不同维度玻璃纤维对GRC抗弯性能的影响

李清海， 赵娇娇， 李清原， 高建伟， 吴玉姣

(中国建筑材料科学研究总院有限公司, 北京 100024)

玻璃纤维增强水泥(GRC)是一种以玻璃纤维为增强材料、水泥砂浆为基体的复合材料[1-2].在GRC材料中，玻璃纤维起配筋作用，可以承受一定的荷载并传递应力，阻止水泥基材开裂，改善水泥基材料抗拉强度低、抗弯强度低、脆性大等问题.GRC常用的玻璃纤维有短切玻璃纤维(一维)和玻璃纤维网格布(二维)2种，但短切玻璃纤维有着不连续、在制品中三维乱向分布和掺杂搅拌不均匀的缺点，而玻璃纤维网格布(二维)的铺设过程相对繁琐，且使用多层二维网格布制备的层压复合材料对分层破坏很敏感，在静态荷载、动态荷载或冲击载荷作用下，其剪切和劈裂回弹性能较差[3-4]；另外，一维、二维玻璃纤维对水泥基材料的增强效果有待提高(GRC的比例极限强度约8MPa，抗弯破坏强度约18MPa)，从而使得GRC材料的应用受到限制.随着纤维编织工艺的进步，3D织物种类日益增多，其应用研究也逐步展开.如本团队在前期探索中研究了3D玻璃纤维织物增强水泥基材料的力学性能和耐久性，以及粉煤灰、矿粉的不同配合比对其性能的影响[5-7].

本文采用一维短切玻璃纤维(1D玻纤)、二维玻璃纤维网格布(2D玻纤)、三维间隔连体玻纤织物(3D织物)作为水泥基材料的增强材料，得到1D玻纤GRC、2D玻纤GRC和3D织物GRC；通过抗弯荷载-挠度曲线分析3种维度GRC在弯曲破坏过程中不同阶段的变化特征，并建立抗弯荷载-挠度曲线拟合方程，计算不同维度GRC的抗弯破坏强度(σMOR)、抗弯比例极限强度(σLOP)、弹性变形能(EN)、塑性变形能(PN)和韧度指数(TI)，以此来揭示一维、二维玻璃纤维和3D织物对水泥基材料的增强作用.

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥采用52.5快硬硫铝酸盐水泥，其主要性能指标见表1.砂采用普通中砂，最大粒径小于2.36mm.减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率(1)本文涉及的减水率、含量、比值等均为质量分数或质量比.40%.3D织物由伯龙三维复合材料有限公司生产，采用ZrO2含量为16.7%的耐碱玻璃纤维纱(连续纤维)织造的纤维芯柱贯穿连接上下2个平面织物层而编织成增强体，内部呈空芯结构，层面之间经向由连接线呈“Ω”字形站立连接，具有很好的整体结构形式，3D织物的主要性能指标见表2.1D玻纤为ZrO2含量16.7%的耐碱短切玻璃纤维；2D玻纤为ZrO2含量16.7%的耐碱玻璃纤维网格布，两者的主要性能指标见表3、4.试件配合比见表5.

表1 快硬硫铝酸盐水泥的主要性能指标

表2 3D织物的主要性能指标

表3 短切玻璃纤维的主要性能指标

表4 玻璃纤维网格布的主要性能指标

表5 试件配合比

1.2 试验方法

1.2.1抗弯试件制备

抗弯试件尺寸为250mm×50mm×10mm，同一配合比成型试件6个(No.1～No.6).不同维度GRC试件制备方法如下：

(1)1D玻纤GRC试件成型：将水泥、砂、短切纤维等干料按设计配合比预混均匀，加入水与减水剂混合液料，采用行星式水泥胶砂搅拌机慢搅3min，倒入模具中机械振动1min，成型试件.短切玻璃纤维掺量过大会造成“打卷”现象，均匀性差，所以本试验中短切玻璃纤维掺量选择2.5%(以水泥质量为基准)为拌和工艺的最大掺量.

(2)2D玻纤GRC试件成型：按表5所示配合比配制纯水泥砂浆，搅拌均匀后分2层倒入模具，玻璃纤维网格布则放置在距底模板2mm位置；机械振动1min，成型试件.为使玻璃纤维网格布在抗弯测试时发挥最佳效果，选择玻璃纤维网格布在试件底部铺设.

(3)3D织物GRC试件成型：先将已切割成长250mm，宽50mm的3D织物放入成型模具中，再按表5所示配合比配制纯水泥砂浆，搅拌均匀后倒入模具；振动1min，刮平表面，保持3D织物上下保护层厚度各1mm.

将成型好的试件连同模具在(20±2)℃、相对湿度95%以上的环境中养护24h，拆模并继续养护至7d龄期，进行抗弯性能测试.

