喻 林 李建波 王學(xué)雷

1. 河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院 江蘇 南京 210098；

2. 蘇寧置業(yè)集團(tuán)有限公司 江蘇 南京 210042

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）材料具有材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、抗裂性能好、抗凍性好、抗沖擊強(qiáng)度高、清潔環(huán)保、安裝便捷、可塑性強(qiáng)及造型多變等特點(diǎn)[1]。目前，GRC因其輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)GRC構(gòu)件主要用于非承重結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高其耐久性，GRC構(gòu)件也被應(yīng)用于半承重結(jié)構(gòu)。

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(gòu)件的應(yīng)用得到了推廣。玻璃纖維在GRC制品中既增強(qiáng)了界面區(qū)的強(qiáng)度，有效地抑制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，又使水泥內(nèi)部的應(yīng)力集中得到消除[4-7]。但是GRC構(gòu)件的耐久性能，尤其是在潮濕環(huán)境下強(qiáng)度與韌性降低的問(wèn)題沒有得到解決。

關(guān)于摻加活性礦物摻合料以改進(jìn)GRC試件力學(xué)性能方面的研究較少，而針對(duì)GRC試件在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的力學(xué)性能研究則更少。本文結(jié)合項(xiàng)目工程實(shí)際，通過(guò)雙摻不同礦物摻合料對(duì)GRC試件的抗凍性能進(jìn)行研究，從而確定GRC試件的最佳配合比，制備高強(qiáng)、增韌及耐久性強(qiáng)的GRC構(gòu)件。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用原材料

本試驗(yàn)所用拌和水為自來(lái)水，其參數(shù)符合行業(yè)規(guī)范 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定；細(xì)集料（級(jí)配合理的中砂）所用砂為湖砂，來(lái)自洞庭湖，細(xì)度模數(shù)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(chǎn)的，其基本性能參數(shù)見表1；耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布基本化學(xué)成分、基本性能參數(shù)見表2、表3；硅灰的基本參數(shù)性能參數(shù)見表4；水泥采用安徽蕪湖海螺水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），主要化學(xué)成分為CaO、SiO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別58%、23%，其初凝時(shí)間、終凝時(shí)間分別為158、231 min，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度（28 d）分別為42.5、6.5 MPa；粉煤灰是由江蘇省某國(guó)網(wǎng)熱電廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，其基本性能參數(shù)見表5；采用的減水劑為江蘇尼高科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑。

表1 偏高嶺土的基本性能參數(shù)

表2 耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布基本化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布基本性能參數(shù)

表4 硅灰的基本性能參數(shù)

表5 粉煤灰基本性能參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

GRC試件配合比試驗(yàn)要求：水膠比0.38，膠砂比1∶1，玻璃纖維網(wǎng)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(yàn)組（偏高嶺土摻入比例〔質(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(yàn)對(duì)各組改性水泥試件抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及減少減水劑使用等方面因素進(jìn)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，F(xiàn)a代表粉煤灰，字母后綴的數(shù)字代表?yè)饺氡壤?。?yōu)化后，外加劑用量根據(jù)流動(dòng)度相同的原則調(diào)整。根據(jù)配合比要求進(jìn)行稱料配比，通過(guò)調(diào)節(jié)用水量和減水劑量將各組拌和物的流動(dòng)度控制在225 mm左右。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要設(shè)備儀器：TDR-2型混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)、荷載-撓度曲線電子試驗(yàn)機(jī)、電子擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，分別如圖1～圖3所示。

圖1 TDR-2型混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)

圖2 荷載-撓度曲線電子試驗(yàn)機(jī)

圖3 電子擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)

按照設(shè)定配合比進(jìn)行砂漿拌和，然后澆筑GRC試件?？箯潖?qiáng)度試驗(yàn)所用尺寸為250 mm×50 mm×10 mm，抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)所用尺寸為120 mm×50 mm×10 mm。每6個(gè)試件 為一組，24 h后進(jìn)行拆模，拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。當(dāng)GRC試件養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)26 d時(shí)，將試件全部放入不低于0 ℃的清水中浸泡24 h，同時(shí)檢查GRC試件表面，取出因?yàn)榍懈疃鸬娜毕莶糠郑囊好嬷辽俑叱鲈嚰敹?～3 cm。凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，取出GRC試件并將表面水分擦干。第25次凍融循環(huán)結(jié)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(xiàn)象，剔除其中損壞的GRC試件，然后進(jìn)行宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)。

