個(gè)過程所吸收的能量，表示為荷載-位移曲線所構(gòu)成的面積。當(dāng)外界荷載作用于材料時(shí)，會(huì)使材料發(fā)生變形，在此過程中外力所做的功就會(huì)以彈性勢能的形式存儲(chǔ)與材料之中，也成為應(yīng)變能[8]。在聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生的過程中，由損傷單元釋放出來的彈性應(yīng)變能就稱為聲發(fā)射應(yīng)變能。在試驗(yàn)過程中，隨著荷載的增加，試件的破壞程度變大，及損傷單元的數(shù)量增加，且損傷程度變大，試件所釋放的彈性應(yīng)變能變大，也就是聲發(fā)射應(yīng)變能增大。這里我們假設(shè)沒有摻入玻璃纖維的素水泥砂漿的聲發(fā)射應(yīng)變能和彎曲韌性為1，進(jìn)而分析其他各組試件相對應(yīng)的彎曲韌性和聲發(fā)射應(yīng)變能數(shù)值。由下表可以看出，在水泥基體中加入玻璃纖維后，試件的荷載的峰值逐漸增大，最高可達(dá)1.35倍，同時(shí)材料試件的彎曲韌性和損傷單元釋放的應(yīng)變能都有顯著提高，分別最高可達(dá)2.84和1.89。

（4）結(jié)果討論。文章中根據(jù)增強(qiáng)材料中玻璃纖維摻量不同分成幾組不同的試驗(yàn)組，并建立了數(shù)值模型，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的數(shù)值模擬，最后得出結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在對材料施加外家荷載時(shí)，試件的彎曲韌性隨著玻璃纖維的摻入量的增加而增加，也就是說增強(qiáng)水泥的抗彎剛度不斷增加，并且其所能承受的最大荷載也明顯增大。

3 結(jié)語

通過對試驗(yàn)結(jié)果的一些列分析，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)水泥的強(qiáng)度以及彎曲韌性都明顯比普通的水泥基體高出許多，也就是說采用玻璃增強(qiáng)水泥制成的建筑構(gòu)件的抗彎剛度會(huì)更加優(yōu)良，針對連續(xù)墻也是如癡，若想要提高連續(xù)墻的抗彎剛度，就應(yīng)該使用玻璃纖維摻入量較高的增強(qiáng)水泥，玻璃摻量更高的增強(qiáng)水泥其彎曲韌性更高，進(jìn)而使得連續(xù)墻的整體抗彎曲剛度大大提高。

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