不同維度玻璃纖維對(duì)GRC抗彎性能的影響

李清海， 趙嬌嬌， 李清原， 高建偉， 吳玉姣

(中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司, 北京 100024)

玻璃纖維增強(qiáng)水泥(GRC)是一種以玻璃纖維為增強(qiáng)材料、水泥砂漿為基體的復(fù)合材料[1-2].在GRC材料中，玻璃纖維起配筋作用，可以承受一定的荷載并傳遞應(yīng)力，阻止水泥基材開裂，改善水泥基材料抗拉強(qiáng)度低、抗彎強(qiáng)度低、脆性大等問題.GRC常用的玻璃纖維有短切玻璃纖維(一維)和玻璃纖維網(wǎng)格布(二維)2種，但短切玻璃纖維有著不連續(xù)、在制品中三維亂向分布和摻雜攪拌不均勻的缺點(diǎn)，而玻璃纖維網(wǎng)格布(二維)的鋪設(shè)過程相對(duì)繁瑣，且使用多層二維網(wǎng)格布制備的層壓復(fù)合材料對(duì)分層破壞很敏感，在靜態(tài)荷載、動(dòng)態(tài)荷載或沖擊載荷作用下，其剪切和劈裂回彈性能較差[3-4]；另外，一維、二維玻璃纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)效果有待提高(GRC的比例極限強(qiáng)度約8MPa，抗彎破壞強(qiáng)度約18MPa)，從而使得GRC材料的應(yīng)用受到限制.隨著纖維編織工藝的進(jìn)步，3D織物種類日益增多，其應(yīng)用研究也逐步展開.如本團(tuán)隊(duì)在前期探索中研究了3D玻璃纖維織物增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性，以及粉煤灰、礦粉的不同配合比對(duì)其性能的影響[5-7].

本文采用一維短切玻璃纖維(1D玻纖)、二維玻璃纖維網(wǎng)格布(2D玻纖)、三維間隔連體玻纖織物(3D織物)作為水泥基材料的增強(qiáng)材料，得到1D玻纖GRC、2D玻纖GRC和3D織物GRC；通過抗彎荷載-撓度曲線分析3種維度GRC在彎曲破壞過程中不同階段的變化特征，并建立抗彎荷載-撓度曲線擬合方程，計(jì)算不同維度GRC的抗彎破壞強(qiáng)度(σMOR)、抗彎比例極限強(qiáng)度(σLOP)、彈性變形能(EN)、塑性變形能(PN)和韌度指數(shù)(TI)，以此來揭示一維、二維玻璃纖維和3D織物對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)作用.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥采用52.5快硬硫鋁酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)見表1.砂采用普通中砂，最大粒徑小于2.36mm.減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率(1)本文涉及的減水率、含量、比值等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.40%.3D織物由伯龍三維復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，采用ZrO2含量為16.7%的耐堿玻璃纖維紗(連續(xù)纖維)織造的纖維芯柱貫穿連接上下2個(gè)平面織物層而編織成增強(qiáng)體，內(nèi)部呈空芯結(jié)構(gòu)，層面之間經(jīng)向由連接線呈“Ω”字形站立連接，具有很好的整體結(jié)構(gòu)形式，3D織物的主要性能指標(biāo)見表2.1D玻纖為ZrO2含量16.7%的耐堿短切玻璃纖維；2D玻纖為ZrO2含量16.7%的耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布，兩者的主要性能指標(biāo)見表3、4.試件配合比見表5.

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥的主要性能指標(biāo)

表2 3D織物的主要性能指標(biāo)

表3 短切玻璃纖維的主要性能指標(biāo)

表4 玻璃纖維網(wǎng)格布的主要性能指標(biāo)

表5 試件配合比

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1抗彎試件制備

抗彎試件尺寸為250mm×50mm×10mm，同一配合比成型試件6個(gè)(No.1～No.6).不同維度GRC試件制備方法如下：

(1)1D玻纖GRC試件成型：將水泥、砂、短切纖維等干料按設(shè)計(jì)配合比預(yù)混均勻，加入水與減水劑混合液料，采用行星式水泥膠砂攪拌機(jī)慢攪3min，倒入模具中機(jī)械振動(dòng)1min，成型試件.短切玻璃纖維摻量過大會(huì)造成“打卷”現(xiàn)象，均勻性差，所以本試驗(yàn)中短切玻璃纖維摻量選擇2.5%(以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn))為拌和工藝的最大摻量.

