李清海， 趙嬌嬌， 李清原， 高建偉， 吳玉姣

(中國建筑材料科學研究總院有限公司, 北京 100024)

玻璃纖維增強水泥(GRC)是一種以玻璃纖維為增強材料、水泥砂漿為基體的復合材料[1-2].在GRC材料中，玻璃纖維起配筋作用，可以承受一定的荷載并傳遞應力，阻止水泥基材開裂，改善水泥基材料抗拉強度低、抗彎強度低、脆性大等問題.GRC常用的玻璃纖維有短切玻璃纖維(一維)和玻璃纖維網格布(二維)2種，但短切玻璃纖維有著不連續(xù)、在制品中三維亂向分布和摻雜攪拌不均勻的缺點，而玻璃纖維網格布(二維)的鋪設過程相對繁瑣，且使用多層二維網格布制備的層壓復合材料對分層破壞很敏感，在靜態(tài)荷載、動態(tài)荷載或沖擊載荷作用下，其剪切和劈裂回彈性能較差[3-4]；另外，一維、二維玻璃纖維對水泥基材料的增強效果有待提高(GRC的比例極限強度約8MPa，抗彎破壞強度約18MPa)，從而使得GRC材料的應用受到限制.隨著纖維編織工藝的進步，3D織物種類日益增多，其應用研究也逐步展開.如本團隊在前期探索中研究了3D玻璃纖維織物增強水泥基材料的力學性能和耐久性，以及粉煤灰、礦粉的不同配合比對其性能的影響[5-7].

本文采用一維短切玻璃纖維(1D玻纖)、二維玻璃纖維網格布(2D玻纖)、三維間隔連體玻纖織物(3D織物)作為水泥基材料的增強材料，得到1D玻纖GRC、2D玻纖GRC和3D織物GRC；通過抗彎荷載-撓度曲線分析3種維度GRC在彎曲破壞過程中不同階段的變化特征，并建立抗彎荷載-撓度曲線擬合方程，計算不同維度GRC的抗彎破壞強度(σMOR)、抗彎比例極限強度(σLOP)、彈性變形能(EN)、塑性變形能(PN)和韌度指數(TI)，以此來揭示一維、二維玻璃纖維和3D織物對水泥基材料的增強作用.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥采用52.5快硬硫鋁酸鹽水泥，其主要性能指標見表1.砂采用普通中砂，最大粒徑小于2.36mm.減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率(1)本文涉及的減水率、含量、比值等均為質量分數或質量比.40%.3D織物由伯龍三維復合材料有限公司生產，采用ZrO2含量為16.7%的耐堿玻璃纖維紗(連續(xù)纖維)織造的纖維芯柱貫穿連接上下2個平面織物層而編織成增強體，內部呈空芯結構，層面之間經向由連接線呈“Ω”字形站立連接，具有很好的整體結構形式，3D織物的主要性能指標見表2.1D玻纖為ZrO2含量16.7%的耐堿短切玻璃纖維；2D玻纖為ZrO2含量16.7%的耐堿玻璃纖維網格布，兩者的主要性能指標見表3、4.試件配合比見表5.

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥的主要性能指標

表2 3D織物的主要性能指標

表3 短切玻璃纖維的主要性能指標

表4 玻璃纖維網格布的主要性能指標

表5 試件配合比

1.2 試驗方法

1.2.1抗彎試件制備

抗彎試件尺寸為250mm×50mm×10mm，同一配合比成型試件6個(No.1～No.6).不同維度GRC試件制備方法如下：

(1)1D玻纖GRC試件成型：將水泥、砂、短切纖維等干料按設計配合比預混均勻，加入水與減水劑混合液料，采用行星式水泥膠砂攪拌機慢攪3min，倒入模具中機械振動1min，成型試件.短切玻璃纖維摻量過大會造成“打卷”現(xiàn)象，均勻性差，所以本試驗中短切玻璃纖維摻量選擇2.5%(以水泥質量為基準)為拌和工藝的最大摻量.

(2)2D玻纖GRC試件成型：按表5所示配合比配制純水泥砂漿，攪拌均勻后分2層倒入模具，玻璃纖維網格布則放置在距底模板2mm位置；機械振動1min，成型試件.為使玻璃纖維網格布在抗彎測試時發(fā)揮最佳效果，選擇玻璃纖維網格布在試件底部鋪設.

(3)3D織物GRC試件成型：先將已切割成長250mm，寬50mm的3D織物放入成型模具中，再按表5所示配合比配制純水泥砂漿，攪拌均勻后倒入模具；振動1min，刮平表面，保持3D織物上下保護層厚度各1mm.

