玻璃纖維對板材性能的影響及機(jī)理研究*

侯云芬，張瑩，鄭東昊，周文娟

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

0 引言

隨著我國對建筑領(lǐng)域提出節(jié)能減排及綠色建筑的要求，裝配式建筑逐漸取代傳統(tǒng)建筑方式成為主流。裝配式建筑所需的板材主要有內(nèi)外墻板、預(yù)制樓梯板、預(yù)制樓板，板材不僅要滿足強(qiáng)度需求，同時應(yīng)減輕自重、控制成本。墻體材料有較多種類，其中混凝土類墻板熱容較大，可在白天儲存熱量夜間釋放，不再需要輔助加熱或冷卻[1]，從而廣泛應(yīng)用于裝配式住宅及商業(yè)建筑中。但混凝土因干燥收縮及溫度收縮易產(chǎn)生裂縫，從而影響墻板的耐久性，且隨混凝土強(qiáng)度的提高問題更為明顯。

纖維材料因其抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大，常作為增強(qiáng)材料被用于混凝土非承重構(gòu)件中[2]。纖維材料在混凝土中的改性作用主要有纖維阻裂理論[3]和復(fù)合材料理論，摻入纖維能夠改善混凝土墻板內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，從而提高墻板的強(qiáng)度及耐久性。纖維材料中玻璃纖維具有較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，目前耐堿玻璃纖維摻入混凝土中以抵抗變形及開裂已應(yīng)用于建筑工程中。呂志恒[4]分析不同摻量的玻璃纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，研究表明玻璃纖維體積摻量過大，對混凝土立方體強(qiáng)度有不利影響。丁一寧[5]對玻璃纖維網(wǎng)格布進(jìn)行了耐堿試驗和雙向板受彎試驗，結(jié)果表明，耐堿玻璃纖維能夠減緩腐蝕速度，在普通硅酸鹽水泥中摻入耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布后，可大幅提高混凝土板的受彎承載力。趙晶[6]研究耐堿玻璃纖維在混凝土中長期增強(qiáng)的效果，表明耐堿玻璃纖維可增加混凝土強(qiáng)度及韌性，但纖維長期服役后受化學(xué)溶蝕損傷及物理刻蝕損傷對混凝土不再有增強(qiáng)效應(yīng)。

為了避免玻璃纖維受到硅酸鹽水泥的堿性腐蝕，本試驗使用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料制作板材。硫鋁酸鹽水泥主要礦物成分為無水硫鋁酸鈣及硅酸二鈣，無水硫鋁酸鈣化學(xué)分子式為 3CaO·3Al2O3·CaSO4，形成溫度在 1300～1350℃ 之間[7]，水硬活性高，且具有早強(qiáng)、微膨脹等特點。孫詩兵[8]研究不同摻量耐堿玻璃纖維增強(qiáng)快硬硫鋁酸鹽水泥砂漿的拉壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。發(fā)現(xiàn)砂漿在拉、壓狀態(tài)下具有不同的本構(gòu)方程形式，且彈性階段拉壓的彈性模量不同。周霞[9]研究玻璃纖維改性硫鋁酸鹽水泥基發(fā)泡保溫板的性能，發(fā)現(xiàn)板的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先提高后降低，玻璃纖維可提高板材的抗折強(qiáng)度及韌性，且降低保溫板的收縮性能、提高抗凍性能。

目前學(xué)者研究中未針對玻璃纖維網(wǎng)格布改善硫鋁酸鹽水泥基板材性能的機(jī)理研究，因此本文通過改變纖維的鋪設(shè)層數(shù)及克重來研究玻璃纖維對板材抗折強(qiáng)度、抗沖擊性能及收縮性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗中選用強(qiáng)度等級 42.5 快硬硫鋁酸鹽水泥及粉煤灰、礦渣粉和硅粉等礦物摻合料；再生細(xì)骨料，由 0.3mm 以下小顆粒、0.3～1.18mm 中顆粒和 1.18～ 4.75mm 大顆粒按 24%、25% 和 51% 比例搭配而成；減水率約為 40% 的聚羧酸減水劑；有機(jī)硅粉末憎水劑，硅烷活性含量 25%w/w；比表面積為 120.8m2/kg 的木粉。

克重分別為 100、135 和 165 的玻璃纖維網(wǎng)格布拉伸斷裂結(jié)果見表 1 所示。表 1 顯示，同克數(shù)纖維網(wǎng)格布經(jīng)向和緯向的拉伸能力相近，表明鋪設(shè)纖維網(wǎng)格布時可以不考慮方向；另外，隨著玻璃纖維網(wǎng)格布克重的增大，其拉伸能力提高。

