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玻璃纤维增强水泥研究进展

来源:用户上传      作者: 李勇

  【摘 要】本文综述了近期关于玻璃纤维增强水泥的一些研究成果。玻璃纤维增强水泥是一种新型建筑材料,具有优良的抗拉、抗弯、抗冲击性能。综述的主要内容包括:玻璃纤维增强水泥的耐久性;玻璃纤维增强水泥的一些实验研究成果;玻璃纤维增强水泥的施工技术及在工程中的应用等。并对玻璃纤维增强水泥的未来应用前景作了展望。
  【关键词】玻璃纤维增强水泥;耐久性;最佳配合比
  0.前言
  GRC是玻璃纤维增强水泥的英文名称Glass fiber Reinforced Cement的缩写,在GB/T16309—1996《纤维增强水泥及其制品名词述语》中的定义为:用玻璃纤维作增强材料,水泥净浆或砂浆作基体组合而成的一种复合材料[1-12]。它不但具有优良的抗拉、抗弯、抗冲击性能,还具有抗裂性好、重量轻、易模性好、加工方便、不怕潮、不燃烧等优点。上世纪40年代,欧洲就开始研究玻璃纤维混凝土(以下简称GRC)。60年代初,德国专家进行了早期的试验研究工作。随后英国、奥地利、瑞典等国也相继从事玻璃纤维增强水泥的研究,从而产生了一系列的GRC产品。目前国内外关于GRC的研究主要集中在如何提高其性能和适用范围这两大板块。本文对玻璃纤维增强水泥的耐久性和相关实验成果作了简要介绍,并对其应用和发展前景作了概述。
  1.玻璃纤维增强水泥的耐久性
  国内外学者曾对GRC长期性能下降的机理提出了许多学说。归纳起来,GRC长期性能下降的机理主要包括以下几点[2]:(1)水泥水化后孔溶液中的OH-离子对玻璃纤维硅氧骨架(-Si-O-Si-)的侵蚀,即典型的化学侵蚀机理;(2)由于界面区Ca(OH)2晶体生长所产生的压力造成的破坏;(3)玻璃单丝与水泥水化产物胶结处形成的应力集中原因;(4)水泥水化物填充了玻璃纤维间的空隙,使玻璃纤维的变形自由度下降,导致GRC的破坏。曹巨辉,汪宏涛两人[2]通过多个实验得出耐久性的改善主要有以下几个方面:(1)改变玻璃纤维化学成分;(2)基体的改性;(3)玻璃纤维表面涂覆处理;(4)界面改善。
  2.玻璃纤维增强水泥的相关实验研究
  2.1纳米SiO2对GRC性能的影响研究
  曹巨辉等[4]利用水、粉煤灰、硅灰、纳米SiO2、玻璃纤维、砂、减水剂等材料。通过流动性试验:按CB/T2419-94《水泥胶砂流动度测定方法》,胶砂比为1:2,玻璃纤维掺量为试件体积的2%,水胶比为0.5。得出实验结论:(1)纳米SiO2适量掺入GRC体系中,可以提高GRC的流动性及强度;随着纳米SiO2掺量的增加,GRC的流动性降低;采用纳米SiO2与减水剂、水先混合均匀后再与水泥一起混合搅拌,有利于GRC的强度发挥。(2)纳米SiO2作为高活性掺合料,可改善GRC的耐久性能。
  2.2粉煤灰硅灰改善GRC加速老化条件下的力学性能
  曹巨辉[5]利用42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰等材料通过试验研究了GRC加速老化条件下的力学性能,此方法通常分为50℃和80℃热水两种方法,得出实验结论:用粉煤灰、硅灰等活性掺合料改善普通硅酸盐水泥GRC 的耐久性是有效的。粉煤灰掺量50%、硅灰掺量10%的GRC试件在50℃热水中加速老化56d强度仍保持增长,在80℃热水中加速老化11d强度保持继续增长。将粉煤灰磨细,加入硅灰以及使用硫酸钠早强剂可提高GRC早期强度, 但硫酸钠会降低GRC老化后期的强度。有关粉煤灰、硅灰改善GRC耐久性的微观机理及加速老化试验方法的适用性还需做进一步研究。
  2.3玻璃纤维对GRC复合材料耐久性的影响
