玻璃纤维对板材性能的影响及机理研究*

2021-07-29侯云芬张莹郑东昊周文娟

商品混凝土 2021年7期

侯云芬，张莹，郑东昊，周文娟

（北京建筑大学，北京 100044）

0 引言

随着我国对建筑领域提出节能减排及绿色建筑的要求，装配式建筑逐渐取代传统建筑方式成为主流。装配式建筑所需的板材主要有内外墙板、预制楼梯板、预制楼板，板材不仅要满足强度需求，同时应减轻自重、控制成本。墙体材料有较多种类，其中混凝土类墙板热容较大，可在白天储存热量夜间释放，不再需要辅助加热或冷却[1]，从而广泛应用于装配式住宅及商业建筑中。但混凝土因干燥收缩及温度收缩易产生裂缝，从而影响墙板的耐久性，且随混凝土强度的提高问题更为明显。

纤维材料因其抗拉强度高、弹性模量大，常作为增强材料被用于混凝土非承重构件中[2]。纤维材料在混凝土中的改性作用主要有纤维阻裂理论[3]和复合材料理论，掺入纤维能够改善混凝土墙板内部微裂缝的产生及发展，从而提高墙板的强度及耐久性。纤维材料中玻璃纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度，目前耐碱玻璃纤维掺入混凝土中以抵抗变形及开裂已应用于建筑工程中。吕志恒[4]分析不同掺量的玻璃纤维对混凝土抗压强度的影响，研究表明玻璃纤维体积掺量过大，对混凝土立方体强度有不利影响。丁一宁[5]对玻璃纤维网格布进行了耐碱试验和双向板受弯试验，结果表明，耐碱玻璃纤维能够减缓腐蚀速度，在普通硅酸盐水泥中掺入耐碱玻璃纤维网格布后，可大幅提高混凝土板的受弯承载力。赵晶[6]研究耐碱玻璃纤维在混凝土中长期增强的效果，表明耐碱玻璃纤维可增加混凝土强度及韧性，但纤维长期服役后受化学溶蚀损伤及物理刻蚀损伤对混凝土不再有增强效应。

为了避免玻璃纤维受到硅酸盐水泥的碱性腐蚀，本试验使用硫铝酸盐水泥作为胶凝材料制作板材。硫铝酸盐水泥主要矿物成分为无水硫铝酸钙及硅酸二钙，无水硫铝酸钙化学分子式为 3CaO·3Al2O3·CaSO4，形成温度在 1300～1350℃ 之间[7]，水硬活性高，且具有早强、微膨胀等特点。孙诗兵[8]研究不同掺量耐碱玻璃纤维增强快硬硫铝酸盐水泥砂浆的拉压应力应变关系。发现砂浆在拉、压状态下具有不同的本构方程形式，且弹性阶段拉压的弹性模量不同。周霞[9]研究玻璃纤维改性硫铝酸盐水泥基发泡保温板的性能，发现板的抗压强度随纤维掺量的增加先提高后降低，玻璃纤维可提高板材的抗折强度及韧性，且降低保温板的收缩性能、提高抗冻性能。

目前学者研究中未针对玻璃纤维网格布改善硫铝酸盐水泥基板材性能的机理研究，因此本文通过改变纤维的铺设层数及克重来研究玻璃纤维对板材抗折强度、抗冲击性能及收缩性能的影响。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验中选用强度等级 42.5 快硬硫铝酸盐水泥及粉煤灰、矿渣粉和硅粉等矿物掺合料；再生细骨料，由 0.3mm 以下小颗粒、0.3～1.18mm 中颗粒和 1.18～ 4.75mm 大颗粒按 24%、25% 和 51% 比例搭配而成；减水率约为 40% 的聚羧酸减水剂；有机硅粉末憎水剂，硅烷活性含量 25%w/w；比表面积为 120.8m2/kg 的木粉。

克重分别为 100、135 和 165 的玻璃纤维网格布拉伸断裂结果见表 1 所示。表 1 显示，同克数纤维网格布经向和纬向的拉伸能力相近，表明铺设纤维网格布时可以不考虑方向；另外，随着玻璃纤维网格布克重的增大，其拉伸能力提高。

表1 玻璃纤维网格布拉伸断裂值 N/50mm

表2 为砂浆配合比。纤维网格布分别以 2 层和 4 层等间距铺设在板中，2 层纤维每层间隔 4mm，4 层每层间隔 2.4mm，成型后 24h 拆模，养护至 3d、7d 龄期后测试板材性能。