表1 玻璃纖維網(wǎng)格布拉伸斷裂值 N/50mm

表2 為砂漿配合比。纖維網(wǎng)格布分別以 2 層和 4 層等間距鋪設(shè)在板中，2 層纖維每層間隔 4mm，4 層每層間隔 2.4mm，成型后 24h 拆模，養(yǎng)護(hù)至 3d、7d 齡期后測試板材性能。

表2 自流平砂漿配合比 g/kg 砂漿

1.2 玻璃纖維增強(qiáng)板試樣制備方法

將按照砂漿配比拌制的均勻制得自流平砂漿后，將少量砂漿裝入 300mm×120mm×12mm 的矩形模具中，用刮板（見圖 1）刮平，依次鋪設(shè)耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布，每次倒入自流平砂漿后用刮板刮平，最后將模具裝滿刮平成型[10]（見圖 2）。24h 后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 3d 測定板材的抗折強(qiáng)度和沖擊性能；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 7d 測量板材原始長度后開始收縮試驗。

圖1 不同深度的砂漿刮板

圖2 砂漿入模成型的狀態(tài)

1.3 玻璃纖維增強(qiáng)板試樣的抗折試驗方法

根據(jù) GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》選擇四點抗折法，如圖 3 所示，用于測定不同纖維網(wǎng)格布層數(shù)時板的抗折強(qiáng)度[10]。

圖3 板抗折試驗夾具簡圖

試驗時將板試樣成型面朝上放置在抗折夾具的壓頭間，保證板試樣中心與壓頭中心重合。調(diào)整至壓頭與板試樣剛好接觸時開始抗折測試。

1.4 玻璃纖維增強(qiáng)板試樣的沖擊試驗方法

根據(jù) GB/T 1451—2005《纖維增強(qiáng)塑料簡支梁式?jīng)_擊韌性試驗方法》進(jìn)行玻璃纖維增強(qiáng)水泥板抗沖擊性能試驗。選用 DTM1203-C1 落錘試驗機(jī)，如圖 4[10]所示。落錘質(zhì)量為 5kg，直徑 30mm，下落高度為 20cm。下落時保證每次落錘高度一致。記錄板試樣破壞時的沖擊次數(shù)及每次沖擊后板試樣的沖擊破壞面直徑。

圖4 落錘試驗機(jī)

1.5 玻璃纖維增強(qiáng)板試樣的收縮試驗方法

根據(jù) JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行板材的收縮試驗。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 7d 后安裝收縮架及千分表，測量之后 28d 板的收縮值。測試選取 4 個縱向、2 個橫向共 6 個等距記錄點，如圖 5[10]所示。保證測試溫度為 20℃±2℃，相對濕度為 60%±3%。

圖5 收縮試驗記錄點位置

2 結(jié)果與分析

2.1 玻璃纖維增強(qiáng)板抗折強(qiáng)度結(jié)果與分析

C 組（純水泥）、S 組（礦渣粉）、F 組（粉煤灰+硅粉）砂漿的玻璃纖維增強(qiáng)板材的抗折強(qiáng)度結(jié)果見表 3 和圖 6～8。

表3 纖維克重和層數(shù)對板材抗折強(qiáng)度的影響 MPa

圖6 纖維克重和層數(shù)對板材抗折強(qiáng)度的影響(C)

圖7 纖維克重和層數(shù)對板材抗折強(qiáng)度的影響(S)

圖8 纖維克重和層數(shù)對板材抗折強(qiáng)度的影響(F)

由表 3 和圖 6～8 可以看出，采用硫鋁酸鹽水泥制備玻璃纖維增強(qiáng)板時，除摻入礦渣粉的 2 層 165 克重纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)板外，不同克數(shù)的纖維增強(qiáng)板隨齡期的增長其抗折強(qiáng)度都有不同程度的增加。相同克數(shù)的纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)板中，鋪設(shè) 4 層的板材抗折強(qiáng)度均大于鋪設(shè) 2 層纖維的板材強(qiáng)度。

相同層數(shù)纖維網(wǎng)格布的純水泥增強(qiáng)板中，100 克重及 165 克重的纖維網(wǎng)格布板材抗折強(qiáng)度相差不大，135 克重纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)板材的抗折強(qiáng)度較低，4 層纖維增強(qiáng)板 3d、7d 抗折強(qiáng)度僅為同組最高值的 81.3%、82.91%。相同層數(shù)纖維網(wǎng)格布的摻加礦渣粉增強(qiáng)板中，抗折強(qiáng)度最高的是 135 克重的纖維網(wǎng)格布板材試樣，4 層纖維增強(qiáng)板試樣 3d、7d 抗折強(qiáng)度為分別為同組最低值的 1.18、1.10 倍；100 克重及 165 克重的纖維網(wǎng)格布板材抗折強(qiáng)度相差不大。相同層數(shù)纖維網(wǎng)格布的粉煤灰復(fù)摻硅粉增強(qiáng)板中，2 層纖維增強(qiáng)中板 7d 抗折強(qiáng)度最高的為摻入克重 135 的試樣，4 層纖維增強(qiáng)板中 7d 抗折強(qiáng)度最高的為摻入克重 165 的試樣。