抗彎性能試驗(yàn)：將250 mm×50 mm×10 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸的GRC試件，以6個(gè)試件為一組，養(yǎng)護(hù)至指定齡期，放到荷載-撓度曲線電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果以6個(gè)試件的算術(shù)平均值表示，精確到0.1 MPa。

抗彎比例強(qiáng)度、抗彎破壞強(qiáng)度分別按照公式（1）、（2）計(jì)算：

式中：σLOP——抗彎比例強(qiáng)度，單位MPa；

σMOR——抗彎破壞強(qiáng)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(yàn)：將120 mm×50 mm×10 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸的GRC試件，以6個(gè)試件為一組，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，通過(guò)電子擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗沖擊性能試驗(yàn)，以6個(gè)試件的算術(shù)平均值表示，精確到0.1 kJ/m2。

抗沖擊強(qiáng)度按照公式（3）計(jì)算：

式中：σ1——抗沖擊強(qiáng)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 GRC試件的抗彎強(qiáng)度

經(jīng)凍融循環(huán)后，計(jì)算得到不同齡期各種GRC試件抗彎強(qiáng)度平均值，所得數(shù)據(jù)見表6。

表6 GRC試件抗彎強(qiáng)度值 單位：MPa

在本次試驗(yàn)中，凍融循環(huán)前表示GRC試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，凍融循環(huán)后表示GRC試件經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。為了方便表示，將摻入比例Si5＋Mk20、Si10＋Fa20、Si10＋Mk20、Fa20＋Mk20依次標(biāo)記為①、②、③、④。

圖4 GRC試件凍融循環(huán)前后抗彎比例強(qiáng)度

圖5 GRC試件凍融循環(huán)前后抗彎破壞強(qiáng)度

根據(jù)表6抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制凍融循環(huán)前后抗彎比例強(qiáng)度、抗彎破壞強(qiáng)度柱狀圖，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，各組GRC試件的抗彎強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度下降，改性（摻加摻合料）GRC試件的下降幅度低于對(duì)照GRC試件（P.O 42.5）下降幅度：前者GRC試件的抗彎強(qiáng)度保留率為90%，后者GRC試件抗彎強(qiáng)度保留率為70%。改性GRC試件②、③的抗彎破壞強(qiáng)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(huán)后的抗彎破壞強(qiáng)度。

2.2 GRC試件的抗沖擊強(qiáng)度

經(jīng)凍融循環(huán)后，計(jì)算得到GRC試件抗沖擊強(qiáng)度平均值，數(shù)據(jù)見表7。

表7 GRC試件抗沖擊強(qiáng)度值 單位：kJ/m2

根據(jù)表7試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(qiáng)度柱狀圖（圖6）。

圖6 GRC試件凍融前后抗沖擊強(qiáng)度

由圖6可知：經(jīng)過(guò)凍融后，GRC試件抗沖擊強(qiáng)度值有所下降，其中對(duì)照GRC試件（P.O 42.5）的強(qiáng)度保留率為75%左右，改性（摻加摻合料）GRC試件的強(qiáng)度保留率高于90%。改性GRC試件（②、③）在凍融循環(huán)后抗沖擊強(qiáng)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(huán)后的抗沖擊性能。

2.3 機(jī)理分析

水泥基材與GRC試件玻纖網(wǎng)格布的連接界面是GRC試件最薄弱的環(huán)節(jié)，因?yàn)椴＠w網(wǎng)格布表面容易產(chǎn)生水分富集現(xiàn)象，導(dǎo)致局部水灰比過(guò)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(shí)度下降。因此，在凍融循環(huán)過(guò)程中界面處產(chǎn)生的凍脹壓力會(huì)增大，從而導(dǎo)致其力學(xué)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(lái)的微小孔洞變成了一個(gè)個(gè)微細(xì)毛孔，但是這些微細(xì)毛孔又有一定的連通性。在凍融循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)孔隙中水結(jié)冰，產(chǎn)生水壓力時(shí)，水能夠從微細(xì)毛孔經(jīng)過(guò)沒有冰凍的孔擴(kuò)散至自由空間，從而緩解了凍融過(guò)程中的冰脹壓力。GRC試件中的3層玻纖網(wǎng)格布具有很好的整體性，上下層玻纖網(wǎng)格布能夠很好地將所受荷載進(jìn)行傳遞，增強(qiáng)試件的抗彎、抗拉強(qiáng)度，最終能使試件在凍融循環(huán)后保持較好的力學(xué)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

1）經(jīng)凍融循環(huán)后，GRC試件的表面未出現(xiàn)裂紋、分層、剝落等現(xiàn)象，但其抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)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(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度，經(jīng)凍融循環(huán)后強(qiáng)度保留率高于90%。