輕集料GRC 的抗彎性能

洪斯磊 楊國明

（1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院；2 廣州番禺橋興建設(shè)安裝工程有限公司）

0 引言

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（Glass fiber Reinforced Cement，GRC）是一種高性能水泥基復(fù)合材料，它是以水泥砂漿或凈漿為基體，將高彈性模量的玻璃纖維摻入其中而成。它具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、不變形、耐沖擊、防潮、防腐、抗堿、防火、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)獲得了國內(nèi)外材料界的公認(rèn)，在建筑工程、市政工程、水利工程和園林工程等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用[1-2]。Patterson 探索采用斷裂能對玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）的斷裂韌性進(jìn)行評價，并以準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴(kuò)展為基礎(chǔ)，計(jì)算了材料的韌性[3]。Robert Le Roy 研究高強(qiáng)水泥基質(zhì)和EPS 顆粒拌制的混凝土力學(xué)性能，總結(jié)了混凝土強(qiáng)度與EPS 顆粒大小及含量關(guān)系模型[4]。馬少春等[5]研究認(rèn)為耐堿玻璃纖維陶粒纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著陶粒的取代率的增加而降低。本文主要研究在GRC 中加入陶粒和EPS 對GRC 抗彎強(qiáng)度和斷裂能的影響。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用耐堿玻璃纖維為湖北匯爾杰新材料科技股份公司市售高鋯玻璃纖維，長度12mm，單股線密度98tex；低堿度硫鋁酸鹽水泥為湖南省冷水灘特種水泥廠產(chǎn)品，強(qiáng)度42.5；河砂經(jīng)2.36mm 方孔過篩，市售。本實(shí)驗(yàn)采用EPS、陶粒基本參數(shù)如表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》GB/T15231－2008 進(jìn)行，GRC 拌合物在實(shí)驗(yàn)室采用預(yù)混澆注法制備。將水泥、砂、水按照配合比加入攪拌機(jī)中攪拌1min，然后分別加入玻璃纖維和EPS、事先預(yù)濕1h的陶粒顆粒攪拌2min，澆筑入試模制成10mm 厚大板。將大板置于25±2℃水中養(yǎng)護(hù)7 d，再切割成6 塊規(guī)格為250mm×50mm 的試件，置于通風(fēng)良好的室內(nèi)風(fēng)干3d，對試樣進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。計(jì)算抗彎強(qiáng)度和斷裂能時，以6 塊試件的平均值作為代表值。

表1 EPS、陶粒基本參數(shù)

圖1 EPS

圖2 陶粒

1.3 配合比設(shè)計(jì)

陶粒和EPS 顆粒都采用內(nèi)摻法加入，不改變玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿配合比，加入EPS、陶粒顆粒的同時，相應(yīng)減少等體積的砂漿。在每立方的砂漿拌合物中加入0.2m3的EPS、陶粒。考慮到陶粒和EPS 之間的孔隙率為45%、38%，相應(yīng)的每立方米拌合物中玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿減少9.0%、7.6%。

實(shí)驗(yàn)用GRC 拌合物的水膠比為0.40，砂膠比為1.00。玻璃纖維摻量分別為0.8%、1.6%、2.4%和3.2%，并設(shè)計(jì)了無玻璃纖維摻量的同配比基準(zhǔn)砂漿。玻璃纖維摻量以纖維占固體（水泥、砂和玻璃纖維）總質(zhì)量百分比計(jì)。為減少玻璃纖維對拌合物流動性的不利影響，在加入玻璃纖維的同時減少等質(zhì)量的砂。

