玻璃纖維增強水泥研究進展及應用綜述

摘" 要：本文簡單介紹了GRC制品的歷史發展過程及近年國內GRC原材料、生產工藝的研究成果和應用情況，并結合目前GRC行業發展面臨的問題，并給出了解決方法建議。

關鍵詞：（GRC）玻璃纖維增強水泥；原材料；生產工藝；應用文章編號：2095-4085（2024）11-0223-03

作者簡介：宋振業（1986—），男，河北廣宗人，本科學歷，工程師，一級建造師，主要研究方向為水泥基建筑材料及工程施工。

0" 引言

玻璃纖維增強水泥制品（Glass fiber Reinforced Concrete/Cement，GRC）是以玻璃纖維為主要增強材料、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材料制品。玻璃纖維增強水泥制品因具有較好的延性和裝飾性，可制作質量輕盈的薄壁制品，易加工，抗彎抗沖擊強度高在建筑裝飾方面得到大量應用。

1" GRC技術的發展

GRC技術的發展主要體現在原材料和生產工藝方面。

1.1" 材料組成與性能優化

1.1.1" 膠凝材料

降低水泥水化產物液相堿度并改變其水化產物以增強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反應的活性摻合料。1978年，中國建材院和上海白水泥廠研制了I型低堿度硫鋁酸鹽水泥，后續相關單位又制定了Ⅰ型低堿度水泥標準并于1986年10月起開始實施。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CRC耐久性的影響，并對礦物摻合料改善CRC耐久性的機理作了初步分析探討。馮乃謙［3］認為粉煤灰、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降低混凝土的白度，并試驗了一種對清水混凝土白度無影響SY粉，對白色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有游離的氫氧化鈣晶體形成。2021年南昌大學與江西銀杉白水泥公司開發的“煅燒超高白高強白色硫鋁酸鹽水泥熟料關鍵技術”應用獲得成功，生產的白色硫鋁酸鹽水泥亨特白度達93［5］，為白色GRC制品的生產提供了新的膠凝材料選擇。

1.1.2" 玻璃纖維

20世紀50年代，國內在簡易試驗的基礎上進行過GRC的大規模推廣，但發現玻璃纖維后期強度大幅下降，1961年建工部發布了不準使用玻璃纖維增強水泥材料的禁令。20世紀60年代到70年代廈門建筑設計院和蘇州水泥制品研究院等單位采用有機物被覆中堿纖維及鋁酸鈉處理中堿纖維等技術方案對玻璃纖維在水泥制品中的應用進行了試驗研究或部分應用，但都因耐堿侵蝕性能不佳或生產陳本過高未能大面積推廣使用。20世紀60年代后期，英國研制成功ZrO2含量為16%的Cem-FIL抗堿玻璃纖維，并于1971年引入市場，使GRC制品的長期耐久性得到改善。1975年中國建筑材料科學研究院玻璃纖維室開始研制抗堿玻璃纖維，通過同時引入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，從此開創了我國抗堿玻璃纖維的發展道路［6］。1975年，日本電氣硝子公司和鐘紡公司成功開發了含有20%ZrO2的耐堿玻璃纖維。吳豐年［7］系統研究了利用高爐礦渣等工業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到市場上的AR耐堿纖維玻璃水平的試樣。

目前國內GRC生產使用的玻璃纖維有抗堿玻璃纖維和高抗堿玻璃纖維，ZrO2含量分別可達到14.5%和16%以上，主要產品類型有各種一維的耐堿短切纖維、無捻粗紗，二維的耐堿玻纖網格布、耐堿玻璃纖維氈及三維空間間隔連體織物等，并根據不同用途開發了各種不同直徑和線密度及被覆各種涂層的產品。

1.1.3" 骨料

GRC行業主要采用天然石英砂作為骨料，GRC制品的生產和使用要消耗大量不可再生的天然砂資源，肖建莊［8］等引用國外資料認為固體廢棄物可作為再生骨料使用，并根據再生骨料的不同顏色和性能進行分別利用，并可考慮采取“色選法”對再生骨料進行顏色分選。程海麗［9-12］等認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。項斌峰等［13-14］認為：再生骨料含有較多的有害孔級和多害孔級的孔，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增多再生GRC中有害和多害孔級的孔數量，減少無害孔級的孔數量，對材料力學性能和吸水率的造成不利影響。再生GRC的抗壓、抗彎、抗沖擊強度隨廢混凝土的取代率提高都呈現先增加后降低的趨勢。米力等［15］開展了煤矸石陶粒對GRC墻板導熱系數影響的研究。

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存穩定性和施工操作性，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長期耐久性的辦法之一。丙烯酸乳液可改善新拌砂漿的流動性、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護作用。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制品的密實性能得到改善，增加其耐久性。觸變潤滑劑能改善砂漿的施工性能，尤其是施工異形構件時能通過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度，增加砂漿基材對玻璃纖維的握裹力。

