严寒环境下双掺矿物掺合料对玻璃纤维增强水泥构件抗弯、抗冲击强度的影响

喻 林 李建波 王学雷

1. 河海大学力学与材料学院 江苏 南京 210098；

2. 苏宁置业集团有限公司 江苏 南京 210042

玻璃纤维增强水泥（GRC）材料具有材质轻、强度高、抗裂性能好、抗冻性好、抗冲击强度高、清洁环保、安装便捷、可塑性强及造型多变等特点[1]。目前，GRC因其轻质高强等特点而被广泛应用。传统GRC构件主要用于非承重结构，通过提高其耐久性，GRC构件也被应用于半承重结构。

GRC试件不仅涉及人们的住、行、用等多方面，而且在一些重大的军事工程中也有它们的身影[2-3]。随着制作玻璃纤维水平的提高，GRC构件的应用得到了推广。玻璃纤维在GRC制品中既增强了界面区的强度，有效地抑制裂缝的产生与发展，又使水泥内部的应力集中得到消除[4-7]。但是GRC构件的耐久性能，尤其是在潮湿环境下强度与韧性降低的问题没有得到解决。

关于掺加活性矿物掺合料以改进GRC试件力学性能方面的研究较少，而针对GRC试件在经过冻融循环后的力学性能研究则更少。本文结合项目工程实际，通过双掺不同矿物掺合料对GRC试件的抗冻性能进行研究，从而确定GRC试件的最佳配合比，制备高强、增韧及耐久性强的GRC构件。

1 试验方案

1.1 试验用原材料

本试验所用拌和水为自来水，其参数符合行业规范 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》相关规定；细集料（级配合理的中砂）所用砂为湖砂，来自洞庭湖，细度模数为2.7，含泥量为0.8%；偏高岭土是河南巩义市辰义耐材磨料公司生产的，其基本性能参数见表1；耐碱玻璃纤维网格布基本化学成分、基本性能参数见表2、表3；硅灰的基本参数性能参数见表4；水泥采用安徽芜湖海螺水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），主要化学成分为CaO、SiO2，质量分数分别58%、23%，其初凝时间、终凝时间分别为158、231 min，抗压强度、抗折强度（28 d）分别为42.5、6.5 MPa；粉煤灰是由江苏省某国网热电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰，其基本性能参数见表5；采用的减水剂为江苏尼高科技有限公司生产的高效减水剂。

表1 偏高岭土的基本性能参数

表2 耐碱玻璃纤维网格布基本化学成分质量分数

表3 耐碱玻璃纤维网格布基本性能参数

表4 硅灰的基本性能参数

表5 粉煤灰基本性能参数

1.2 配合比设计

GRC试件配合比试验要求：水胶比0.38，胶砂比1∶1，玻璃纤维网格布体积掺量为3%，高效减水剂掺量为0.6%～1.0%，添加双掺活性矿物掺合料试验组（偏高岭土掺入比例〔质量分数，下同〕范围为10%～40%、硅灰掺入比例范围为5%～10%、粉煤灰掺入比例范围为10%～50%），偏高岭土、硅灰、粉煤灰掺量梯度分别为10%、5%、10%。

试验对各组改性水泥试件抗压强度、抗折强度以及减少减水剂使用等方面因素进行比较，选取了以下4种双掺矿物的掺入比例：Si5＋Mk20、Si10＋Fa20、Si10＋Mk20、Fa20＋Mk20（Si代表硅灰，Mk代表偏高岭土，Fa代表粉煤灰，字母后缀的数字代表掺入比例）。优化后，外加剂用量根据流动度相同的原则调整。根据配合比要求进行称料配比，通过调节用水量和减水剂量将各组拌和物的流动度控制在225 mm左右。

1.3 试验方法

本试验主要设备仪器：TDR-2型混凝土冻融试验机、荷载-挠度曲线电子试验机、电子摆锤式冲击试验机，分别如图1～图3所示。

图1 TDR-2型混凝土冻融试验机

图2 荷载-挠度曲线电子试验机

图3 电子摆锤式冲击试验机

按照设定配合比进行砂浆拌和，然后浇筑GRC试件。抗弯强度试验所用尺寸为250 mm×50 mm×10 mm，抗冲击强度试验所用尺寸为120 mm×50 mm×10 mm。每6个试件 为一组，24 h后进行拆模，拆模后进行标准养护28 d。当GRC试件养护龄期到达26 d时，将试件全部放入不低于0 ℃的清水中浸泡24 h，同时检查GRC试件表面，取出因为切割而引起的缺陷部分，水的液面至少高出试件顶端2～3 cm。冻融循环试验之前，取出GRC试件并将表面水分擦干。第25次冻融循环结束后，将取出的GRC试件表面用清水洗净后擦拭干净，检查其外观是否有起层、剥落等破坏现象，剔除其中损坏的GRC试件，然后进行宏观力学性能试验。

