玻纤增强水泥在提升渠道式 水泥切割连续墙抗弯刚度中的运用

宋永娜 冯春绚 于春红

摘 要：玻璃纤维增强水泥是近些年来科研人员开发出来的一种新型的复合材料，它具有许多传统建筑用的水泥基体所不具备的优点，如抗弯、抗拉、质轻以及抗冲击等等，文章针对不同摻量的玻璃纤维增强水泥进行了建模分析，通过外加荷载使材料试件发生破坏，进而分析了其破坏的全过程，对各组试件的弯曲韧性、应变能进行了对比研究，最后发现当玻璃纤维增强水泥中的玻璃纤维摻量增加时，其抗弯强度会显著提高，且材料韧性大大增强，由此不难发现，当用更高玻璃纤维摻量的GRC制作建筑构件时，建筑构件的抗弯刚度也会更高，由此得出结论采用玻璃纤维摻量更高的增强水泥制成的连续墙的弯曲刚度更强。

关键词：玻璃纤维增强水泥;抗弯刚度;弯曲韧性;多相复合材料

中图分类号：TQ172;TU528.58+1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0128-05

The Application of Glass Fiber Reinforced Cement in Improving the Flexural Rigidity of Channel Cement Cutting Continuous Wall

Song Yongna1， Feng Chunxuan2，Yu Chunhong1

（1.Qingdao Metro Line 1 Co.，Ltd.， Qingdao 266000， China;

2.Beijing Zhongchang Engineering Consulting Co.，Ltd.，Beijing 100021，China）

Abstract：Glass fiber reinforced cement is a new type of composite material developed by researchers in recent years. It has many advantages that the traditional cement matrix for building does not have， such as bending resistance， tensile strength， light weight and iMPact resistance， etc.， in this paper， we model and analyze the glass fiber reinforced cement with different dosage， and make the material test pieces break through the external load， and then the whole process of its destruction was analyzed. The bending toughness and strain energy of each group of specimens were coMPared and researched. Finally， it was found that when the content of glass fiber in the glass fiber reinforced cement increases， the flexural strength will be significantly improved， and the material toughness will be greatly enhanced. Therefore， it is not difficult to find that when the GRC with higher content of glass fiber is used to make building components， the flexural rigidity of building components will be significantly improved， which leads to the conclusion that a continuous wall made of reinforced cement with a higher content of glass fiber has stronger flexural rigidity.

Key words：glass fiber reinforced cement; bending stiffness; flexural toughness; multiphase composite

在傳统的建筑施工过程中所使用的材料都是以水泥为基体的建筑材料，这种材料较高的抗压强度，因此被广泛使用，但是这种建筑材料也存在一些缺陷，比如其抗拉强度、抗弯强度抗裂性以及抗冲击强度都较低，材料的脆性大，针对材料的这些缺陷，研究人员进行了大量的研究，来改善其各方面的性能，其中研究最多的就是利用纤维材料来增强水泥基体，以此来获得高性能的建筑材料。研究人员发现玻璃纤维具有很高的抗拉强度和弹性模量，其单丝抗拉强度是水泥基体的500倍，可达1770～2550MPa，而弹性模量大约是水泥基体的200多倍，约为70GPa[1]，将玻璃纤维作为增强材料制成玻璃纤维增强水泥（GRC）能够有效改进水泥基体的抗弯强度和抗拉强度，同时能够很好的控制裂缝发展，减少裂缝的产生，使用玻璃纤维增强水泥制成的建筑构件的耐久性能也会大大增强。此外，玻璃纤维增强水泥还具有轻质高强、防火、防水、机械加工性能好以及模造性好等优点[2]。基于玻璃纤维增强水泥的各种优异性能，可以用这种复合材料制成各种建筑构件，例如外墙板、装饰墙板、连续墙等等，这里对玻璃纤维增强水泥的力学性能进行研究，分析其对提升渠道式水泥切割连续墙抗弯刚度的作用。

1 建立玻璃增强水泥数值模型

我们都知道玻璃纤维增强水泥材料是典型的多相非均匀材料，所以我们这里在描述玻璃纤维增强体材料和水泥基体材料的非均匀性是采用的是概率统计学里面的Weibull分布函数，密度函数的表达式为：

式中u为材料细观单元力学特性参数;u0为材料细观单元力学性质平均值;m反映Weibull分布密度函数的形状参数。其中，Weibull分布函数的形状是由m定义的，根据根部函数的形状可以看出材料的细观力学性质的均匀性，材料的细观力学性质会随着m值得增大变得越来越均匀，所以它也被称作均质度。这里的f （u）表示的是材料的某一种力学性质的细观单元的密度分布。