  汪宏涛等[6]选用42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、玻璃纤维、中砂、减水剂等材料,用GRC加速老化法,即50℃和80℃热水加热两种方法。得出以下结论:(1)玻璃纤维束通常由许多玻璃纤维单丝粘结在一起,其分散成玻璃纤维单丝的速率及存在状态对GRC的性能有着非常重要的影响。(2)加速老化条件下,以预混型短切玻璃纤维为增强材料的GRC比以水分散型短切玻璃纤维为增强材料的GRC表现出更好的耐久性;而ZrO2质量分数为16.7%的耐碱玻璃纤维要比ZrO2质量分数为14.5%的玻璃纤维表现出更好的耐腐蚀性。(3)与长度为20mm的玻璃纤维相比,以长度为12mm的玻璃纤维配制的GRC表现出更好的耐久性。(4)玻璃纤维掺量体积分数为2%和4%的GRC加速老化抗折强度变化曲线基本一致,但掺量体积分数为4%的玻璃纤维GRC强度要低于2%时同条件下GRC强度,其原因主要在于纤维掺量偏大会造成玻璃纤维分散不均匀,GRC密实度低。
  2.4玻璃纤维增强水泥基复合材料耐水性能的研究
  赵帅等[7]利用水泥;玻璃纤维等材料。按照一定的配比配置玻璃纤维增强水泥基复合材料试样C0~C3,测试其抗压软化系数和孔隙率。其中试样抗压软化系数的测试方法:制得尺寸为40mm×40mm×160mm 的标准试样,放在温度为20±0.5℃,相对湿度大于90%的养护室内,养护7d,接着在40±2℃烘箱内烘至干,测得绝干强度。然后泡水24h测得饱水强度。软化系数分为抗压软化系数和抗折软化系数。得出如下结论:掺加外加剂A或聚合物乳液K,在一定程度上提高了玻璃纤维增强水泥基复合材料的耐水性能,同时掺加外加剂A和聚合物乳液K,可以进一步的提高玻璃纤维增强水泥基复合材料的耐水性能。结语:提高玻璃纤维增强水泥基复合材料的耐水性能,可以通过一些改性方法得以实现,同时掺加适量的外加剂A和聚合物乳液K就是方法之一。
  2.5玻璃纤维增强水泥的最佳配合比研究
  王红霞[8]等通过实验研究了:GRC中玻璃纤维掺量P的增大,抗压强度基本上呈降低趋势 在P不太大时,随着P的增加.抗拉强度、抗弯强度 和弹性阶段抗拉弹性模量呈上升趋势,但当P增大到一定程度(约为1.5%)后,抗拉增加不明显,抗弯与弹性阶段抗拉弹性模量则明显开始下降。可以得出,当采用拌台法制作GRC时,玻璃纤维掺量应控制在1.5%左右,此时的抗压强度降低不多,而抗拉、抗弯强度与抗拉弹性模量均较高,施工也较方便。   2.6 GRC(FRP)模板与硅复合梁的试验研究
  王红霞和向忠两人[9]探讨了GRC(玻璃纤维增强水泥)与FRP(玻璃钢)作为永久性模板的可行性,即利用GRC和FRP具有易成型、较高的抗拉强度特点、形成模板/ 混凝土复合结构。通过拉伸、弯曲等试验对比,论证了GRC和FRP永久性模板各自的特点及对混凝土梁起到结构增强作用。主要证明了:(1)不论GRC或FRP均能大幅度地提高混凝土梁的抗弯强度,永久性模板对混凝土起到了增强作用。(2)GRC与混凝土的界面复合性能要优于玻璃钢与混凝土的结合,但GRC模板的塑性不如FRP 模板。(3)通过对FRP 模板内表面采取措施后,能改善其与混凝土的界面结合强度。
  2.7玻璃纤维增强水泥在加固砌体抗剪中的研究
  王红霞等[10]在研究GRC在对砖砌体墙的开裂进行加固修复的抗剪强度和阻裂性能时,通过实验得到以下结论:(1)在水泥砂浆中掺加少量的耐碱玻璃纤维形成GRC材料的抗拉强度和阻裂性能大大提高。用GRC加固砖砌体可显著提高其抗剪强度、改善受力性能。(2)用GRC加固的墙体在水平力作用下根据加固层厚度的不同可发生粘结面剪坏和加固层剪坏两种破坏形态,在工程应用的范围内加固层厚度大于20mm时均能发生粘结面剪坏的破坏形态。
  3.GRC的应用及其发展前景
  3.1玻璃纤维增强混凝土的应用
  马景峰和陈立君两人[11]总结出玻璃纤维增强混凝土的施工技术:(1)预拌成型法;(2)压制成型法;(3)注模成型法;(4)直接喷涂法;(5)喷射抽吸法;(6)铺网一喷桨法;(7)缠绕法。并发现了玻璃纤维增强混凝土在应用中存在的问题:1)在生产过程中玻璃纤维不易在混凝土中均匀分散而易缠绕成团,不仅影响了混凝土的性能,而且还影响了新拌混凝土的和易性。2)具有较好的增强效果的一些玻璃纤维价格较贵,增加了混凝土的成本。
  3.2 GRC制品在建筑工程上的应用及其发展前景
