玻璃纖維增強(qiáng)水泥研究進(jìn)展及應(yīng)用綜述

摘" 要：本文簡(jiǎn)單介紹了GRC制品的歷史發(fā)展過(guò)程及近年國(guó)內(nèi)GRC原材料、生產(chǎn)工藝的研究成果和應(yīng)用情況，并結(jié)合目前GRC行業(yè)發(fā)展面臨的問(wèn)題，并給出了解決方法建議。

關(guān)鍵詞：（GRC）玻璃纖維增強(qiáng)水泥；原材料；生產(chǎn)工藝；應(yīng)用文章編號(hào)：2095-4085（2024）11-0223-03

作者簡(jiǎn)介：宋振業(yè)（1986—），男，河北廣宗人，本科學(xué)歷，工程師，一級(jí)建造師，主要研究方向?yàn)樗嗷ㄖ牧霞肮こ淌┕ぁ?/p>

0" 引言

玻璃纖維增強(qiáng)水泥制品（Glass fiber Reinforced Concrete/Cement，GRC）是以玻璃纖維為主要增強(qiáng)材料、以水泥、水泥砂漿或水泥混凝土為基材，并輔以外加劑、聚合物等組分，采用特定工藝制成的水泥制品，即一種水泥基的玻璃纖維增強(qiáng)材料制品。玻璃纖維增強(qiáng)水泥制品因具有較好的延性和裝飾性，可制作質(zhì)量輕盈的薄壁制品，易加工，抗彎抗沖擊強(qiáng)度高在建筑裝飾方面得到大量應(yīng)用。

1" GRC技術(shù)的發(fā)展

GRC技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在原材料和生產(chǎn)工藝方面。

1.1" 材料組成與性能優(yōu)化

1.1.1" 膠凝材料

降低水泥水化產(chǎn)物液相堿度并改變其水化產(chǎn)物以增強(qiáng)基體與纖維的相容性是改善GRC制品耐久性的途徑之一。改變水泥水化產(chǎn)物液相堿度的途徑有兩種：一種是采用低堿度水泥；另一種是摻加可以和堿性物質(zhì)反應(yīng)的活性摻合料。1978年，中國(guó)建材院和上海白水泥廠研制了I型低堿度硫鋁酸鹽水泥，后續(xù)相關(guān)單位又制定了Ⅰ型低堿度水泥標(biāo)準(zhǔn)并于1986年10月起開(kāi)始實(shí)施。汪宏濤［1］、楊毅男［2］等分別研究了粉煤灰、硅灰、礦渣和偏高嶺土等摻合料對(duì)CRC耐久性的影響，并對(duì)礦物摻合料改善CRC耐久性的機(jī)理作了初步分析探討。馮乃謙［3］認(rèn)為粉煤灰、礦渣粉、硅粉、沸石粉、鋰渣粉及白色的重鈣粉、石英粉、偏高領(lǐng)土等材料都可在白色清水混凝土中使用，但摻和材的摻入一般會(huì)降低混凝土的白度，并試驗(yàn)了一種對(duì)清水混凝土白度無(wú)影響SY粉，對(duì)白色GRC原材料中礦物摻合料的選用具有借鑒意義。蘭明章［4］等研究表明高貝利特硫鋁酸鹽水泥漿體中沒(méi)有游離的氫氧化鈣晶體形成。2021年南昌大學(xué)與江西銀杉白水泥公司開(kāi)發(fā)的“煅燒超高白高強(qiáng)白色硫鋁酸鹽水泥熟料關(guān)鍵技術(shù)”應(yīng)用獲得成功，生產(chǎn)的白色硫鋁酸鹽水泥亨特白度達(dá)93［5］，為白色GRC制品的生產(chǎn)提供了新的膠凝材料選擇。