綜合而言，纖維網(wǎng)格布的鋪設(shè)層數(shù)影響板材的抗折強(qiáng)度，且隨層數(shù)增加強(qiáng)度提高。纖維克重與礦物摻合料共同影響板材的抗折強(qiáng)度。

2.2 玻璃纖維增強(qiáng)板抗沖擊性能結(jié)果與分析

C 組（純水泥）、S 組（礦渣粉）、F 組（粉煤灰+硅粉）砂漿的玻璃纖維增強(qiáng)板材在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 3d、7d 后進(jìn)行抗沖擊試驗結(jié)果見表 4 和圖 9～11。

表4 纖維對板材沖擊性能的影響

圖9 纖維對板材沖擊性能的影響（C 組）

圖10 纖維對板材沖擊性能的影響（S 組）

由表 4 和圖 9～11 可以看出，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，同種板材所能承受的沖擊次數(shù)增加且沖擊后破壞面直徑減小，即抗沖擊能力提高。相同克數(shù)的纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)板中，鋪設(shè) 4 層的板材抗沖擊性能均大于鋪設(shè) 2 層纖維的板材，如純水泥纖維增強(qiáng)板在養(yǎng)護(hù) 7d 后鋪設(shè) 2 層纖維網(wǎng)格布只能承受 4 次沖擊，而鋪設(shè) 4 層纖維網(wǎng)格布可承受 5 次沖擊，且相同沖擊次數(shù)下 4 層纖維板破壞直徑均低于 2 層纖維板。

相同層數(shù)纖維網(wǎng)格布的純水泥增強(qiáng)板中，鋪設(shè)纖維克重為 100 的板材抗沖擊性能較差。2 層網(wǎng)格布增強(qiáng)板在 3d 齡期時只能承受三次沖擊，在 7d 齡期時沖擊坑直徑隨沖擊次數(shù)增長較大。4 層網(wǎng)格布增強(qiáng)板在 3d、7d 時沖擊破壞直徑隨沖擊次數(shù)迅速增大。相同層數(shù)纖維網(wǎng)格布的摻加礦渣粉增強(qiáng)板中，鋪設(shè)纖維克重為 135 的板材抗沖擊性能最好，3d 齡期的 2 層、4 層板所承受的最大沖擊次數(shù)均比其他克重纖維板材多且沖擊破壞直徑小。相同層數(shù)纖維網(wǎng)格布的粉煤灰復(fù)摻硅粉增強(qiáng)板中，鋪設(shè) 4 層纖維時的抗沖擊性能差異較小。

綜合以上可知，鋪設(shè) 4 層纖維網(wǎng)格布的板材抗沖擊性能強(qiáng)于 2 層纖維布板材，其中鋪設(shè) 2 層克重 165 網(wǎng)格布板材、4 層克重 135 纖維網(wǎng)格布板材的抗沖擊性能較好。

圖11 纖維對板材沖擊性能的影響（F 組）

2.3 玻璃纖維增強(qiáng)板收縮性能結(jié)果與分析

C 組（純水泥）、S 組（礦渣粉）、F 組（粉煤灰+ 硅粉）砂漿的玻璃纖維增強(qiáng)板材的收縮試驗結(jié)果見表 5～7 和圖 12～14。

表5 纖維層數(shù)對板材干縮性能的影響 (C 組)

圖12 纖維層數(shù)對板材干縮的影響 (C 組)

表6 纖維層數(shù)對板材干縮性能的影響 (S 組)

表7 纖維層數(shù)對板材干縮性能的影響 (F 組)

圖13 纖維層數(shù)對板材干縮的影響 (S 組)

圖14 纖維層數(shù)對板材干縮的影響 (F 組)

可以看出，鋪設(shè)纖維網(wǎng)格布后可明顯改善板材的收縮性能，且隨著鋪設(shè)層數(shù)的增加改善效果越顯著。相同鋪設(shè)層數(shù)的纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)板中，隨著纖維克重的增加，板材的收縮減小。纖維板材的主要收縮發(fā)生在早期，鋪設(shè) 4 層纖維的板材在 4d 前快速收縮，而 2 層纖維板材在 7d 前依然為快速收縮。

綜合而言，摻入纖維網(wǎng)格布可大幅降低板材的收縮，其中可通過鋪設(shè)層數(shù)及克重影響板材，增加網(wǎng)格布層數(shù)或選擇較高克重的纖維布均可降低板材的收縮率，使其抗收縮變形能力提高。