表2 EPS、陶粒GRC 配合比

2 陶粒和EPS 對GRC 抗彎強(qiáng)度的影響

圖3 是含EPS、陶粒GRC 的抗彎強(qiáng)度和玻璃纖維摻量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，少量的玻璃纖維對GRC的抗彎強(qiáng)度的提高并不明顯，但總的來說，含EPS 和陶粒的輕質(zhì)GRC 與基準(zhǔn)GRC 的抗彎強(qiáng)度都隨著玻璃纖維摻量的增加而增加。當(dāng)玻璃纖維摻量從0%增加到3.2%時，基準(zhǔn)GRC 的抗彎強(qiáng)度從7.25MPa 增加到9.06MPa，增幅為25.0%；含EPS 輕質(zhì)GRC 的抗彎強(qiáng)度從6.1MPa增加到7.6MPa，增幅為24.6%；含陶粒的輕質(zhì)GRC 抗彎強(qiáng)度從7.02MPa 到7.78MPa，增幅為10.8%。同時可以看出，不論玻璃纖維的摻量是多少，含陶粒的輕質(zhì)GRC 的抗彎強(qiáng)度都高于含EPS 的輕質(zhì)GRC，但低于基準(zhǔn)GRC 的抗彎強(qiáng)度。由于EPS 和陶粒的摻入相對于GRC 試件來說是在其內(nèi)部引入“孔”，因?yàn)檫@些“孔”的存在使得GRC的內(nèi)部不夠致密，所以導(dǎo)致含陶粒和EPS 輕質(zhì)GRC 的抗彎強(qiáng)度低于基準(zhǔn)GRC 的抗彎強(qiáng)度。但同時由于陶粒本身具有一定的強(qiáng)度，所以相比較而言，含陶粒的輕質(zhì)GRC的抗彎強(qiáng)度要高于含EPS 的輕質(zhì)GRC。

3 陶粒和EPS 對GRC 的斷裂能的影響

圖3 不同GRC 抗彎強(qiáng)度和玻璃纖維摻量關(guān)系

圖4 不同GRC 斷裂能與玻璃纖維摻量關(guān)系

圖4 是EPS、陶粒輕質(zhì)GRC 和基準(zhǔn)GRC 抗彎強(qiáng)度與玻璃纖維摻量關(guān)系圖。從圖中可以看出，三種配比的GRC 的斷裂能都隨著玻璃纖維摻量的增加而增加。當(dāng)玻璃纖維的摻量不超過2.4%，含陶粒的輕質(zhì)GRC 的斷裂能都高于含EPS 的輕質(zhì)GRC，當(dāng)玻璃纖維的摻量從2.4%增加到3.2%時，含EPS 輕質(zhì)GRC 斷裂能從255.1MPa 增加到327.1MPa，增幅為28.2%；含陶粒輕質(zhì)GRC 的斷裂能從275.5MPa 增加到281.9MPa，增幅為2.3%，含EPS輕質(zhì)GRC 的斷裂能高于含陶粒輕質(zhì)GRC。陶粒和EPS 的存在使得GRC 試件一旦出現(xiàn)裂縫之后，裂縫就容易隨著EPS、陶粒與水泥砂漿的界面擴(kuò)展。EPS 相對于陶粒而言，彈性模量低，變形量大，所以玻璃纖維摻量達(dá)到3.2%時，含EPS 輕質(zhì)GRC 的斷裂能要高于含陶粒的輕質(zhì)GRC。

4 結(jié)論

本文研究了陶粒和EPS 的摻入對GRC 抗彎性能的影響，得出以下結(jié)論：

⑴含陶粒和EPS 輕質(zhì)GRC 的抗彎強(qiáng)度和基準(zhǔn)GRC的抗彎強(qiáng)度都隨著玻璃纖維的增加而增加，但含陶粒輕質(zhì)GRC 的抗彎強(qiáng)度高于含EPS 輕質(zhì)GRC，低于基準(zhǔn)GRC。

⑵含陶粒、EPS 輕質(zhì)GRC 的斷裂能同基準(zhǔn)GRC 規(guī)律相似，隨著玻璃纖維的增加而增加。當(dāng)玻璃纖維摻量不超過2.4%時，含陶粒輕質(zhì)GRC 的斷裂能高于含EPS 輕質(zhì)GRC，當(dāng)玻璃纖維從2.4%增加到3.2%時，含EPS 輕質(zhì)GRC 斷裂能從255.1MPa 增加到327.1MPa，增幅為28.2%；含陶粒輕質(zhì)GRC 的斷裂能從275.5MPa 增加到281.9MPa，增幅為2.3%，含EPS 輕質(zhì)GRC 的斷裂能高于含陶粒輕質(zhì)GRC。