1.1.2" 玻璃纖維

20世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)在簡(jiǎn)易試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行過(guò)GRC的大規(guī)模推廣，但發(fā)現(xiàn)玻璃纖維后期強(qiáng)度大幅下降，1961年建工部發(fā)布了不準(zhǔn)使用玻璃纖維增強(qiáng)水泥材料的禁令。20世紀(jì)60年代到70年代廈門建筑設(shè)計(jì)院和蘇州水泥制品研究院等單位采用有機(jī)物被覆中堿纖維及鋁酸鈉處理中堿纖維等技術(shù)方案對(duì)玻璃纖維在水泥制品中的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究或部分應(yīng)用，但都因耐堿侵蝕性能不佳或生產(chǎn)陳本過(guò)高未能大面積推廣使用。20世紀(jì)60年代后期，英國(guó)研制成功ZrO2含量為16%的Cem-FIL抗堿玻璃纖維，并于1971年引入市場(chǎng)，使GRC制品的長(zhǎng)期耐久性得到改善。1975年中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院玻璃纖維室開(kāi)始研制抗堿玻璃纖維，通過(guò)同時(shí)引入ZrO2和TiO2（14.5%ZrO2和6%TiO2），不僅能提高玻璃纖維抗堿性，而且能降低拉絲溫度，從此開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)抗堿玻璃纖維的發(fā)展道路［6］。1975年，日本電氣硝子公司和鐘紡公司成功開(kāi)發(fā)了含有20%ZrO2的耐堿玻璃纖維。吳豐年［7］系統(tǒng)研究了利用高爐礦渣等工業(yè)廢棄物制備耐堿玻璃纖維的可行性，并制備了耐酸堿侵蝕性能可達(dá)到市場(chǎng)上的AR耐堿纖維玻璃水平的試樣。

目前國(guó)內(nèi)GRC生產(chǎn)使用的玻璃纖維有抗堿玻璃纖維和高抗堿玻璃纖維，ZrO2含量分別可達(dá)到14.5%和16%以上，主要產(chǎn)品類型有各種一維的耐堿短切纖維、無(wú)捻粗紗，二維的耐堿玻纖網(wǎng)格布、耐堿玻璃纖維氈及三維空間間隔連體織物等，并根據(jù)不同用途開(kāi)發(fā)了各種不同直徑和線密度及被覆各種涂層的產(chǎn)品。

1.1.3" 骨料

GRC行業(yè)主要采用天然石英砂作為骨料，GRC制品的生產(chǎn)和使用要消耗大量不可再生的天然砂資源，肖建莊［8］等引用國(guó)外資料認(rèn)為固體廢棄物可作為再生骨料使用，并根據(jù)再生骨料的不同顏色和性能進(jìn)行分別利用，并可考慮采取“色選法”對(duì)再生骨料進(jìn)行顏色分選。程海麗［9-12］等認(rèn)為廢混凝土和廢舊磚再生骨料均可以改善GRC基體的性能，同時(shí)還可減輕GRC中玻璃纖維的被腐蝕程度，從而可以在一定程度上改善GRC的耐久性。項(xiàng)斌峰等［13-14］認(rèn)為：再生骨料含有較多的有害孔級(jí)和多害孔級(jí)的孔，隨著再生骨料的加入，再生GRC的孔隙率增加，從而增大了吸水率，增大再生骨料取代摻量會(huì)增多再生GRC中有害和多害孔級(jí)的孔數(shù)量，減少無(wú)害孔級(jí)的孔數(shù)量，對(duì)材料力學(xué)性能和吸水率的造成不利影響。再生GRC的抗壓、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度隨廢混凝土的取代率提高都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。米力等［15］開(kāi)展了煤矸石陶粒對(duì)GRC墻板導(dǎo)熱系數(shù)影響的研究。

1.1.4" 聚合物乳液及其他添加劑

丙烯酸乳液具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和施工操作性，被廣泛用于改善水泥基材料的性能。沈榮熹［16］歸納了五種改善GRC長(zhǎng)期耐久性的辦法，抗堿玻璃纖維（或E-玻璃纖維）+（波特蘭水泥+某種聚合物乳液）是改善GRC長(zhǎng)期耐久性的辦法之一。丙烯酸乳液可改善新拌砂漿的流動(dòng)性、保水性和黏聚性，有利于GRC制作施工。砂漿中加入或在GRC制品表面噴灑適量的丙烯酸乳液都可起到保水養(yǎng)護(hù)作用。丙烯酸乳液的加入可增加硬化GRC砂漿的柔韌性，防水性能和抗氯離子滲透性能。

