嚴寒環境下雙摻礦物摻合料對玻璃纖維增強水泥構件抗彎、抗沖擊強度的影響

喻 林 李建波 王學雷

1. 河海大學力學與材料學院 江蘇 南京 210098；

2. 蘇寧置業集團有限公司 江蘇 南京 210042

玻璃纖維增強水泥（GRC）材料具有材質輕、強度高、抗裂性能好、抗凍性好、抗沖擊強度高、清潔環保、安裝便捷、可塑性強及造型多變等特點[1]。目前，GRC因其輕質高強等特點而被廣泛應用。傳統GRC構件主要用于非承重結構，通過提高其耐久性，GRC構件也被應用于半承重結構。

GRC試件不僅涉及人們的住、行、用等多方面，而且在一些重大的軍事工程中也有它們的身影[2-3]。隨著制作玻璃纖維水平的提高，GRC構件的應用得到了推廣。玻璃纖維在GRC制品中既增強了界面區的強度，有效地抑制裂縫的產生與發展，又使水泥內部的應力集中得到消除[4-7]。但是GRC構件的耐久性能，尤其是在潮濕環境下強度與韌性降低的問題沒有得到解決。

關于摻加活性礦物摻合料以改進GRC試件力學性能方面的研究較少，而針對GRC試件在經過凍融循環后的力學性能研究則更少。本文結合項目工程實際，通過雙摻不同礦物摻合料對GRC試件的抗凍性能進行研究，從而確定GRC試件的最佳配合比，制備高強、增韌及耐久性強的GRC構件。

1 試驗方案

1.1 試驗用原材料

本試驗所用拌和水為自來水，其參數符合行業規范 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》相關規定；細集料（級配合理的中砂）所用砂為湖砂，來自洞庭湖，細度模數為2.7，含泥量為0.8%；偏高嶺土是河南鞏義市辰義耐材磨料公司生產的，其基本性能參數見表1；耐堿玻璃纖維網格布基本化學成分、基本性能參數見表2、表3；硅灰的基本參數性能參數見表4；水泥采用安徽蕪湖海螺水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），主要化學成分為CaO、SiO2，質量分數分別58%、23%，其初凝時間、終凝時間分別為158、231 min，抗壓強度、抗折強度（28 d）分別為42.5、6.5 MPa；粉煤灰是由江蘇省某國網熱電廠生產的F類Ⅰ級粉煤灰，其基本性能參數見表5；采用的減水劑為江蘇尼高科技有限公司生產的高效減水劑。

表1 偏高嶺土的基本性能參數

表2 耐堿玻璃纖維網格布基本化學成分質量分數

表3 耐堿玻璃纖維網格布基本性能參數

表4 硅灰的基本性能參數

表5 粉煤灰基本性能參數

1.2 配合比設計

GRC試件配合比試驗要求：水膠比0.38，膠砂比1∶1，玻璃纖維網格布體積摻量為3%，高效減水劑摻量為0.6%～1.0%，添加雙摻活性礦物摻合料試驗組（偏高嶺土摻入比例〔質量分數，下同〕范圍為10%～40%、硅灰摻入比例范圍為5%～10%、粉煤灰摻入比例范圍為10%～50%），偏高嶺土、硅灰、粉煤灰摻量梯度分別為10%、5%、10%。

試驗對各組改性水泥試件抗壓強度、抗折強度以及減少減水劑使用等方面因素進行比較，選取了以下4種雙摻礦物的摻入比例：Si5＋Mk20、Si10＋Fa20、Si10＋Mk20、Fa20＋Mk20（Si代表硅灰，Mk代表偏高嶺土，Fa代表粉煤灰，字母后綴的數字代表摻入比例）。優化后，外加劑用量根據流動度相同的原則調整。根據配合比要求進行稱料配比，通過調節用水量和減水劑量將各組拌和物的流動度控制在225 mm左右。

1.3 試驗方法

本試驗主要設備儀器：TDR-2型混凝土凍融試驗機、荷載-撓度曲線電子試驗機、電子擺錘式沖擊試驗機，分別如圖1～圖3所示。

圖1 TDR-2型混凝土凍融試驗機

圖2 荷載-撓度曲線電子試驗機

圖3 電子擺錘式沖擊試驗機

按照設定配合比進行砂漿拌和，然后澆筑GRC試件。抗彎強度試驗所用尺寸為250 mm×50 mm×10 mm，抗沖擊強度試驗所用尺寸為120 mm×50 mm×10 mm。每6個試件 為一組，24 h后進行拆模，拆模后進行標準養護28 d。當GRC試件養護齡期到達26 d時，將試件全部放入不低于0 ℃的清水中浸泡24 h，同時檢查GRC試件表面，取出因為切割而引起的缺陷部分，水的液面至少高出試件頂端2～3 cm。凍融循環試驗之前，取出GRC試件并將表面水分擦干。第25次凍融循環結束后，將取出的GRC試件表面用清水洗凈后擦拭干凈，檢查其外觀是否有起層、剝落等破壞現象，剔除其中損壞的GRC試件，然后進行宏觀力學性能試驗。

