水胶比对GRC 抗弯强度和韧性的影响

刘一槿 张 健 杨国明

（1 广州立墙墙体材料有限公司；2 广州大学土木工程学院)(3 广州番禺乔兴建设安装工程有限公司）

0 引言

玻璃纤维增强水泥（简称GRC）具有轻质、高强、隔热保温、防水、防火、可加工性良好及价格适中等诸多优点。由于玻璃纤维的强韧化作用，GRC 具有较高的强度，断裂韧性有显著改善[1-2]。GRC 破坏过程不同于普通混凝土的脆性破坏，呈现弹塑性特征，有一个塑性延展的过程[3]。

一般情况下GRC 的抗弯强度、抗冲击强度随着水灰比的增加而下降。但水胶比过低时，拌合物流动性不好，纤维不能均匀分散，密实度降低，对强度反而不利。程从密[4]认为在预混浇注法工艺条件下，水胶比为0.5 时，玻璃纤维对GRC 抗弯强度贡献不显著，当玻璃纤维掺量达水泥质量的6%时，GRC 抗弯强度才明显上升。崔琪[5]认为预混玻纤长度为20mm，玻纤掺量在1%～2.5%，GRC抗弯强度随玻纤掺量的增加而提高；当玻纤掺量超过2.5%后，强度随玻璃纤维掺量增加呈下降趋势。冯竟竟[6]通过试验表明，纤维体积掺量在1.5%～2.0%时，随纤维掺量增加，GRC 的抗折强度显著增大。

本文通过实验研究水胶比对预混浇注法生产的GRC 抗弯强度的影响，以及通过弯曲破坏过程的应力-挠度曲线分析水胶比对GRC 韧性的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

耐碱玻璃纤维，纤维单丝直径15μm，玻璃纤维长度为12mm，单股线密度98tex，氧化锆含量为16.7%，湖北汇尔杰新材料科技股份有限公司产品（图1）；低碱度硫铝酸盐水泥（L.SAC），强度等级42.5，广西云燕特种水泥建材有限公司产品；河砂，经2.36mm 方孔筛过筛；聚羧酸系高性能减水剂。

图1 玻璃纤维

1.2 实验方法

实验参照国家标准《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》GB/T15231－2008 进行，GRC 拌合物在实验室采用预混浇注法制备。先将水、水泥和砂一起搅拌，1 分钟后缓缓加入玻璃纤维，继续搅拌至4 分钟后将GRC 拌合物注入试模制成10mm 厚GRC 大板。放养护室恒温养护4d后，将大板切割成规格为250mm×50mm 的试件。

切割完的试件摆放于通风良好的室内6d 后进行抗弯试验。采用微机控制全自动测试系统上进行抗弯实验（图2），加载过程的荷载-挠度曲线利用实验机自带传感器和软件系统记录。

1.3 配合比设计

图2 GRC 抗弯试验

为研究水胶比对预混浇注GRC 性能的影响，本实验采用0.32、0.36、0.4、0.44 和0.5 五种水胶比。拌合物胶砂比为1.00。玻璃纤维掺量以纤维占固体（水泥、砂和玻璃纤维）总质量百分比来表示，每种水胶比采用玻璃纤维含量均为2.5%。为减少对拌合物流动性的影响，实验采用内掺法加入玻璃纤维，在加入玻璃纤维的同时减少等质量的砂。

配合比设计时保持水泥与砂的量不变，改变用水量来调整水胶比。对于水胶比较低的样品，加入适量减水剂调整流动度。为研究玻璃纤维对GRC 抗弯强度的影响程度，还设计了分别与上述不同水胶比GRC 配合比相对应的五种无玻璃纤维砂浆试样。

不同水胶比GRC 和对比砂浆试样的配合比如表1所示。

表1 不同水胶比GRC 和对比砂浆试样的配合比

2 水胶比对GRC 抗弯强度的影响

水胶比对GRC 和对比砂浆抗弯强度的影响如图3所示。由图可看出，无玻璃纤维的对比砂浆抗弯强度随着水胶比的增加明显下降。水胶比从0.32 增加至0.50时，对比砂浆的抗弯强度从10.14MPa 下降到6.18MPa，降幅为39.1%。水胶比对GRC 的抗弯强度也有类似的影响规律。随着水胶比的增加，GRC 抗弯强度显著下降，GRC 的抗弯强度下降与水胶比的提高呈近似直线关系。水胶比从0.32 增加至0.50 时，GRC 的抗弯强度从10.93MPa 下降到5.76Mpa，降幅达47.3%。这表明玻璃纤维掺量为2.5%时，水胶比越低，GRC 的抗弯强度越大。从图3 还可看出，无玻璃纤维的对比砂浆和GRC 的抗弯强度-水胶比关系曲线基本接近，这表明当玻璃纤维掺量为2.5%时，对水泥砂浆的抗弯强度无明显增强作用。

图3 所示为水胶比与抗弯强度的关系

3 水胶比对GRC 韧性的影响

图4 所示为不同水胶比配制GRC 的典型弯曲应力-挠度曲线。由图4 可以看出，五组不同水胶比GRC 的典型应力-挠度曲线上升段弯曲应力与挠度呈直线关系，应力-挠度曲线顶部呈弧形，表明其具有一定的韧性特征。这表明玻璃纤维掺量为2.5%时，玻璃纤维的加入虽然没有显著提高砂浆强度，但具有明显的增韧作用。

图4 不同水胶比配制GRC 的典型弯曲应力-挠度曲线

水胶比为0.50 时，曲线下降段较为平缓，表明此时GRC 具有更明显的韧性特征。随着水胶比减小，曲线下降段越来越陡峭。这表明，随着水胶比的增加，虽然GRC的强度下降，但玻璃纤维对GRC 增韧效果更好。这是因为水胶比较高时，玻璃纤维能够更好地分散在水泥浆体中，水泥基质的开裂由单一裂纹快速扩展变成大量裂纹同时出现，在玻璃纤维的约束作用下，使水泥基材的韧性得到明显改善。另外，当水胶比较低时，水泥基体与玻璃纤维之间的作用力更小，玻璃纤维可通过与水泥基体脱粘而由基体中拔出，从而使GRC 具有更好的延性[7]。

4 结论

本文通过试验研究了预混浇注法GRC 的抗弯性能，通过水砂比对GRC 抗弯强度和应力-挠度曲线影响的研究，得出如下结论：

⑴水胶比对GRC 抗弯强度有着显著影响。随着水胶比的增加，GRC 抗弯强度明显下降，呈近似直线关系。

⑵玻璃纤维掺量为总固体质量2.5%时，没有显著提高GRC 的抗弯强度，但是明显提高了GRC 的韧性。

⑶水胶比越大，GRC 的弯曲应力-挠度曲线下降段越平缓。表明玻璃纤维掺量为2.5%时，高水胶比对GRC的增韧效果更好。