消泡劑可消除大氣泡，使GRC制品的密實(shí)性能得到改善，增加其耐久性。觸變潤(rùn)滑劑能改善砂漿的施工性能，尤其是施工異形構(gòu)件時(shí)能通過(guò)增加砂漿的觸變性使砂漿不易流墜，提高施工效率。減水劑可降低GRC砂漿的水膠比，提高砂漿基材的抗壓強(qiáng)度，增加砂漿基材對(duì)玻璃纖維的握裹力。

1.2" GRC生產(chǎn)工藝

1.2.1" 配料工藝

GRC的制作原材料涉及水泥、摻合料、骨料、玻璃纖維、聚合物乳液、多種添加劑及顏料等，配比中各種原材料重量差距大，不同重量等級(jí)的原材料需要選用不同精度的衡器。同時(shí)由于單次攪拌量較小，使得稱料次數(shù)頻繁，人工稱量極易出錯(cuò)。采用預(yù)拌干混砂漿生產(chǎn)系統(tǒng)，自動(dòng)上料，自動(dòng)稱量，并攪拌預(yù)混，可有效解決上述問(wèn)題。將水泥、摻合料、骨料、粉體添加劑和顏料等粉體原料采用預(yù)拌干混砂漿生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)混，并按固定包裝規(guī)格進(jìn)行包裝，使用時(shí)將預(yù)混的干拌砂漿與液體原材料混合，實(shí)現(xiàn)原材料均勻一致的目的。

1.2.2" 攪拌工藝

GRC多采用硫鋁酸鹽水泥，水泥凝結(jié)較快，同時(shí)GRC制作工藝決定了其用料速度，因此砂漿的濕攪拌多采用“少量多次”的攪拌方法，一般每次攪拌量可在50～100kg之間。GRC原料濕攪拌分為不含玻璃纖維的砂漿攪拌和玻璃纖維砂漿預(yù)混攪拌兩種情況。玻璃纖維砂漿預(yù)混攪拌需要考慮攪拌過(guò)程中對(duì)纖維的損傷，可采用雙速臥式攪拌機(jī)，有高低兩檔可供使用時(shí)選擇，每次可攪拌100斤料，每鍋攪拌耗時(shí)1分鐘，生產(chǎn)效率高，纖維分散均勻，對(duì)纖維的損傷較小，一臺(tái)雙速臥式攪拌機(jī)可同時(shí)供2個(gè)噴射施工班組使用［17］。

1.2.3" 制作工藝

我國(guó)GRC制品生產(chǎn)所采用的工藝主要有直接噴射法、噴吸法、預(yù)混噴射法、預(yù)混泵注法、預(yù)混擠壓法、立模澆注法、流漿法、鋪網(wǎng)抹漿法等［18］。GRC制品的生產(chǎn)工藝從手工噴射成型起步，由于噴射成型工藝具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、適用面較廣、產(chǎn)品物理力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的制品生產(chǎn)廠均以噴射成型工藝為主。噴射成型工藝操作過(guò)程是將連續(xù)的玻璃纖維無(wú)捻粗紗經(jīng)噴槍切割成短纖維，同時(shí)再將玻纖與水泥砂漿一起噴射到模具上成型制品。20世紀(jì)80年代初期我國(guó)從日本引進(jìn)噴射成型用噴槍和螺桿泵，并逐漸完成消化吸收和國(guó)產(chǎn)化，現(xiàn)已大面積采用。噴射成型工藝噴射作業(yè)面較大，噴槍與模具要保持一定的工作距離，因此此種工藝比較適用于大尺寸、造型相對(duì)簡(jiǎn)單的制品生產(chǎn)，而復(fù)雜造型產(chǎn)品的制作，如造型復(fù)雜的外墻板及細(xì)長(zhǎng)型制品如欄桿、扶手，只能采取手工成型。為此，崔琪等開(kāi)發(fā)了預(yù)混噴射法，并進(jìn)行了大面積推廣應(yīng)用［17-18］。