1.2" GRC生產工藝

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，不同重量等級的原材料需要選用不同精度的衡器。同時由于單次攪拌量較小，使得稱料次數頻繁，人工稱量極易出錯。采用預拌干混砂漿生產系統，自動上料，自動稱量，并攪拌預混，可有效解決上述問題。將水泥、摻合料、骨料、粉體添加劑和顏料等粉體原料采用預拌干混砂漿生產系統進行預混，并按固定包裝規格進行包裝，使用時將預混的干拌砂漿與液體原材料混合，實現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，水泥凝結較快，同時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混攪拌兩種情況。玻璃纖維砂漿預混攪拌需要考慮攪拌過程中對纖維的損傷，可采用雙速臥式攪拌機，有高低兩檔可供使用時選擇，每次可攪拌100斤料，每鍋攪拌耗時1分鐘，生產效率高，纖維分散均勻，對纖維的損傷較小，一臺雙速臥式攪拌機可同時供2個噴射施工班組使用［17］。

1.2.3" 制作工藝

我國GRC制品生產所采用的工藝主要有直接噴射法、噴吸法、預混噴射法、預混泵注法、預混擠壓法、立模澆注法、流漿法、鋪網抹漿法等［18］。GRC制品的生產工藝從手工噴射成型起步，由于噴射成型工藝具有生產工藝簡單、適用面較廣、產品物理力學性能優良等特點，國內外的制品生產廠均以噴射成型工藝為主。噴射成型工藝操作過程是將連續的玻璃纖維無捻粗紗經噴槍切割成短纖維，同時再將玻纖與水泥砂漿一起噴射到模具上成型制品。20世紀80年代初期我國從日本引進噴射成型用噴槍和螺桿泵，并逐漸完成消化吸收和國產化，現已大面積采用。噴射成型工藝噴射作業面較大，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、造型相對簡單的制品生產，而復雜造型產品的制作，如造型復雜的外墻板及細長型制品如欄桿、扶手，只能采取手工成型。為此，崔琪等開發了預混噴射法，并進行了大面積推廣應用［17-18］。

1.2.4" 養護工藝

一般硫鋁酸鹽水泥制作的GRC養護期不少于3d，采用硅酸鹽水泥制作的GRC養護期不低于28d，養護溫度不低于10℃。養護時不含丙烯酸乳液的GRC應采用覆蓋灑水等保濕措施。程從密等研究了濕熱養護和蒸壓養護對玻璃纖維增強普通硅酸鹽水泥制品性能的影響，認為GRC抗彎強度是砂漿強度增長和玻璃纖維腐蝕破壞共同作用的結果［19-20］。

2" GRC應用領域

GRC制品主要作為非承重構件及臨時承重構件使用，最常見的如GRC墻板包括外墻板及內墻板吊頂板，如輕質多孔隔墻板、裝飾墻板、夾芯復合墻板等，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，既有實用性，也有一定裝飾性。同時也有大量的排煙管道、排氣管道等采用GRC制作。崔琪［21］報道了GRC在糧倉建筑中的應用。肖云驤等［22］介紹了采用GRC復合材料制造非金屬箱式變電站箱體的工藝。隨著GRC質量的提升，GRC制品有望在承重場景中得到越來越多的應用。

3" GRC存在的問題及發展展望

進入二十一世紀以來，隨著國內房地產市場的大爆發，GRC行業也迎來了持續二十余年的快速發展，GRC新技術不斷涌現，應用領域不斷拓展。但仍有許多問題需要引起足夠重視。

一是GRC的耐久性問題，GRC的耐久性主要表現在隨時間推移，GRC制品內玻璃纖維性能的劣化，導致強度降低。這就需要在GRC制品實用設計時考慮強度衰減問題，以制定合理的使用年限和載荷設計強度。同時新型低堿度膠凝材料的開發和高抗堿玻璃纖維的推廣應用以及玻璃纖維表面處理技術的進步，都是解決GRC耐久性問題的重要途徑。

二是GRC制品生產過程中的質量管理問題，即生產工藝控制問題，國內GRC生產目前大多設備簡單，自動化程度低，人工操作對制品質量影響很大，造成GRC制品質量波動很大。同時由于缺少質量控制意識，部分廠家纖維摻量嚴重不足，甚至采用非抗堿玻璃纖維進行生產，給GRC制品和建筑質量埋下了很大隱患。發展GRC制作自動化設備，引入智能制造技術有利于解決人工制作勞動強度大和質量波動大的問題。同時提高GRC行業從業人員素質，加強行業自律和行業監督水平都是提升GRC品質的重要途徑。

三是制品的開裂和變形問題。由于GRC制品自身干濕變形大，同時由于多屬于薄壁構件，受環境干濕影響大，很容易處于全干或飽水狀態，造成變形產生的內應力得不到釋放，出現變形開裂問題。這需要在設計和安裝施工上避免GRC構件處于自由變形受限狀態。

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