这里我们选用了5组不同玻璃纤维体积摻量的试件来进行试验，其玻璃纤维含量分别为3.6%、3.0%、2.4%、1.8%、1.2%和0.6%，然后再加上一组不含玻璃纤维的试件作为对照组，试验试件如表1所示。

这里使用的试件尺寸都为160mm×40mm，并将其划分为320×80个单元，所使用的玻璃纤维的直径为0.5mm。试验中的加载方式选用竖直位移方式，其加载步长为1×10-3，加载步数100步。试验中水泥的极限强度和弹性模量分别设为32.5MPa、35000MPa，设均质度系数为5，而玻璃纤维的极限强度和弹性模量则设为1800MPa、80000MPa，其均质度系数 设为20，假设水泥基体和玻璃纤维之间不存在弱界面层，及为理想界面。这里我们多采用的GRC数值模型[3]如图1所示。

2 试验结果与讨论

（1）材料试件破环全过程分析。图2给出了对照组水泥砂浆基体和掺入不同体积含量的各组试件在三点弯曲条件下的裂纹扩展图。

从图2中可以看出，当玻璃纤维基体参入量为0时，也就是不加入玻璃纤维的对照组，观察试件的破坏裂纹可以看出其明显的脆性，其破坏路径总体呈一条竖直的直线，表明试件的能量吸收能力十分有限。从前面的分析中可以知道，玻璃纤维的抗拉强度和弹性模量都远远高于水泥基体，因此将玻璃纤维加入是水泥基体后纤维能够有效阻止裂缝扩展[4]，进而避免了裂缝的贯通和扩展。即使是外界所施加的荷载超过了材料的极限荷载后，因为纤维的相连作用，也能够显著延缓基体中裂缝的扩展，使基体中损伤核的扩散明显减缓，基体的变形能力大大提高，破坏路径得到延长，这也表明基体的能量吸收能力得到了提高，增强机体的韧性大大增强。从图中可以看出，当玻璃纤维的体积摻量增加时，试件的破坏路径也越来越弯曲，其破坏区域逐渐增大，甚至出现了多条破坏路径，表明试件的能量吸收能力不断的提高，其韧性不断增强。试验结果表明玻璃纤维的加入使得水泥基体的抗弯者强度明显增强，并且随着掺入量的增加而增加。

这里我们引入另一个概念声发射现象，它指的是当复合材料发生结构突变时，例如纤维断裂、基体开裂、快速脱落等，这些突变都会使得能量以弹性应力波的形式，从发生结构突变的源点向材料基质的各个方向扩散传播，造成弹性应力波的损耗[5]。而玻璃纤维增强水泥受到外力作用产生裂纹时也会引起声发射现象的发生，并且与其内部破裂的产生直接相关。下图所示的是玻璃纤维摻量为3.0%的试件在三点弯曲条件下的破坏全过程，其中包括声发射和最大拉应力的数值模拟图。试验中是根据所统计的损伤单元的数量来表示声发射次数的，声发射的能量释放也由单元损伤的应变能释放表示。图中颜色较浅的圆表示在当前步数试件单元所产生的损伤和声发射，并且声发射的能量随着圆的半径增大而增大，颜色较深的圆则表示在此之前已经发生了损伤破坏，也就是该单元已经发生过声发射现场。

根据复合材料理论，玻璃纤维的弹性模量远远高于水泥基体，玻璃纤维的加入，试件的整体刚度明显提高，其损伤单元的区域也扩大了许多，并且试件的破坏都是由较为脆弱的地方发生，然后沿着总体能量消耗最小的路径传播。观察GRC的破坏全过程可以发现，试件受力的初始阶段，因为所施加的载荷比较小，最先出现损伤的是位于试件底部拉应力最大的区域的强度较为弱的单元，而这个阶段基体单元损伤所释放的能量也比较低，这一点从声发射图中圆的直径较小就可以看出。当所施加的载荷不断增加，发生损伤的单元数量也不断增加，其破坏发展生裂纹，增强体中横贯裂纹的纤维也渐渐被拉断或者拔出，在这个过程中玻璃纤维增强体的发射次数也显著增加[6]，这就有效的延长了破坏裂纹的扩展路径，试件吸收能量的能力也明显增强，也提高了增强体的韧性，此外因为裂纹的扩展会穿过抗拉强度较高的玻璃纤维，试件的抗弯强度也大大增强。