表2 自流平砂浆配合比 g/kg 砂浆

1.2 玻璃纤维增强板试样制备方法

将按照砂浆配比拌制的均匀制得自流平砂浆后，将少量砂浆装入 300mm×120mm×12mm 的矩形模具中，用刮板（见图 1）刮平，依次铺设耐碱玻璃纤维网格布，每次倒入自流平砂浆后用刮板刮平，最后将模具装满刮平成型[10]（见图 2）。24h 后脱模，标准养护 3d 测定板材的抗折强度和冲击性能；标准养护 7d 测量板材原始长度后开始收缩试验。

图1 不同深度的砂浆刮板

图2 砂浆入模成型的状态

1.3 玻璃纤维增强板试样的抗折试验方法

根据 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》选择四点抗折法，如图 3 所示，用于测定不同纤维网格布层数时板的抗折强度[10]。

图3 板抗折试验夹具简图

试验时将板试样成型面朝上放置在抗折夹具的压头间，保证板试样中心与压头中心重合。调整至压头与板试样刚好接触时开始抗折测试。

1.4 玻璃纤维增强板试样的冲击试验方法

根据 GB/T 1451—2005《纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法》进行玻璃纤维增强水泥板抗冲击性能试验。选用 DTM1203-C1 落锤试验机，如图 4[10]所示。落锤质量为 5kg，直径 30mm，下落高度为 20cm。下落时保证每次落锤高度一致。记录板试样破坏时的冲击次数及每次冲击后板试样的冲击破坏面直径。

图4 落锤试验机

1.5 玻璃纤维增强板试样的收缩试验方法

根据 JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行板材的收缩试验。在标准养护 7d 后安装收缩架及千分表，测量之后 28d 板的收缩值。测试选取 4 个纵向、2 个横向共 6 个等距记录点，如图 5[10]所示。保证测试温度为 20℃±2℃，相对湿度为 60%±3%。

图5 收缩试验记录点位置

2 结果与分析

2.1 玻璃纤维增强板抗折强度结果与分析

C 组（纯水泥）、S 组（矿渣粉）、F 组（粉煤灰+硅粉）砂浆的玻璃纤维增强板材的抗折强度结果见表 3 和图 6～8。

表3 纤维克重和层数对板材抗折强度的影响 MPa

图6 纤维克重和层数对板材抗折强度的影响(C)

图7 纤维克重和层数对板材抗折强度的影响(S)

图8 纤维克重和层数对板材抗折强度的影响(F)

由表 3 和图 6～8 可以看出，采用硫铝酸盐水泥制备玻璃纤维增强板时，除掺入矿渣粉的 2 层 165 克重纤维网格布增强板外，不同克数的纤维增强板随龄期的增长其抗折强度都有不同程度的增加。相同克数的纤维网格布增强板中，铺设 4 层的板材抗折强度均大于铺设 2 层纤维的板材强度。

相同层数纤维网格布的纯水泥增强板中，100 克重及 165 克重的纤维网格布板材抗折强度相差不大，135 克重纤维网格布增强板材的抗折强度较低，4 层纤维增强板 3d、7d 抗折强度仅为同组最高值的 81.3%、82.91%。相同层数纤维网格布的掺加矿渣粉增强板中，抗折强度最高的是 135 克重的纤维网格布板材试样，4 层纤维增强板试样 3d、7d 抗折强度为分别为同组最低值的 1.18、1.10 倍；100 克重及 165 克重的纤维网格布板材抗折强度相差不大。相同层数纤维网格布的粉煤灰复掺硅粉增强板中，2 层纤维增强中板 7d 抗折强度最高的为掺入克重 135 的试样，4 层纤维增强板中 7d 抗折强度最高的为掺入克重 165 的试样。

综合而言，纤维网格布的铺设层数影响板材的抗折强度，且随层数增加强度提高。纤维克重与矿物掺合料共同影响板材的抗折强度。

2.2 玻璃纤维增强板抗冲击性能结果与分析

C 组（纯水泥）、S 组（矿渣粉）、F 组（粉煤灰+硅粉）砂浆的玻璃纤维增强板材在标准养护 3d、7d 后进行抗冲击试验结果见表 4 和图 9～11。

表4 纤维对板材冲击性能的影响

图9 纤维对板材冲击性能的影响（C 组）

图10 纤维对板材冲击性能的影响（S 组）

由表 4 和图 9～11 可以看出，随养护龄期的增加，同种板材所能承受的冲击次数增加且冲击后破坏面直径减小，即抗冲击能力提高。相同克数的纤维网格布增强板中，铺设 4 层的板材抗冲击性能均大于铺设 2 层纤维的板材，如纯水泥纤维增强板在养护 7d 后铺设 2 层纤维网格布只能承受 4 次冲击，而铺设 4 层纤维网格布可承受 5 次冲击，且相同冲击次数下 4 层纤维板破坏直径均低于 2 层纤维板。