(2)2D玻纖GRC試件成型：按表5所示配合比配制純水泥砂漿，攪拌均勻后分2層倒入模具，玻璃纖維網(wǎng)格布則放置在距底模板2mm位置；機(jī)械振動(dòng)1min，成型試件.為使玻璃纖維網(wǎng)格布在抗彎測(cè)試時(shí)發(fā)揮最佳效果，選擇玻璃纖維網(wǎng)格布在試件底部鋪設(shè).

(3)3D織物GRC試件成型：先將已切割成長(zhǎng)250mm，寬50mm的3D織物放入成型模具中，再按表5所示配合比配制純水泥砂漿，攪拌均勻后倒入模具；振動(dòng)1min，刮平表面，保持3D織物上下保護(hù)層厚度各1mm.

將成型好的試件連同模具在(20±2)℃、相對(duì)濕度95%以上的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24h，拆模并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至7d齡期，進(jìn)行抗彎性能測(cè)試.

1.2.2抗彎性能測(cè)試

按照GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》，采用WD4100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)各試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲測(cè)試.四點(diǎn)彎曲測(cè)試跨距210mm，支距70mm，加載速率3mm/min，并同時(shí)采集各試件的撓度變形數(shù)據(jù).依據(jù)試驗(yàn)所得抗彎荷載(P)-撓度(δ)曲線，按下式計(jì)算各試件的抗彎破壞強(qiáng)度(σMOR)、抗彎比例極限強(qiáng)度(σLOP).

(1)

(2)

式中：PMOR為最大荷載，kN；PLOP為比例極限荷載，kN；b為試件寬度，mm；h為試件厚度，mm；L為跨距，取210mm.

1.2.3韌性

在新媒體環(huán)境下，大學(xué)生可以突破教學(xué)模式與教學(xué)資源的限制，利用新媒體快速獲取自己所學(xué)的知識(shí)與信息，如馬克思主義理論、中國特色社會(huì)主義理論體系、社會(huì)主義核心價(jià)值觀等相關(guān)內(nèi)容。此外，思想政治教育工作者還可以通過新媒體豐富大學(xué)生思想政治教育的表現(xiàn)形式，借助更多視頻資源、圖像資源、動(dòng)畫資源等來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生擺脫傳統(tǒng)教育在空間和時(shí)間上的束縛。

韌性是指試件在破壞前吸收能量的能力，其值大小取決于材料的強(qiáng)度和變形能力[8].根據(jù)美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM C 1018提出的彈性變形能EN、塑性變形能PN和韌度指數(shù)TI表征方法，結(jié)合GRC材料特性，試驗(yàn)采用2個(gè)加載點(diǎn)PLOP和PMOR的荷載- 撓度曲線與坐標(biāo)軸所圍面積來計(jì)算每級(jí)荷載下試件所吸收的能量，分別表示試件的彈性變形能和彈塑性變形能，如圖1所示.圖1中：EN為零點(diǎn)到PLOP值對(duì)應(yīng)荷載曲線下的oac面積；PN為PLOP值對(duì)應(yīng)試驗(yàn)力到PMOR值對(duì)應(yīng)試驗(yàn)力曲線下abdc的面積.韌度指數(shù)TI是材料的彈塑性變形能與彈性變形能之比，計(jì)算公式如下：

圖1 抗彎荷載-撓度曲線圖

TI=(EN+PN)/EN

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 抗彎荷載-撓度分析

不同維度GRC試件的抗彎荷載-撓度(P-δ)曲線圖見圖2.由圖2可見：純水泥砂漿試件A0發(fā)生了脆性斷裂，其抗彎荷載隨撓度的增加線性增大，荷載達(dá)到最大(350N)時(shí)發(fā)生瞬時(shí)斷裂且承受的抗彎撓度很小(0.3mm)；1D玻纖GRC試件A1和2D玻纖GRC試件A2的抗彎荷載-撓度曲線變化規(guī)律相似，抗彎響應(yīng)分為彈性變形、塑性變形2個(gè)階段；3D織物GRC試件A3的抗彎響應(yīng)分為彈性變形階段、彈塑性過渡階段(也稱多裂縫形成階段)、塑性變形階段，其變形破壞形式見圖3.分析不同維度GRC在各階段的抗彎荷載及撓度變化規(guī)律可知：