2.4 玻璃纖維增強(qiáng)板的機(jī)理分析

不同克重纖維對板材性能的影響存在差異，究其原因是其微觀形貌不同，對纖維放大 50 倍后觀察表面形態(tài)，如圖 15 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，克重為 100 和 135 的纖維表面較為光滑，且纖維束粘結(jié)凝聚在一起，導(dǎo)致纖維與砂漿的接觸界面較弱；克重為 165 的纖維表面較為粗糙，可與砂漿界面接合緊密，界面粘結(jié)力強(qiáng)。

圖15 不同克重纖維網(wǎng)格布的微觀形貌

觀察抗折破壞后鋪設(shè) 2 層及 4 層纖維網(wǎng)格布板的破壞狀態(tài)，發(fā)現(xiàn) 2 層纖維板的破壞主要是纖維斷裂，而 4 層纖維板的破壞主要為纖維被抽出。分析原因為纖維與砂漿的抗拉強(qiáng)度不相匹配，纖維強(qiáng)度高于砂漿，在抗折試驗過程中強(qiáng)度取決于纖維的強(qiáng)度及纖維與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度。鋪設(shè) 2 層纖維網(wǎng)格布時，纖維的強(qiáng)度較低，此時纖維與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度大于纖維的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致破壞狀態(tài)主要為纖維斷裂。鋪設(shè) 4 層纖維網(wǎng)格布的板材，此時纖維的強(qiáng)度大于與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度，于是破壞狀態(tài)主要為纖維與砂漿界面的破壞。

綜合來看，板材的抗折強(qiáng)度是纖維與砂漿抗拉強(qiáng)度及纖維與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度共同決定。這就解釋了鋪設(shè)克重為 165 纖維布的板強(qiáng)度低的原因，盡管克重 165 纖維的抗拉強(qiáng)度高，但由于砂漿強(qiáng)度較低，無法與纖維起到較好協(xié)同作用，從而板材的抗折強(qiáng)度低。

抗沖擊試驗中，纖維可抵擋一部分外界沖擊力，所以鋪設(shè)纖維的板材抗沖擊性能較好。克重 165 的纖維抗拉強(qiáng)度高、延展性好，但同樣纖維層數(shù)時，鋪設(shè) 135 克重纖維的板材抗沖擊性能好于 165 克重纖維增強(qiáng)板?？酥?165 纖維布的網(wǎng)格孔較大，網(wǎng)格點分布疏松，傳遞外界沖擊力能力弱于 135 纖維布，所以鋪設(shè) 135 克重纖維的板材抗沖擊性能更好。板材的齡期同樣影響纖維對板材的作用。隨著砂漿水化反應(yīng)的進(jìn)行，其與纖維的粘結(jié)作用更強(qiáng)，且砂漿的強(qiáng)度不斷提高，所以鋪設(shè)纖維的砂漿板材隨齡期增長，抗折強(qiáng)度及抗沖擊能力提高。

收縮試驗中，鋪設(shè)纖維后板材的抗收縮性能提高，且克重 165 的纖維增強(qiáng)板收縮最小。由圖 15 可看出，165 克重纖維表面較粗糙，從而與砂漿結(jié)合更緊密，當(dāng)砂漿有收縮傾向時，纖維可提供更大的抑制收縮的作用力。

3 結(jié)論

為了研究玻璃纖維對板材的性能影響，進(jìn)行了抗折試驗、抗沖擊試驗及收縮試驗。根據(jù)試驗分析，得出以下結(jié)論：

（1）鋪設(shè)纖維網(wǎng)格布可以顯著提升板材的抗折、抗沖擊以及抗收縮性能。相同克數(shù)的纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)板中，鋪設(shè)纖維層數(shù)越多，改善板材性能越好。

（2）纖維克重同樣影響板材的性能，相同層數(shù)、配比但克重不同的纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)板的性能差異較大?？酥貫?135 纖維網(wǎng)格布因其抗拉強(qiáng)度高、網(wǎng)格孔大小適中，所以增強(qiáng)板的抗折強(qiáng)度及抗沖擊性能較好?？酥貫?165 的纖維網(wǎng)格布因其表面粗糙，與砂漿結(jié)合緊密，可顯著改善板材的抗收縮性能。

（3）纖維網(wǎng)格布與不同膠凝材料對板材的作用相輔相成，可提高板材的抗折強(qiáng)度、抗沖擊性能以及收縮性能，但具體作用效果仍需總結(jié)纖維的表面形態(tài)和膠凝材料的水化程度。綜合而言，克重為 135 纖維網(wǎng)格布與摻加礦渣粉的砂漿結(jié)合較好，改善效果較明顯，克重為 165 纖維網(wǎng)格布與粉煤灰復(fù)摻硅粉的砂漿作用較好。