1.2.4" 養(yǎng)護(hù)工藝

一般硫鋁酸鹽水泥制作的GRC養(yǎng)護(hù)期不少于3d，采用硅酸鹽水泥制作的GRC養(yǎng)護(hù)期不低于28d，養(yǎng)護(hù)溫度不低于10℃。養(yǎng)護(hù)時(shí)不含丙烯酸乳液的GRC應(yīng)采用覆蓋灑水等保濕措施。程從密等研究了濕熱養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥制品性能的影響，認(rèn)為GRC抗彎強(qiáng)度是砂漿強(qiáng)度增長(zhǎng)和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結(jié)果［19-20］。

2" GRC應(yīng)用領(lǐng)域

GRC制品主要作為非承重構(gòu)件及臨時(shí)承重構(gòu)件使用，最常見(jiàn)的如GRC墻板包括外墻板及內(nèi)墻板吊頂板，如輕質(zhì)多孔隔墻板、裝飾墻板、夾芯復(fù)合墻板等，建筑裝飾制品與園林景觀如假山、屋檐花、羅馬柱、窗套、門飾欄桿、扶手、窗欞、斗拱、涼亭、雕塑、垃圾桶、座椅等，GRC也可用于制作永久性模板，既有實(shí)用性，也有一定裝飾性。同時(shí)也有大量的排煙管道、排氣管道等采用GRC制作。崔琪［21］報(bào)道了GRC在糧倉(cāng)建筑中的應(yīng)用。肖云驤等［22］介紹了采用GRC復(fù)合材料制造非金屬箱式變電站箱體的工藝。隨著GRC質(zhì)量的提升，GRC制品有望在承重場(chǎng)景中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

3" GRC存在的問(wèn)題及發(fā)展展望

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)房地產(chǎn)市場(chǎng)的大爆發(fā)，GRC行業(yè)也迎來(lái)了持續(xù)二十余年的快速發(fā)展，GRC新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。但仍有許多問(wèn)題需要引起足夠重視。

一是GRC的耐久性問(wèn)題，GRC的耐久性主要表現(xiàn)在隨時(shí)間推移，GRC制品內(nèi)玻璃纖維性能的劣化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。這就需要在GRC制品實(shí)用設(shè)計(jì)時(shí)考慮強(qiáng)度衰減問(wèn)題，以制定合理的使用年限和載荷設(shè)計(jì)強(qiáng)度。同時(shí)新型低堿度膠凝材料的開(kāi)發(fā)和高抗堿玻璃纖維的推廣應(yīng)用以及玻璃纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)步，都是解決GRC耐久性問(wèn)題的重要途徑。

二是GRC制品生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量管理問(wèn)題，即生產(chǎn)工藝控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)GRC生產(chǎn)目前大多設(shè)備簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度低，人工操作對(duì)制品質(zhì)量影響很大，造成GRC制品質(zhì)量波動(dòng)很大。同時(shí)由于缺少質(zhì)量控制意識(shí)，部分廠家纖維摻量嚴(yán)重不足，甚至采用非抗堿玻璃纖維進(jìn)行生產(chǎn)，給GRC制品和建筑質(zhì)量埋下了很大隱患。發(fā)展GRC制作自動(dòng)化設(shè)備，引入智能制造技術(shù)有利于解決人工制作勞動(dòng)強(qiáng)度大和質(zhì)量波動(dòng)大的問(wèn)題。同時(shí)提高GRC行業(yè)從業(yè)人員素質(zhì)，加強(qiáng)行業(yè)自律和行業(yè)監(jiān)督水平都是提升GRC品質(zhì)的重要途徑。

三是制品的開(kāi)裂和變形問(wèn)題。由于GRC制品自身干濕變形大，同時(shí)由于多屬于薄壁構(gòu)件，受環(huán)境干濕影響大，很容易處于全干或飽水狀態(tài)，造成變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得不到釋放，出現(xiàn)變形開(kāi)裂問(wèn)題。這需要在設(shè)計(jì)和安裝施工上避免GRC構(gòu)件處于自由變形受限狀態(tài)。

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