聚合物对3D织物GRC抗弯性能的影响

李清海，赵娇娇，李清原，高建伟，项斌峰

（中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024）

0 前言

玻璃纤维增强水泥（GRC）产品是一种轻质、可造型的新型材料，广泛应用于各类建筑物外侧有异形构造或表面效果的装饰工程中，多以薄壳或薄壁构造形式通过金属锚杆、背附钢架与建筑主体结构进行连接装配。在实际工程应用中，良好的力学性能和耐久性能是重要的性能要求。在力学性能方面，因产品构造形式和受力特点，抗弯性能尤为重要，近年来研发成功的三维间隔连体玻纤织物（3D织物）因具有良好的整体结构形式和力学结构可设计的特点，其应用为提高GRC产品的抗弯性能提供了新的途径[1-5]，研究已证实3D-GRC的抗弯性能比传统一维短切玻璃纤维GRC、二维玻璃纤维网格布GRC有大幅度提高[1]。在耐久性能方面，主要以提高抗渗性、抗冻融性能、耐侵蚀性能为目的，在GRC产品生产时掺入聚合物是尤为有效的方法之一。但是聚合物的掺入往往在改善GRC产品耐久性的同时会对其抗弯性能产生影响，聚合物对传统GRC抗弯性能影响的研究比较系统[6-8]，已有的研究普遍认为适量的聚合物掺量对传统GRC抗弯比例极限强度（又称抗弯初裂强度）均有不同程度的提高；抗弯破坏强度因纤维分布、掺量等因素的影响会有不同的结论；韧性普遍提高。而聚合物对3D-GRC的抗弯性能影响的系统研究鲜有文献报道。

本文拟在3D-GRC试件制作时加入不同掺量的聚合物乳液，研究聚合物对3D-GRC试件受弯破坏过程中不同变形阶段抗弯应力、挠度、模量的影响规律，建立数学模型，探索作用机理，为制备高性能、高耐久GRC新产品提供技术支撑。

1 试验

1.1 原材料

水泥：52.5级快硬硫铝酸盐水泥，按GB 20472—2006《硫铝酸盐水泥》测试的主要性能见表1；砂：中砂，最大粒径2.36 mm；减水剂：聚羧酸减水剂，固含量40%，减水率28%；3D织物（见图1）：由ZrO2含量为16.7%的连续耐碱玻璃纤维编织而成，厚度8 mm，纤维芯柱贯穿连接上下2个平面织物层，内部呈空芯结构，性能指标如表2所示；聚合物：丙烯酸乳液，固含量48%，pH值8.0，黏度180 mPa·s，最低成膜温度11℃。

表1 快硬硫铝酸盐水泥的性能

图1 3D织物及构造示意

表2 3D织物的性能

1.2 试验方法

1.2.1 试件制备

按表3配合比制备3D-GRC试件，试件尺寸为250 mm×50 mm×10 mm，同一配比成型6个试件。试件制备时，先将已切割成长250 mm、宽50 mm的3D织物放入模具中。将水泥、砂等粉料加入行星式水泥胶砂搅拌机内先预混均匀，再依次加入水、减水剂、聚合物乳液，搅拌3 min，倒入放有3D织物的模具中，振动1 min，表面刮平，保持3D织物上下保护层厚度各约1 mm。

表3 试件的配合比

将成型好的试件表面覆盖塑料膜，移入（20±2）℃、相对湿度大于95%的标养室内养护，24 h后拆模，再继续养护至7 d龄期进行抗弯性能测试。抗弯性能测试后取1#和3#试样基体，经60℃烘干、干燥器中降至室温后进行MIP和SEM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微机控制电子伺服试验机进行四点弯曲试验，跨距210 mm，上支距70 mm，加载速度3 mm/min，采集试验全程的荷载和挠度变形数据。按式（1）计算每个试件的抗弯应力。取每组6个试件抗弯应力平均值，绘制抗弯应力-挠度曲线。

式中：σ——抗弯应力，MPa；

P——抗弯荷载，kN；

b——试件宽度，取50 mm；

h——试件厚度，断裂处测量值，mm；

L——跨距，取210 mm。

2 试验结果与分析

2.1 抗弯应力-挠度本构关系及试件变形过程分析

对同组6块试件的抗弯应力-挠度曲线采用Origin软件中“数学分析”进行“多条曲线均值”计算，分别得出5组试件的抗弯应力-挠度均值曲线，见图2。选择分段函数（piecewise）对均值曲线进行拟合，得到不同聚合物掺量3D-GRC试件抗弯应力-挠度本构关系数学模型，见式（2）～式（6）。

由图2和式（2）～式（6）可知，5组3D-GRC试件抗弯响应曲线均分为3个不同阶段，且在各阶段的本构关系规律也基本相似，这说明掺入不超过水泥质量20%的聚合物（2#、3#、4#和5#），并没有改变3D-GRC试件（1#）受弯变形的整体变化趋势。

