砂膠比對GRC 抗彎強度和韌性的影響

唐世標 張 健 劉文昌

（1 廣州立墻墻體材料有限公司)

(2 廣州大學土木工程學院)

(3 廣州番禺喬興建設安裝工程有限公司）

玻璃纖維增強水泥（簡稱GRC）是以水泥砂漿或水泥凈漿為基體、以耐堿玻璃纖維為增強材料制成的復合材料。GRC 制品價格低、自重輕、阻燃性好、比強度較高，作為一種具有發展潛力的復合材料廣泛應用于建筑工程、市政工程、城市景觀、農用構件、水利工程等領域。GRC 制品的抗彎強度和韌性是影響用戶選用的關鍵因素，也是研究人員關注的重點[1-2]。由于玻璃纖維的強韌化作用，GRC 具有較高的強度，斷裂韌性有顯著改善[3-4]。GRC 破壞過程不同于普通混凝土的脆性破壞，呈現彈塑性特征，有一個塑性延展過程[5]。

關于砂膠比對GRC 抗彎性能影響的研究較少，崔琪[6]認為在水灰比為0.38 和0.4 的兩種情況下，GRC 抗彎強度隨砂膠比的增加而有所降低，但砂膠比的增加對工藝成型影響較大，一般選擇砂膠比為1.0 比較適宜。玻璃纖維加入方式的不同對于GRC 性能有很大影響，預混法可應用于有一定坡度甚至立面成型，易于制作細膩復雜表面的GRC 制品[7]。本文通過實驗研究膠砂比對預混澆注法GRC 抗彎強度的影響，以及通過彎曲應力-撓度曲線分析GRC 的破壞過程，以期掌握砂膠比對GRC 彎曲性能的影響規律。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

⑴耐堿玻璃纖維，纖維單絲直徑15μm，玻璃纖維長度為12mm，單股線密度98tex，湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司產品（圖1）。

圖1 玻璃纖維

⑵低堿度硫鋁酸鹽水泥（L.SAC），強度等級42.5，廣西云燕特種水泥建材有限公司產品。

⑶河砂，經2.36mm 方孔篩過篩，市售。

⑷減水劑，聚羧酸系高性能減水劑，中交第四航務工程局有限公司下屬材料公司。

1.2 實驗方法

本實驗GRC 試樣采用預混澆注法成型。將水泥、砂、水加入攪拌機，攪拌1min 后加入短切玻璃纖維繼續攪拌3min，澆注入試模制成10mm 厚大板。將大板置于養護室恒溫養護4d 后，再切割成6 塊規格為250mm×50mm 的抗彎試件，置于通風良好的室內風干6d，對試樣進行四點彎曲試驗（圖2）。試驗參照《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》GB/T15231－2008 進行。支座間距210mm，試樣上方有兩個對稱的加載點，加載點間距離70mm。用微機控制全自動測試系統上進行抗彎實驗，加載過程的荷載-撓度曲線利用實驗機自帶傳感器和軟件系統記錄。

1.3 配合比設計

圖2 GRC 抗彎試驗

為研究砂膠比對預混澆注GRC 抗彎性能的影響，試驗設計了從0.75 到1.75 的五個不同砂膠比GRC 樣。GRC 拌合物水膠比為0.40，玻璃纖維用量為固體組分的2.5%（質量比）。為研究玻璃纖維對GRC 抗彎強度的影響程度，還設計了分別與上述不同砂膠比GRC 配合比相對應的五種無玻璃纖維對比砂漿。當砂膠比較高時，適當添加減水劑來調整拌合物的流動度。為減少玻璃纖維的加入對拌合物流動性的影響，實驗采用內摻法，即加入玻璃纖維的同時相應減少等質量的砂子。

不同砂膠比GRC 和對比砂漿試樣的配合比如表1所示。

表1 不同砂膠比GRC 和對比砂漿試樣的配合比

2 砂膠比對GRC 抗彎強度的影響

圖3 所示為砂膠比對GRC 和對比砂漿抗彎強度的影響。從圖3 可以看出，水膠比為0.4 時，隨著砂膠比增大，無玻璃纖維的對比砂漿試樣抗彎強度呈下降趨勢。砂膠比從0.75 增加至1.75，對比砂漿的抗彎強度從10.2MPa 下降到7.8MPa，降幅為23.5%。這是由于砂膠比增大，用于包裹砂粒的水泥漿體不夠，從而降低了對比砂漿的強度。但砂膠比偏大時，水泥漿體不足以密實砂粒間的空隙，拌合物的流動性反而下降，成型變得越來越困難，成型后試樣內部有較多空隙，導致強度不降低。

圖3 砂膠比與GRC 抗彎強度的關系

圖3 顯示GRC 抗彎強度-砂膠比曲線整體較平緩，表明隨著砂膠比的增加，GRC 抗彎強度也略有下降。與砂膠比對砂漿抗彎強度的影響相比，其對GRC 抗彎強度的影響較小。砂膠比從0.75 增至1.75，GRC 抗彎強度從8.5MPa 下降至7.9MPa，降幅僅為7.1%。考慮到水泥用量增加導致GRC 收縮增大，成本上升，采用較高的砂膠比是有利的。

3 砂膠比對GRC 彎曲韌性的影響

圖4 所示為不同砂膠比GRC 的典型彎曲應力-撓度曲線。從圖4 可以看出，砂膠比不同的GRC 抗彎破壞時表現出不同的韌性特征。不同砂膠比GRC 的應力-撓度曲線頂部特征不同，當砂膠比為1.00 和1.25 時，應力-撓度曲線頂部呈弧形，表明GRC 具有韌性特征；而砂膠比為0.75、1.50 和1.75 時，應力-撓度曲線頂部尖銳，表面應力達到峰值時試件迅速破壞，表現較為明顯的脆性破壞特征。當砂膠比較低時，富足的水泥漿體將玻璃纖維緊密包裹，使玻璃纖維難以從基體中拔出而表現為脆性斷裂，不能起到分散裂紋的效果，GRC 表現為脆性破壞；而砂膠比很高時，砂粒對玻璃纖維產生擠壓彎曲的物理破壞作用，使玻璃纖維斷裂而不能夠拔出，也降低了GRC 的韌性。因此，過高或過低的砂膠比對 GRC 的增韌效果都起負作用。

圖4 不同砂膠比配制GRC 的典型彎曲應力- 撓度曲線

4 結論

本文研究了砂膠比對預混法GRC 抗彎性能的影響，得出如下結論：

⑴隨著砂膠比的增加，GRC 抗彎強度也略有下降。砂膠比從0.75 增至1.75，GRC 抗彎強度從8.5MPa 下降至7.9MPa，降幅為7.1%。考慮到水泥用量增加導致GRC收縮增大，成本上升，采用較高的砂膠比是有利的。

⑵不同砂膠比GRC 的應力-撓度曲線頂部特征不同，當砂膠比為1.00 和1.25 時，GRC 具有較好的韌性特征，過高或過低的砂膠比對GRC 的增韌效果都起負作用。