抗彎性能試驗：將250 mm×50 mm×10 mm標準尺寸的GRC試件，以6個試件為一組，養護至指定齡期，放到荷載-撓度曲線電子試驗機上進行抗彎性能試驗，結果以6個試件的算術平均值表示，精確到0.1 MPa。

抗彎比例強度、抗彎破壞強度分別按照公式（1）、（2）計算：

式中：σLOP——抗彎比例強度，單位MPa；

σMOR——抗彎破壞強度，單位MPa；

P1——抗彎比例荷載，單位N；

Pm——抗彎破壞荷載，單位N；

L——跨度，單位mm；

b——GRC試件寬度，單位mm；

h——GRC試件厚度，單位mm；

抗沖擊性能試驗：將120 mm×50 mm×10 mm標準尺寸的GRC試件，以6個試件為一組，經標準養護后，通過電子擺錘式沖擊試驗機進行抗沖擊性能試驗，以6個試件的算術平均值表示，精確到0.1 kJ/m2。

抗沖擊強度按照公式（3）計算：

式中：σ1——抗沖擊強度，單位kJ/m2；

A——沖擊能量，單位J；

b——試件寬度，單位mm；

h——試件厚度，單位mm。

2 試驗結果及分析

2.1 GRC試件的抗彎強度

經凍融循環后，計算得到不同齡期各種GRC試件抗彎強度平均值，所得數據見表6。

表6 GRC試件抗彎強度值 單位：MPa

在本次試驗中，凍融循環前表示GRC試件經標準養護28 d后進行抗彎強度試驗，凍融循環后表示GRC試件經過25次凍融循環后進行抗彎強度試驗。為了方便表示，將摻入比例Si5＋Mk20、Si10＋Fa20、Si10＋Mk20、Fa20＋Mk20依次標記為①、②、③、④。

圖4 GRC試件凍融循環前后抗彎比例強度

圖5 GRC試件凍融循環前后抗彎破壞強度

根據表6抗彎強度試驗數據，分別繪制凍融循環前后抗彎比例強度、抗彎破壞強度柱狀圖，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：經過凍融循環后，各組GRC試件的抗彎強度均呈現不同程度下降，改性（摻加摻合料）GRC試件的下降幅度低于對照GRC試件（P.O 42.5）下降幅度：前者GRC試件的抗彎強度保留率為90%，后者GRC試件抗彎強度保留率為70%。改性GRC試件②、③的抗彎破壞強度保留率分別為87.9%、87.3%，可見雙摻10%硅灰、20%粉煤灰和雙摻10%硅灰、20%偏高嶺土能夠有效提高GRC試件在凍融循環后的抗彎破壞強度。

2.2 GRC試件的抗沖擊強度

經凍融循環后，計算得到GRC試件抗沖擊強度平均值，數據見表7。

表7 GRC試件抗沖擊強度值 單位：kJ/m2

根據表7試驗數據，可繪制以改性普硅水泥為基材的GRC試件在凍融前、后抗沖擊強度柱狀圖（圖6）。

圖6 GRC試件凍融前后抗沖擊強度

由圖6可知：經過凍融后，GRC試件抗沖擊強度值有所下降，其中對照GRC試件（P.O 42.5）的強度保留率為75%左右，改性（摻加摻合料）GRC試件的強度保留率高于90%。改性GRC試件（②、③）在凍融循環后抗沖擊強度仍大于18 kJ/m2，可見雙摻10%硅灰、20%粉煤灰和10%硅灰、20%偏高嶺土能夠提高GRC試件在凍融循環后的抗沖擊性能。

2.3 機理分析

水泥基材與GRC試件玻纖網格布的連接界面是GRC試件最薄弱的環節，因為玻纖網格布表面容易產生水分富集現象，導致局部水灰比過大，從而引起氣孔尺寸與氣泡間距增大，連接界面水泥基材孔隙率也增加較多，密實度下降。因此，在凍融循環過程中界面處產生的凍脹壓力會增大，從而導致其力學性能下降，抗凍性降低。摻入活性摻合料使得水泥砂漿中的微小孔洞得到填充，雖然原來的微小孔洞變成了一個個微細毛孔，但是這些微細毛孔又有一定的連通性。在凍融循環過程中，當孔隙中水結冰，產生水壓力時，水能夠從微細毛孔經過沒有冰凍的孔擴散至自由空間，從而緩解了凍融過程中的冰脹壓力。GRC試件中的3層玻纖網格布具有很好的整體性，上下層玻纖網格布能夠很好地將所受荷載進行傳遞，增強試件的抗彎、抗拉強度，最終能使試件在凍融循環后保持較好的力學性能。

3 結語

1）經凍融循環后，GRC試件的表面未出現裂紋、分層、剝落等現象，但其抗彎強度、抗沖擊強度均有不同程度下降。

2）雙摻10%硅灰、20%粉煤灰和雙摻10%硅灰、20%偏高嶺土能夠有效提GRC試件的抗彎強度、抗沖擊強度，經凍融循環后強度保留率高于90%。