图2 不同聚合物掺量试件的抗弯应力-挠度均值曲线

根据式（2）～式（6）的本构关系，可把5组试件的抗弯应力-挠度曲线均划分为：弹性变形阶段（Ⅰ）、弹塑性过渡阶段（Ⅱ）和塑性变形阶段（Ⅲ）。为便于分析，以5#试件（聚合物掺量20%）为例，试件抗弯应力-挠度曲线3阶段划分及对应参数见图3。

图3 5#试件抗弯应力-挠度曲线

由图3可见：

弹性变形阶段（Ⅰ）：应力与挠度有较好的线性关系，应力随挠度增大而单调增加，比例极限点分别达到最大值——抗弯比例极限强度（σLOP）和比例极限挠度（δLOP），此时试件发生初裂，这个阶段试件的力学性能主要由水泥基体性能决定。弹性变形范围内，本构关系直线斜率即为试件的弹性模量（E）。

弹塑性过渡阶段（Ⅱ）：应力与挠度接近正弦函数与线性函数复合关系，说明此阶段应力不稳定，应力波动过程中挠度持续明显增大（5#试件这个阶段的挠度由0.97 mm增大到2.55 mm）。其力学性能由水泥基体和纤维共同决定，试件初裂后水泥基体将应力传递给玻璃纤维，内部纤维丝相互传递并被拉长，再将应力返递给未开裂的水泥基体，玻璃纤维与水泥基体相互往复传递应力，宏观上表现为试件出现多点开裂[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。

塑性变形阶段（Ⅲ）：应力与挠度也呈线性关系，应力随挠度增大而单调增加，直至达到试件完全破坏，这时对应的强度和挠度分别称为抗弯破坏强度（σMOR）和破坏挠度（δMOR）。这个阶段水泥基体已经不再承担弯曲荷载，弯曲荷载由3D织物承担，力学性能主要由纤维决定，直至3D织物下面层纤维伸长至拉断。抗弯应力-挠度直线关系中的斜率反映了试件塑性变形阶段的应力随挠度变化的显著程度，与弹性阶段的弹性模量相对应，本文称其为“塑性模量”。同样将塑性变形阶段发生的变形量成为“塑性挠度”。

另一个值得关注的现象是，聚合物改性3D-GRC的抗弯应力-挠度关系曲线与传统聚合物改性GRC材料截然不同，传统一维单丝纤维增强GRC、二维纤维网布增强GRC不存在弹塑性过渡阶段，只有Ⅰ、Ⅲ两个阶段[1]。一维单丝纤维增强GRC和二维纤维网布增强GRC因受到掺量限制和纤维分布原因，无法完全按受力方向布置纤维，试件初裂后多点开裂现象不明显，直接进入塑性变形阶段。一方面，3D织物空间构造可以按照受力要求进行纤维布置，受力方向有效纤维量增多；另一方面，则由经纱与芯柱为通长连续纤维相互交织成网络结构（见图1），在试件初裂后，3D织物上、下面层经纱不但可以承受拉伸应力，而且上、下面层经纱可以通过芯柱相互传递所受荷载，传递路径长，聚合物改性基体仍延性不足，出现多点裂现象，即出现明显的弹塑性过渡阶段。

2.2 聚合物掺量对3D-GRC抗弯强度、挠度及模量的影响

2.2.1 聚合物掺量对弹性阶段试件抗弯性能的影响

根据式（2）～式（6）本构关系弹性变形阶段（Ⅰ）数据，得到试件的抗弯比例极限强度和比例极限挠度与聚合物掺量关系，见图4，弹性模量与聚合物掺量关系见图5。

图4 试件抗弯比例极限强度、挠度与聚合物掺量拟合曲线

图5 试件弹性模量与聚合物掺量拟合曲线

由图4、图5可见，随着聚合物掺量增加，试件的抗弯比例极限强度和比例极限挠度均呈线性上升趋势，而弹性模量却呈线性递减。聚合物掺量从0增至20%时，试件的σLOP由8.80 MPa提高到12.59 MPa，提高了43.1%；δLOP由0.35 mm增加至0.97 mm，增幅为177.1%；弹性模量E由18.59 MPa/mm降低至11.01 MPa/mm，降幅为40.8%。上述结果表明，聚合物乳液掺入提高了3D-GRC试件的σLOP和δLOP，且挠度增幅明显高于强度增幅，弹性模量相应降低。说明聚合物乳液的掺入提高初裂强度的同时，更显著提升了3D-GRC试件的初裂韧性，这对3D-GRC抗裂防裂具有重要意义。