圖2 各試件抗彎荷載-撓度曲線

圖3 3D織物GRC試件在不同加載階段的變形破壞形式

(1)第Ⅰ階段(彈性變形階段)：純水泥砂漿試件、1D玻纖GRC試件、2D玻纖GRC試件、3D織物GRC試件的初裂撓度分別為0.30、0.32、0.35、0.36mm，對(duì)應(yīng)的初裂抗彎荷載分別為350、350、354、358N，說明玻璃纖維對(duì)水泥基材料的初裂性能影響不大，脆性的水泥砂漿基體仍是影響試件初裂變形的主要因素.

(2)第Ⅱ階段(彈塑性過渡階段，也稱多裂縫形成階段)：抗彎荷載波動(dòng)變化(302～409N)，撓度持續(xù)增加(由0.36mm增至2.48mm).作用力由水泥砂漿基體傳遞給玻璃纖維，在其內(nèi)部相互傳遞并拉長(zhǎng)纖維絲，然后又返遞給未開裂的水泥砂漿基體.玻璃纖維與水泥砂漿基體相互往復(fù)傳遞作用力，在宏觀上即表現(xiàn)為試件表面出現(xiàn)大量間距大致相等的微裂紋[2]，微裂紋之間仍由玻璃纖維連接.當(dāng)裂紋間距縮小到不能使玻璃纖維與水泥砂漿基體相互傳遞作用力時(shí)，該階段達(dá)到終點(diǎn).

(3)第Ⅲ階段(塑性變形階段)：此階段水泥砂漿基體完全喪失承載能力，由1D玻纖、2D玻纖、3D織物承擔(dān)全部承載作用，試件破壞時(shí)達(dá)到最大荷載，分別為530、674、1019N，最大撓度分別為4.5、5.5、10.0mm.此過程中1D玻纖被拉斷或拔出、2D玻纖和3D織物下面層纖維伸長(zhǎng)直至拉斷(見圖4)，且塑性變形階段的斜率較小，這與1D玻纖、2D玻纖、3D織物在水泥基復(fù)合材料中的楊氏模量、纖維分布及其摻量有關(guān).

圖4 3D織物GRC試件的底部破壞斷面

2.2 抗彎荷載-撓度擬合方程及性能分析

根據(jù)A0～A3這4組試件的抗彎荷載-撓度曲線及其破壞特性，采用Origin軟件中最優(yōu)模型選擇分段函數(shù)(Piecewise)進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖5所示；各試件抗彎荷載與撓度在各個(gè)變形階段的數(shù)學(xué)模型如式(4)～式(7)所示.各段擬合曲線的皮爾森相關(guān)系數(shù)均大于0.90，說明擬合曲線均與原曲線較為接近.

圖5 各試件抗彎荷載-撓度擬合曲線

P=0.0986+0.8384δ，δ≤0.30mm

(4)

試件A1：

P=0.0940+0.7923δ，δ≤0.32mm;P=0.3308+0.0443δ， 0.32mm<δ≤4.50mm

(5)

試件A2：

P=0.0986+0.7441δ，δ≤0.35mm;P=0.3359+0.0615δ， 0.35mm<δ≤5.50mm

(6)

試件A3：

P=0.1012+0.6882δ，δ≤0.36mm;P=0.3489+0.06sin[π(δ-0.36)/0.25]，0.36mm<δ≤2.48mm;P=0.2077+0.0811δ， 2.48mm<δ≤10.00mm

(7)

由以上分析可知：不同維度GRC在抗彎荷載作用下，其彈性變形階段和塑性變形階段的荷載與撓度均有較好的線性關(guān)系；3D織物GRC在彈塑性過渡階段的荷載與撓度更接近正弦函數(shù)關(guān)系.以上方法可較好地表示出不同維度GRC在抗彎荷載作用下荷載與撓度之間的數(shù)學(xué)模型，式中各常數(shù)項(xiàng)與玻璃纖維摻量、試件尺寸等因素有關(guān).