抗弯性能试验：将250 mm×50 mm×10 mm标准尺寸的GRC试件，以6个试件为一组，养护至指定龄期，放到荷载-挠度曲线电子试验机上进行抗弯性能试验，结果以6个试件的算术平均值表示，精确到0.1 MPa。

抗弯比例强度、抗弯破坏强度分别按照公式（1）、（2）计算：

式中：σLOP——抗弯比例强度，单位MPa；

σMOR——抗弯破坏强度，单位MPa；

P1——抗弯比例荷载，单位N；

Pm——抗弯破坏荷载，单位N；

L——跨度，单位mm；

b——GRC试件宽度，单位mm；

h——GRC试件厚度，单位mm；

抗冲击性能试验：将120 mm×50 mm×10 mm标准尺寸的GRC试件，以6个试件为一组，经标准养护后，通过电子摆锤式冲击试验机进行抗冲击性能试验，以6个试件的算术平均值表示，精确到0.1 kJ/m2。

抗冲击强度按照公式（3）计算：

式中：σ1——抗冲击强度，单位kJ/m2；

A——冲击能量，单位J；

b——试件宽度，单位mm；

h——试件厚度，单位mm。

2 试验结果及分析

2.1 GRC试件的抗弯强度

经冻融循环后，计算得到不同龄期各种GRC试件抗弯强度平均值，所得数据见表6。

表6 GRC试件抗弯强度值 单位：MPa

在本次试验中，冻融循环前表示GRC试件经标准养护28 d后进行抗弯强度试验，冻融循环后表示GRC试件经过25次冻融循环后进行抗弯强度试验。为了方便表示，将掺入比例Si5＋Mk20、Si10＋Fa20、Si10＋Mk20、Fa20＋Mk20依次标记为①、②、③、④。

图4 GRC试件冻融循环前后抗弯比例强度

图5 GRC试件冻融循环前后抗弯破坏强度

根据表6抗弯强度试验数据，分别绘制冻融循环前后抗弯比例强度、抗弯破坏强度柱状图，如图4、图5所示。由图4、图5可知：经过冻融循环后，各组GRC试件的抗弯强度均呈现不同程度下降，改性（掺加掺合料）GRC试件的下降幅度低于对照GRC试件（P.O 42.5）下降幅度：前者GRC试件的抗弯强度保留率为90%，后者GRC试件抗弯强度保留率为70%。改性GRC试件②、③的抗弯破坏强度保留率分别为87.9%、87.3%，可见双掺10%硅灰、20%粉煤灰和双掺10%硅灰、20%偏高岭土能够有效提高GRC试件在冻融循环后的抗弯破坏强度。

2.2 GRC试件的抗冲击强度

经冻融循环后，计算得到GRC试件抗冲击强度平均值，数据见表7。

表7 GRC试件抗冲击强度值 单位：kJ/m2

根据表7试验数据，可绘制以改性普硅水泥为基材的GRC试件在冻融前、后抗冲击强度柱状图（图6）。

图6 GRC试件冻融前后抗冲击强度

由图6可知：经过冻融后，GRC试件抗冲击强度值有所下降，其中对照GRC试件（P.O 42.5）的强度保留率为75%左右，改性（掺加掺合料）GRC试件的强度保留率高于90%。改性GRC试件（②、③）在冻融循环后抗冲击强度仍大于18 kJ/m2，可见双掺10%硅灰、20%粉煤灰和10%硅灰、20%偏高岭土能够提高GRC试件在冻融循环后的抗冲击性能。

2.3 机理分析

水泥基材与GRC试件玻纤网格布的连接界面是GRC试件最薄弱的环节，因为玻纤网格布表面容易产生水分富集现象，导致局部水灰比过大，从而引起气孔尺寸与气泡间距增大，连接界面水泥基材孔隙率也增加较多，密实度下降。因此，在冻融循环过程中界面处产生的冻胀压力会增大，从而导致其力学性能下降，抗冻性降低。掺入活性掺合料使得水泥砂浆中的微小孔洞得到填充，虽然原来的微小孔洞变成了一个个微细毛孔，但是这些微细毛孔又有一定的连通性。在冻融循环过程中，当孔隙中水结冰，产生水压力时，水能够从微细毛孔经过没有冰冻的孔扩散至自由空间，从而缓解了冻融过程中的冰胀压力。GRC试件中的3层玻纤网格布具有很好的整体性，上下层玻纤网格布能够很好地将所受荷载进行传递，增强试件的抗弯、抗拉强度，最终能使试件在冻融循环后保持较好的力学性能。

3 结语

1）经冻融循环后，GRC试件的表面未出现裂纹、分层、剥落等现象，但其抗弯强度、抗冲击强度均有不同程度下降。

2）双掺10%硅灰、20%粉煤灰和双掺10%硅灰、20%偏高岭土能够有效提GRC试件的抗弯强度、抗冲击强度，经冻融循环后强度保留率高于90%。