相同层数纤维网格布的纯水泥增强板中，铺设纤维克重为 100 的板材抗冲击性能较差。2 层网格布增强板在 3d 龄期时只能承受三次冲击，在 7d 龄期时冲击坑直径随冲击次数增长较大。4 层网格布增强板在 3d、7d 时冲击破坏直径随冲击次数迅速增大。相同层数纤维网格布的掺加矿渣粉增强板中，铺设纤维克重为 135 的板材抗冲击性能最好，3d 龄期的 2 层、4 层板所承受的最大冲击次数均比其他克重纤维板材多且冲击破坏直径小。相同层数纤维网格布的粉煤灰复掺硅粉增强板中，铺设 4 层纤维时的抗冲击性能差异较小。

综合以上可知，铺设 4 层纤维网格布的板材抗冲击性能强于 2 层纤维布板材，其中铺设 2 层克重 165 网格布板材、4 层克重 135 纤维网格布板材的抗冲击性能较好。

图11 纤维对板材冲击性能的影响（F 组）

2.3 玻璃纤维增强板收缩性能结果与分析

C 组（纯水泥）、S 组（矿渣粉）、F 组（粉煤灰+ 硅粉）砂浆的玻璃纤维增强板材的收缩试验结果见表 5～7 和图 12～14。

表5 纤维层数对板材干缩性能的影响 (C 组)

图12 纤维层数对板材干缩的影响 (C 组)

表6 纤维层数对板材干缩性能的影响 (S 组)

表7 纤维层数对板材干缩性能的影响 (F 组)

图13 纤维层数对板材干缩的影响 (S 组)

图14 纤维层数对板材干缩的影响 (F 组)

可以看出，铺设纤维网格布后可明显改善板材的收缩性能，且随着铺设层数的增加改善效果越显著。相同铺设层数的纤维网格布增强板中，随着纤维克重的增加，板材的收缩减小。纤维板材的主要收缩发生在早期，铺设 4 层纤维的板材在 4d 前快速收缩，而 2 层纤维板材在 7d 前依然为快速收缩。

综合而言，掺入纤维网格布可大幅降低板材的收缩，其中可通过铺设层数及克重影响板材，增加网格布层数或选择较高克重的纤维布均可降低板材的收缩率，使其抗收缩变形能力提高。

2.4 玻璃纤维增强板的机理分析

不同克重纤维对板材性能的影响存在差异，究其原因是其微观形貌不同，对纤维放大 50 倍后观察表面形态，如图 15 所示。可以发现，克重为 100 和 135 的纤维表面较为光滑，且纤维束粘结凝聚在一起，导致纤维与砂浆的接触界面较弱；克重为 165 的纤维表面较为粗糙，可与砂浆界面接合紧密，界面粘结力强。

图15 不同克重纤维网格布的微观形貌

观察抗折破坏后铺设 2 层及 4 层纤维网格布板的破坏状态，发现 2 层纤维板的破坏主要是纤维断裂，而 4 层纤维板的破坏主要为纤维被抽出。分析原因为纤维与砂浆的抗拉强度不相匹配，纤维强度高于砂浆，在抗折试验过程中强度取决于纤维的强度及纤维与砂浆的粘结强度。铺设 2 层纤维网格布时，纤维的强度较低，此时纤维与砂浆的粘结强度大于纤维的抗拉强度，导致破坏状态主要为纤维断裂。铺设 4 层纤维网格布的板材，此时纤维的强度大于与砂浆的粘结强度，于是破坏状态主要为纤维与砂浆界面的破坏。

综合来看，板材的抗折强度是纤维与砂浆抗拉强度及纤维与砂浆的粘结强度共同决定。这就解释了铺设克重为 165 纤维布的板强度低的原因，尽管克重 165 纤维的抗拉强度高，但由于砂浆强度较低，无法与纤维起到较好协同作用，从而板材的抗折强度低。

抗冲击试验中，纤维可抵挡一部分外界冲击力，所以铺设纤维的板材抗冲击性能较好。克重 165 的纤维抗拉强度高、延展性好，但同样纤维层数时，铺设 135 克重纤维的板材抗冲击性能好于 165 克重纤维增强板。克重 165 纤维布的网格孔较大，网格点分布疏松，传递外界冲击力能力弱于 135 纤维布，所以铺设 135 克重纤维的板材抗冲击性能更好。板材的龄期同样影响纤维对板材的作用。随着砂浆水化反应的进行，其与纤维的粘结作用更强，且砂浆的强度不断提高，所以铺设纤维的砂浆板材随龄期增长，抗折强度及抗冲击能力提高。

收缩试验中，铺设纤维后板材的抗收缩性能提高，且克重 165 的纤维增强板收缩最小。由图 15 可看出，165 克重纤维表面较粗糙，从而与砂浆结合更紧密，当砂浆有收缩倾向时，纤维可提供更大的抑制收缩的作用力。