（2）材料试件荷载-加载步-声发射次数图分析。不同摻量的玻璃纤维增强水泥的荷载-加载步-声发射次数图如图4所示。表示了材料试件破坏过程和声发射现象之间的关系。从图中可以看出，在受到外界荷载作用的初始阶段，处于拉伸区域内强度较弱的单元会先产生拉伸损伤，这个阶段试件的荷载-加载部曲线保持了良好的线性关系。当时间所受荷载达到峰值后，发生损伤的单元数量大量增加，所以相应的声发射次数也突然劇烈增加。图中（a）表示的是没有加入玻璃纤维的试件的荷载-加载步曲线，发现当经过荷载峰值过后，其荷载-加载步曲线不向其他试件呈梯状下降的，而是陡然下降，着表现出了材料显著的脆性[7]。而其他的加入了玻璃纤维的试件，它们的荷载-加载步曲线经过峰值的下降都是成梯状逐渐下降的，这主要是由于横贯列裂纹的纤维的阻挡作用延缓了破坏裂纹的扩展，显著提高了试件的变形能力和强度，因此玻璃纤维的掺入量越大，其阻挡裂纹扩展的作用就越明显。

（3）弯曲韧性和释放应变能分析。图5为各组试件的荷载-位移全过程图，从图中可以看到，加入玻璃纤维后，试件的弯曲韧性和抗弯强度都明显的改善和提高，当处于弹性阶段时，各组试件的弹性模量并没有明显增加，只有少量的递增，这就说明在试件峰值强度之前，玻璃纤维的加入量对材料的弹性性能影响并不明显，从图中可以看出达到试件的峰值强度以及之后的残余阶段，玻璃纤维的加入对材料的弹性影响极大。在试验试件的纤维摻量范围内，试件的峰值强度是随着玻璃纤维的摻量不断增加的，并且当达到了试件的峰值强度之后，试件的荷载-位移曲线的下降阶段显示陡然下降，然后慢慢区域平缓下降，与此同时试件的变形逐渐增加，表现出了更佳的变形能力，试件的破坏形态也由脆性破坏向延性破坏转变。

表2中所列为各组试件的弯曲韧性、峰值荷载以及声发射应变能的相对值，这里的弯曲韧性指的是材料试件在荷载作用下直到失效整个过程所吸收的能量，表示为荷载-位移曲线所构成的面积。当外界荷载作用于材料时，会使材料发生变形，在此过程中外力所做的功就会以弹性势能的形式存储与材料之中，也成为应变能[8]。在声发射现象发生的过程中，由损伤单元释放出来的弹性应变能就称为声发射应变能。在试验过程中，随着荷载的增加，试件的破坏程度变大，及损伤单元的数量增加，且损伤程度变大，试件所释放的弹性应变能变大，也就是声发射应变能增大。这里我们假设没有掺入玻璃纤维的素水泥砂浆的声发射应变能和弯曲韧性为1，进而分析其他各组试件相对应的弯曲韧性和声发射应变能数值。由下表可以看出，在水泥基体中加入玻璃纤维后，试件的荷载的峰值逐渐增大，最高可达1.35倍，同时材料试件的弯曲韧性和损伤单元释放的应变能都有显著提高，分别最高可达2.84和1.89。

（4）结果讨论。文章中根据增强材料中玻璃纤维摻量不同分成几组不同的试验组，并建立了数值模型，对试验结果进行的数值模拟，最后得出结果发现，在对材料施加外家荷载时，试件的弯曲韧性随着玻璃纤维的掺入量的增加而增加，也就是说增强水泥的抗弯刚度不断增加，并且其所能承受的最大荷载也明显增大。

3 结语

通过对试验结果的一些列分析，发现玻璃纤维增强水泥的强度以及弯曲韧性都明显比普通的水泥基体高出许多，也就是说采用玻璃增强水泥制成的建筑构件的抗弯刚度会更加优良，针对连续墙也是如痴，若想要提高连续墙的抗弯刚度，就应该使用玻璃纤维掺入量较高的增强水泥，玻璃摻量更高的增强水泥其弯曲韧性更高，进而使得连续墙的整体抗弯曲刚度大大提高。

参考文献

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[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，2004，35（4）：265-269.

[3]唐春安，傅宇方，朱万成.界面性质对颗粒增强复合材料破坏模式影响的数值模拟分析[J].复合材料学报，1999，16（4）：112-120.

[4]丁一宁，杨楠.玻璃纤维和聚丙烯纤维混凝土性能的对比试验[J].水利水电科技进展，2007，27（1）：20-26.

[5]张亚芳，唐安春，陈树坚，等.纤维增强脆性基复合材料的力學性能和破裂过程研究[J].中山大学学报自然科学版，2006，45（1）：40-50.

[6]海然，杨久俊，吴科如.玻璃纤维梯度分布对水泥基材料力学性能的影响[J].建筑石膏与凝胶材料，2005，6（1）：10-15.

[7]沈荣熹，王璋水，崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[J].北京：化学工业出版社，2006（1）：19-26.

[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，2001，27（1）：55-60.