为解释以上变化规律，分别对聚合物掺量为10%的3#试件基体和不掺聚合物的1#试件基体进行MIP测试（见图6）和SEM分析（见图7）。

图6 3D-GRC水泥基体的孔径分布（7 d龄期）

由图6可见，聚合物乳液的掺入在略微降低基体孔隙率（3#、1#试件的孔隙率分别为26.75%、27.06%）的同时，大大优化了基体的孔结构分布，最可几孔径明显减小（3#、1#试件的最可几孔径分别为0.096 μm、0.284 μm）。前期研究也发现，弹性变形阶段3D-GRC的力学性能主要由水泥基体的性能决定[1，9]，且水性丙烯酸乳液分子在水泥基材料基体中扩散能力强，能够渗透到3D-GRC的孔隙中[10]。对其抗弯比例极限提高有明显贡献（聚合物掺量从0增至10%时，试件的σLOP由8.80 MPa提高到10.09 MPa，提高了14.7%）。

由图7可见，3#试件基体中可以发现由聚合物粒子凝聚而成的聚合物膜与水泥水化产物等共生形成互穿网络结构，即丙烯酸乳液分子在水泥基材料基体中扩散到骨料-浆体界面区、孔洞及孔壁周围、水泥水化物、微裂纹的表面等处[11-15]。这种有机、无机互穿网络结构在改善材料脆性的同时，还可有效阻止开裂，也是3D-GRC试件初裂点挠度显著提升、弹性模量递减的主导因素。

图7 3D-GRC水泥基体的SEM照片（7 d龄期）

2.2.2 聚合物掺量对塑性阶段试件抗弯性能的影响

根据式（2）～式（6）本构关系塑性变形阶段（Ⅲ）数据可知，1#~5#试件的抗弯破坏强度分别为25.27、24.27、26.17、25.47、26.50 MPa，基本不受聚合物掺量变化的影响，即试件抗弯破坏强度与聚合物掺量无相关性。试件基体经弹塑性过渡阶段多点开裂，在塑性变形阶段几乎完全退出承载，这时3D-GRC试件的抗弯极限强度主要以纤维承载为主，聚合物对试件的抗弯破坏强度影响不大。

试件破坏挠度（δMOR）为破坏点对应的挠度值，等于该试件的Ⅰ阶段变形（比例极限挠度）、Ⅱ阶段变形以及Ⅲ阶段变形（塑性挠度）之和。为了研究塑性阶段的挠度变化，仅将各组试件的塑性挠度与聚合物进行拟合，二者呈二次函数关系，拟合曲线见图8。

由图8可见，聚合物掺量较低（≤10%）时，塑性挠度增幅明显，10%掺量比未掺的3D-GRC试件塑性挠度增加51.2%；聚合物掺量继续增加，塑性挠度增幅趋缓，聚合物掺量由10%增加到20%时，塑性挠度增幅只有7.5%。可见聚合物乳液的掺入增加了3D-GRC试件的破坏延性，增幅随聚合物乳液掺量增加而逐渐减小。这是由于聚合物的掺入会改善了纤维与基体之间的界面粘结性能[16-17]，塑性变形阶段材料破坏挠度除与纤维的性能相关外，还与纤维与基体间的脱粘滑移相关，即聚合物掺入影响到纤维从水泥基体中被拔出时的滑移效应，表现出破坏延性增大。

图8 试件塑性挠度与聚合物掺量拟合曲线

试件塑性模量与聚合物掺量的拟合曲线如图9所示。

由图9可见，试件塑性模量与聚合物掺量呈二次函数关系递减，且随聚合物乳液掺量增大，塑性模量降幅逐渐减小。这与以上分析所得试件抗弯破坏强度基本不随聚合物乳液掺量变化而变化的条件下，塑性挠度增幅随聚合物乳液掺量增大而逐渐减小是一致的。

图9 试件塑性模量与聚合物掺量的拟合曲线

3 结论

（1）聚合物改性3D-GRC试件的抗弯比例极限强度和比例极限挠度均随聚合物掺量的增加呈线性上升趋势，比例极限挠度增幅明显高于抗弯比例极限强度增幅；而弹性模量随聚合物掺量的增加而线性递减，即聚合物乳液的掺量增加提高了3D-GRC初裂强度的同时，更显著提升初裂延性，其韧性得到明显改善。这是由于聚合物改性基体孔结构分布优化和有无机材料形成的互穿网络结构共同作用所致。

（2）聚合物改性3D-GRC试件的塑性挠度随聚合物掺量增加呈二次函数关系递增，塑性模量随聚合物掺量增加呈二次函数关系递减。即聚合物乳液的掺入增加了3D-GRC试件的破坏延性，改善其韧性；但改善幅度随聚合物乳液掺量增加而逐渐减小。这是由于聚合物改善了3D织物与水泥基体之间的界面粘结性能所致。

（3）聚合物改性3D-GRC试件的抗弯破坏强度与聚合物掺量无相关性，即聚合物乳液的掺入对试件的抗弯破坏强度无直接影响。这是由于聚合物的掺入不会对3D织物本身的强度产生影响所致。