將成型好的試件連同模具在(20±2)℃、相對濕度95%以上的環(huán)境中養(yǎng)護24h，拆模并繼續(xù)養(yǎng)護至7d齡期，進行抗彎性能測試.

1.2.2抗彎性能測試

按照GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》，采用WD4100微機控制電子萬能試驗機對各試件進行四點彎曲測試.四點彎曲測試跨距210mm，支距70mm，加載速率3mm/min，并同時采集各試件的撓度變形數據.依據試驗所得抗彎荷載(P)-撓度(δ)曲線，按下式計算各試件的抗彎破壞強度(σMOR)、抗彎比例極限強度(σLOP).

(1)

(2)

式中：PMOR為最大荷載，kN；PLOP為比例極限荷載，kN；b為試件寬度，mm；h為試件厚度，mm；L為跨距，取210mm.

1.2.3韌性

在新媒體環(huán)境下，大學生可以突破教學模式與教學資源的限制，利用新媒體快速獲取自己所學的知識與信息，如馬克思主義理論、中國特色社會主義理論體系、社會主義核心價值觀等相關內容。此外，思想政治教育工作者還可以通過新媒體豐富大學生思想政治教育的表現(xiàn)形式，借助更多視頻資源、圖像資源、動畫資源等來激發(fā)學生的學習興趣，使學生擺脫傳統(tǒng)教育在空間和時間上的束縛。

韌性是指試件在破壞前吸收能量的能力，其值大小取決于材料的強度和變形能力[8].根據美國材料實驗協(xié)會ASTM C 1018提出的彈性變形能EN、塑性變形能PN和韌度指數TI表征方法，結合GRC材料特性，試驗采用2個加載點PLOP和PMOR的荷載- 撓度曲線與坐標軸所圍面積來計算每級荷載下試件所吸收的能量，分別表示試件的彈性變形能和彈塑性變形能，如圖1所示.圖1中：EN為零點到PLOP值對應荷載曲線下的oac面積；PN為PLOP值對應試驗力到PMOR值對應試驗力曲線下abdc的面積.韌度指數TI是材料的彈塑性變形能與彈性變形能之比，計算公式如下：

圖1 抗彎荷載-撓度曲線圖

TI=(EN+PN)/EN

(3)

2 結果與討論

2.1 抗彎荷載-撓度分析

不同維度GRC試件的抗彎荷載-撓度(P-δ)曲線圖見圖2.由圖2可見：純水泥砂漿試件A0發(fā)生了脆性斷裂，其抗彎荷載隨撓度的增加線性增大，荷載達到最大(350N)時發(fā)生瞬時斷裂且承受的抗彎撓度很小(0.3mm)；1D玻纖GRC試件A1和2D玻纖GRC試件A2的抗彎荷載-撓度曲線變化規(guī)律相似，抗彎響應分為彈性變形、塑性變形2個階段；3D織物GRC試件A3的抗彎響應分為彈性變形階段、彈塑性過渡階段(也稱多裂縫形成階段)、塑性變形階段，其變形破壞形式見圖3.分析不同維度GRC在各階段的抗彎荷載及撓度變化規(guī)律可知：

圖2 各試件抗彎荷載-撓度曲線

圖3 3D織物GRC試件在不同加載階段的變形破壞形式

(1)第Ⅰ階段(彈性變形階段)：純水泥砂漿試件、1D玻纖GRC試件、2D玻纖GRC試件、3D織物GRC試件的初裂撓度分別為0.30、0.32、0.35、0.36mm，對應的初裂抗彎荷載分別為350、350、354、358N，說明玻璃纖維對水泥基材料的初裂性能影響不大，脆性的水泥砂漿基體仍是影響試件初裂變形的主要因素.

(2)第Ⅱ階段(彈塑性過渡階段，也稱多裂縫形成階段)：抗彎荷載波動變化(302～409N)，撓度持續(xù)增加(由0.36mm增至2.48mm).作用力由水泥砂漿基體傳遞給玻璃纖維，在其內部相互傳遞并拉長纖維絲，然后又返遞給未開裂的水泥砂漿基體.玻璃纖維與水泥砂漿基體相互往復傳遞作用力，在宏觀上即表現(xiàn)為試件表面出現(xiàn)大量間距大致相等的微裂紋[2]，微裂紋之間仍由玻璃纖維連接.當裂紋間距縮小到不能使玻璃纖維與水泥砂漿基體相互傳遞作用力時，該階段達到終點.