  崔玉忠[1]总结出建筑工程中常用的GRC制品,包括以下几种类型:(1)GRC轻质多孔内隔墙条板(2)GRC外墙保温板(3)GRC通风管道(4)GRC外墙外装饰制品。除了上述几种GRC制品之外,近年来在建筑工程上使用的其它GRC材料制做而且也取得较好效果的建筑构件有阳台栏板,阳台隔板,网架屋面板,雨蓬板等。在轰轰烈烈发展的同时也出现了一些不好的现象,有些单位或者是不了解GRC材料的实质和基本技术要求,或者是为了贪图眼前利益,随便用普通水泥和普通玻璃纤维混合起来就称之为GRC材料。一是材料的选用错误,给长期使用留下了隐患;二是纤维的掺量不够,掺量太低就得不到所期望的增强增韧效果;三是连续玻璃纤维的配放位置不正确,当构件受到外加荷载时,纤维难以发挥增强作用。这些不正当的做法,造成了GRC产品的市场混乱,直接损害了玻璃纤维增强水泥这种新型材料的声誉。
  根据建设部《关于推广应用住宅建设新技术新产品的公告》中,首批住宅技术“外墙保温隔热技术”和“厨房烟气排放系统”中可分别使用GRC外墙保温板和GRC通风管道,首批住宅产品中将“耐碱玻纤低碱水泥隔墙板”列为非承重内墙材料;八部委局《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见》中指出:“积极发展各种新型砌块、轻质板材和高效保温材料,推行复合墙体和屋面术,......”、“积极发展通用部品,逐步形成系列开发、规模生产、配套供应的标准住宅部品体系。重点推广并进一步完善已开发的新型墙体材料、防水保温隔热材料、轻质隔断......”。GRC制品良好的性能和有关政策的颁布,为建筑工程用GRC制品提供了发展机遇,相信GRC建筑制品会有更加广阔的发展前景。
  4.结论
  纵观GRC的发展历史和如今的各项相关研究,我们不难看出GRC的耐久性和相关力学性能相当出色,但是其发展的脚步却无法跟上高速发展的建筑技术,原因在于GRC作为一种新型材料还未被人们所熟知和接受。但是GRC也有很多问题急待解决,如GRC的配比需要有更简便易行的施工方法;GRC材料的使用需要有更便捷的流通渠道;GRC材料的使用范围需要更深入到建筑的各个部分;GRC材料的经济性需要更趋向于合理化;相信解决了这些问题之后的GRC作为一种新型建筑材料定能发挥出他应有的价值。 [科]
  【参考文献】
  [1]崔玉忠.GRC制品在建筑工程上的应用及其发展前景[J].混凝土与水泥制品,2000 (z1):108-110.
  [2]曹巨辉,汪宏涛.玻璃纤维增强水泥耐久性研究的进展[J].建筑技术,2004(4):266-269.
  [3]韩静云,蒋家奋.欧洲玻璃纤维增强水泥(GRC)的回顾与展望[J].混凝土与水泥制品,2003(6):33-38.
  [4]曹巨辉,蒲心诚.纳米SiO2对GRC性能的影响研究[J].新型建筑材料,2004(8):12-15.
  [5]曹巨辉.粉煤灰硅灰改善GRC加速老化条件下力学性能的研究[J].粉煤灰综合利用,2003(5):27-29.
  [6]汪宏涛,曹巨辉.玻璃纤维对GRC复合材料耐久性的影响[J].后勤工程学院学报,2009(2):1-4.
  [7]赵帅,田颖.玻璃纤维增强水泥基复合材料耐水性能的研究[J].江苏建材,2008(2):20-21.
  [8]王红霞,向忠.基于玻璃纤维增强水泥(混凝土)材料性能分析的最佳配合比的研究[J].四川建筑科学研究,2001(3):57-59.
  [9]张巨松,牛锡泉,曾尤,杨合.GRC(FRP)模板与砼复合梁的试验研究[J].混凝土与水泥制品,2000(z1):178-179.
  [10]王红霞,向忠.玻璃纤维增强水泥在加固砌体抗剪中的研究[J].工业建筑,2000(4):50-53.
  [11]马景峰,陈立君.玻璃纤维增强混凝土的应用[J].玻璃纤维,2005(3):24-27.
  [12]X.Qian,B.Shen,B.Mu andZ.Li.Enhancement of aging resistance of glass fiber reinforced cement.Materials and Structures/Materiaux etConstructions,2003,Vol.36: 323-329.
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