1.2.2抗弯性能测试

按照GB/T 15231—2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》，采用WD4100微机控制电子万能试验机对各试件进行四点弯曲测试.四点弯曲测试跨距210mm，支距70mm，加载速率3mm/min，并同时采集各试件的挠度变形数据.依据试验所得抗弯荷载(P)-挠度(δ)曲线，按下式计算各试件的抗弯破坏强度(σMOR)、抗弯比例极限强度(σLOP).

(1)

(2)

式中：PMOR为最大荷载，kN；PLOP为比例极限荷载，kN；b为试件宽度，mm；h为试件厚度，mm；L为跨距，取210mm.

1.2.3韧性

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韧性是指试件在破坏前吸收能量的能力，其值大小取决于材料的强度和变形能力[8].根据美国材料实验协会ASTM C 1018提出的弹性变形能EN、塑性变形能PN和韧度指数TI表征方法，结合GRC材料特性，试验采用2个加载点PLOP和PMOR的荷载- 挠度曲线与坐标轴所围面积来计算每级荷载下试件所吸收的能量，分别表示试件的弹性变形能和弹塑性变形能，如图1所示.图1中：EN为零点到PLOP值对应荷载曲线下的oac面积；PN为PLOP值对应试验力到PMOR值对应试验力曲线下abdc的面积.韧度指数TI是材料的弹塑性变形能与弹性变形能之比，计算公式如下：

图1 抗弯荷载-挠度曲线图

TI=(EN+PN)/EN

(3)

2 结果与讨论

2.1 抗弯荷载-挠度分析

不同维度GRC试件的抗弯荷载-挠度(P-δ)曲线图见图2.由图2可见：纯水泥砂浆试件A0发生了脆性断裂，其抗弯荷载随挠度的增加线性增大，荷载达到最大(350N)时发生瞬时断裂且承受的抗弯挠度很小(0.3mm)；1D玻纤GRC试件A1和2D玻纤GRC试件A2的抗弯荷载-挠度曲线变化规律相似，抗弯响应分为弹性变形、塑性变形2个阶段；3D织物GRC试件A3的抗弯响应分为弹性变形阶段、弹塑性过渡阶段(也称多裂缝形成阶段)、塑性变形阶段，其变形破坏形式见图3.分析不同维度GRC在各阶段的抗弯荷载及挠度变化规律可知：

图2 各试件抗弯荷载-挠度曲线

图3 3D织物GRC试件在不同加载阶段的变形破坏形式

(1)第Ⅰ阶段(弹性变形阶段)：纯水泥砂浆试件、1D玻纤GRC试件、2D玻纤GRC试件、3D织物GRC试件的初裂挠度分别为0.30、0.32、0.35、0.36mm，对应的初裂抗弯荷载分别为350、350、354、358N，说明玻璃纤维对水泥基材料的初裂性能影响不大，脆性的水泥砂浆基体仍是影响试件初裂变形的主要因素.

(2)第Ⅱ阶段(弹塑性过渡阶段，也称多裂缝形成阶段)：抗弯荷载波动变化(302～409N)，挠度持续增加(由0.36mm增至2.48mm).作用力由水泥砂浆基体传递给玻璃纤维，在其内部相互传递并拉长纤维丝，然后又返递给未开裂的水泥砂浆基体.玻璃纤维与水泥砂浆基体相互往复传递作用力，在宏观上即表现为试件表面出现大量间距大致相等的微裂纹[2]，微裂纹之间仍由玻璃纤维连接.当裂纹间距缩小到不能使玻璃纤维与水泥砂浆基体相互传递作用力时，该阶段达到终点.

(3)第Ⅲ阶段(塑性变形阶段)：此阶段水泥砂浆基体完全丧失承载能力，由1D玻纤、2D玻纤、3D织物承担全部承载作用，试件破坏时达到最大荷载，分别为530、674、1019N，最大挠度分别为4.5、5.5、10.0mm.此过程中1D玻纤被拉断或拔出、2D玻纤和3D织物下面层纤维伸长直至拉断(见图4)，且塑性变形阶段的斜率较小，这与1D玻纤、2D玻纤、3D织物在水泥基复合材料中的杨氏模量、纤维分布及其掺量有关.

图4 3D织物GRC试件的底部破坏断面

2.2 抗弯荷载-挠度拟合方程及性能分析

根据A0～A3这4组试件的抗弯荷载-挠度曲线及其破坏特性，采用Origin软件中最优模型选择分段函数(Piecewise)进行拟合，拟合曲线如图5所示；各试件抗弯荷载与挠度在各个变形阶段的数学模型如式(4)～式(7)所示.各段拟合曲线的皮尔森相关系数均大于0.90，说明拟合曲线均与原曲线较为接近.