根據(jù)圖2中各試件的抗彎荷載-撓度曲線，按照GB/T 15231—2008規(guī)定方法計(jì)算各試件抗彎比例極限強(qiáng)度σLOP和抗彎破壞強(qiáng)度σMOR；以圖5抗彎荷載-撓度擬合曲線與坐標(biāo)軸所圍面積分別計(jì)算各試件的彈性變形能EN和塑性變形能PN，并由此計(jì)算其彈塑性變形能(EN+PN)和韌度指數(shù)TI，結(jié)果見表6.

由表6可知：1D玻纖GRC、2D玻纖GRC、3D織物GRC試件的彈性變形能分別為71、79、81N·mm，抗彎比例極限強(qiáng)度分別為8.60、8.70、8.80MPa，與純水泥砂漿試件相比沒有明顯增加，說明3種維度玻璃纖維對(duì)水泥基材料的抗初裂能力影響不大.

表6 各試件的抗彎強(qiáng)度和韌性

純水泥砂漿試件的塑性變形能為0、韌度指數(shù)為1.0；1D玻纖GRC、2D玻纖GRC、3D織物GRC試件的塑性變形能分別為1833、2657、5883N·mm，韌度指數(shù)分別為26.7、34.3、73.6，說明3種維度玻璃纖維能夠大幅度提高水泥基材料的塑性變形能力，且材料的韌性逐漸增強(qiáng).3種維度GRC試件的抗彎破壞強(qiáng)度分別為13.10、16.47、25.21MPa，比純水泥砂漿試件分別提高53%、92%、193%，說明3種維度玻璃纖維對(duì)水泥基材料的抗彎破壞強(qiáng)度影響顯著，且3D織物的增強(qiáng)效果最佳.在此過程中，1D玻纖受到摻量限制且與水泥黏結(jié)的強(qiáng)度較低，纖維易被拔出；2D玻纖僅有徑向纖維起到增強(qiáng)作用，受彎時(shí)易被拉斷，緯向纖維沒能發(fā)揮作用；3D織物一方面因其特別的空間構(gòu)造，在試件中纖維摻量明顯增加，另一方面則由經(jīng)紗、緯紗和芯柱相互交織成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一定的拉伸強(qiáng)度(經(jīng)向2429N，緯向2271N，均以50mm計(jì))、剪切強(qiáng)度(經(jīng)向2.3MPa，緯向1.3MPa).在彎曲荷載作用下，3D織物上、下面層不但可以承受拉伸應(yīng)力，而且上、下面層可以通過芯柱相互傳遞所受荷載(傳遞路徑長(zhǎng))而不發(fā)生破壞，只有增大剪切應(yīng)力，使3D織物的部分纖維芯柱發(fā)生傾斜而逐漸錯(cuò)位時(shí)，芯柱和上、下底面層相接處才會(huì)發(fā)生破壞.所以在彎曲荷載作用下，3D織物GRC試件要比1D玻纖GRC試件、2D玻纖GRC試件抗彎強(qiáng)度和韌性的增強(qiáng)效果更好.

3 結(jié)論

(1)一維、二維GRC的抗彎破壞過程主要包含彈性變形階段、塑性變形階段；3D織物GRC的抗彎破壞過程又新增彈塑性過渡階段.GRC在彈性變形階段的力學(xué)性能主要由水泥基材性能決定，彈塑性過渡階段的力學(xué)性能由水泥基材和玻璃纖維共同決定，塑性變形階段的力學(xué)性能主要由玻璃纖維決定.

(2)在抗彎荷載作用下，不同維度GRC在彈性變形階段和塑性變形階段的荷載與撓度均有較好的線性關(guān)系；3D織物GRC在彈塑性過渡階段的荷載與撓度呈正弦函數(shù)關(guān)系.

(3)一維短切玻璃纖維、二維玻璃纖維網(wǎng)格布、3D織物這3種類型玻璃纖維均能使水泥基材料的強(qiáng)度和韌性有大幅度提高，尤其是在塑性變形階段表現(xiàn)明顯，具體表現(xiàn)在其抗彎破壞強(qiáng)度比純水泥砂漿分別提高53%、92%、193%，韌度指數(shù)分別達(dá)26.7、34.3、73.6；其中3D織物的增強(qiáng)效果最佳.原因一方面是3D織物的纖維有效摻量較高，另一方面是由經(jīng)紗、緯紗和芯柱相互交織成了具有很高拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).