图5 各试件抗弯荷载-挠度拟合曲线

P=0.0986+0.8384δ，δ≤0.30mm

(4)

试件A1：

P=0.0940+0.7923δ，δ≤0.32mm;P=0.3308+0.0443δ， 0.32mm<δ≤4.50mm

(5)

试件A2：

P=0.0986+0.7441δ，δ≤0.35mm;P=0.3359+0.0615δ， 0.35mm<δ≤5.50mm

(6)

试件A3：

P=0.1012+0.6882δ，δ≤0.36mm;P=0.3489+0.06sin[π(δ-0.36)/0.25]，0.36mm<δ≤2.48mm;P=0.2077+0.0811δ， 2.48mm<δ≤10.00mm

(7)

由以上分析可知：不同维度GRC在抗弯荷载作用下，其弹性变形阶段和塑性变形阶段的荷载与挠度均有较好的线性关系；3D织物GRC在弹塑性过渡阶段的荷载与挠度更接近正弦函数关系.以上方法可较好地表示出不同维度GRC在抗弯荷载作用下荷载与挠度之间的数学模型，式中各常数项与玻璃纤维掺量、试件尺寸等因素有关.

根据图2中各试件的抗弯荷载-挠度曲线，按照GB/T 15231—2008规定方法计算各试件抗弯比例极限强度σLOP和抗弯破坏强度σMOR；以图5抗弯荷载-挠度拟合曲线与坐标轴所围面积分别计算各试件的弹性变形能EN和塑性变形能PN，并由此计算其弹塑性变形能(EN+PN)和韧度指数TI，结果见表6.

由表6可知：1D玻纤GRC、2D玻纤GRC、3D织物GRC试件的弹性变形能分别为71、79、81N·mm，抗弯比例极限强度分别为8.60、8.70、8.80MPa，与纯水泥砂浆试件相比没有明显增加，说明3种维度玻璃纤维对水泥基材料的抗初裂能力影响不大.

表6 各试件的抗弯强度和韧性

纯水泥砂浆试件的塑性变形能为0、韧度指数为1.0；1D玻纤GRC、2D玻纤GRC、3D织物GRC试件的塑性变形能分别为1833、2657、5883N·mm，韧度指数分别为26.7、34.3、73.6，说明3种维度玻璃纤维能够大幅度提高水泥基材料的塑性变形能力，且材料的韧性逐渐增强.3种维度GRC试件的抗弯破坏强度分别为13.10、16.47、25.21MPa，比纯水泥砂浆试件分别提高53%、92%、193%，说明3种维度玻璃纤维对水泥基材料的抗弯破坏强度影响显著，且3D织物的增强效果最佳.在此过程中，1D玻纤受到掺量限制且与水泥黏结的强度较低，纤维易被拔出；2D玻纤仅有径向纤维起到增强作用，受弯时易被拉断，纬向纤维没能发挥作用；3D织物一方面因其特别的空间构造，在试件中纤维掺量明显增加，另一方面则由经纱、纬纱和芯柱相互交织成网络结构，该结构具有一定的拉伸强度(经向2429N，纬向2271N，均以50mm计)、剪切强度(经向2.3MPa，纬向1.3MPa).在弯曲荷载作用下，3D织物上、下面层不但可以承受拉伸应力，而且上、下面层可以通过芯柱相互传递所受荷载(传递路径长)而不发生破坏，只有增大剪切应力，使3D织物的部分纤维芯柱发生倾斜而逐渐错位时，芯柱和上、下底面层相接处才会发生破坏.所以在弯曲荷载作用下，3D织物GRC试件要比1D玻纤GRC试件、2D玻纤GRC试件抗弯强度和韧性的增强效果更好.

3 结论

(1)一维、二维GRC的抗弯破坏过程主要包含弹性变形阶段、塑性变形阶段；3D织物GRC的抗弯破坏过程又新增弹塑性过渡阶段.GRC在弹性变形阶段的力学性能主要由水泥基材性能决定，弹塑性过渡阶段的力学性能由水泥基材和玻璃纤维共同决定，塑性变形阶段的力学性能主要由玻璃纤维决定.

(2)在抗弯荷载作用下，不同维度GRC在弹性变形阶段和塑性变形阶段的荷载与挠度均有较好的线性关系；3D织物GRC在弹塑性过渡阶段的荷载与挠度呈正弦函数关系.

(3)一维短切玻璃纤维、二维玻璃纤维网格布、3D织物这3种类型玻璃纤维均能使水泥基材料的强度和韧性有大幅度提高，尤其是在塑性变形阶段表现明显，具体表现在其抗弯破坏强度比纯水泥砂浆分别提高53%、92%、193%，韧度指数分别达26.7、34.3、73.6；其中3D织物的增强效果最佳.原因一方面是3D织物的纤维有效掺量较高，另一方面是由经纱、纬纱和芯柱相互交织成了具有很高拉伸强度和剪切强度的三维网络结构.