(3)第Ⅲ階段(塑性變形階段)：此階段水泥砂漿基體完全喪失承載能力，由1D玻纖、2D玻纖、3D織物承擔全部承載作用，試件破壞時達到最大荷載，分別為530、674、1019N，最大撓度分別為4.5、5.5、10.0mm.此過程中1D玻纖被拉斷或拔出、2D玻纖和3D織物下面層纖維伸長直至拉斷(見圖4)，且塑性變形階段的斜率較小，這與1D玻纖、2D玻纖、3D織物在水泥基復合材料中的楊氏模量、纖維分布及其摻量有關.

圖4 3D織物GRC試件的底部破壞斷面

2.2 抗彎荷載-撓度擬合方程及性能分析

根據A0～A3這4組試件的抗彎荷載-撓度曲線及其破壞特性，采用Origin軟件中最優(yōu)模型選擇分段函數(Piecewise)進行擬合，擬合曲線如圖5所示；各試件抗彎荷載與撓度在各個變形階段的數學模型如式(4)～式(7)所示.各段擬合曲線的皮爾森相關系數均大于0.90，說明擬合曲線均與原曲線較為接近.

圖5 各試件抗彎荷載-撓度擬合曲線

P=0.0986+0.8384δ，δ≤0.30mm

(4)

試件A1：

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

(5)

試件A2：

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

(6)

試件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：不同維度GRC在抗彎荷載作用下，其彈性變形階段和塑性變形階段的荷載與撓度均有較好的線性關系；3D織物GRC在彈塑性過渡階段的荷載與撓度更接近正弦函數關系.以上方法可較好地表示出不同維度GRC在抗彎荷載作用下荷載與撓度之間的數學模型，式中各常數項與玻璃纖維摻量、試件尺寸等因素有關.

根據圖2中各試件的抗彎荷載-撓度曲線，按照GB/T 15231—2008規(guī)定方法計算各試件抗彎比例極限強度σLOP和抗彎破壞強度σMOR；以圖5抗彎荷載-撓度擬合曲線與坐標軸所圍面積分別計算各試件的彈性變形能EN和塑性變形能PN，并由此計算其彈塑性變形能(EN+PN)和韌度指數TI，結果見表6.

由表6可知：1D玻纖GRC、2D玻纖GRC、3D織物GRC試件的彈性變形能分別為71、79、81N·mm，抗彎比例極限強度分別為8.60、8.70、8.80MPa，與純水泥砂漿試件相比沒有明顯增加，說明3種維度玻璃纖維對水泥基材料的抗初裂能力影響不大.

表6 各試件的抗彎強度和韌性

純水泥砂漿試件的塑性變形能為0、韌度指數為1.0；1D玻纖GRC、2D玻纖GRC、3D織物GRC試件的塑性變形能分別為1833、2657、5883N·mm，韌度指數分別為26.7、34.3、73.6，說明3種維度玻璃纖維能夠大幅度提高水泥基材料的塑性變形能力，且材料的韌性逐漸增強.3種維度GRC試件的抗彎破壞強度分別為13.10、16.47、25.21MPa，比純水泥砂漿試件分別提高53%、92%、193%，說明3種維度玻璃纖維對水泥基材料的抗彎破壞強度影響顯著，且3D織物的增強效果最佳.在此過程中，1D玻纖受到摻量限制且與水泥黏結的強度較低，纖維易被拔出；2D玻纖僅有徑向纖維起到增強作用，受彎時易被拉斷，緯向纖維沒能發(fā)揮作用；3D織物一方面因其特別的空間構造，在試件中纖維摻量明顯增加，另一方面則由經紗、緯紗和芯柱相互交織成網絡結構，該結構具有一定的拉伸強度(經向2429N，緯向2271N，均以50mm計)、剪切強度(經向2.3MPa，緯向1.3MPa).在彎曲荷載作用下，3D織物上、下面層不但可以承受拉伸應力，而且上、下面層可以通過芯柱相互傳遞所受荷載(傳遞路徑長)而不發(fā)生破壞，只有增大剪切應力，使3D織物的部分纖維芯柱發(fā)生傾斜而逐漸錯位時，芯柱和上、下底面層相接處才會發(fā)生破壞.所以在彎曲荷載作用下，3D織物GRC試件要比1D玻纖GRC試件、2D玻纖GRC試件抗彎強度和韌性的增強效果更好.

3 結論

(1)一維、二維GRC的抗彎破壞過程主要包含彈性變形階段、塑性變形階段；3D織物GRC的抗彎破壞過程又新增彈塑性過渡階段.GRC在彈性變形階段的力學性能主要由水泥基材性能決定，彈塑性過渡階段的力學性能由水泥基材和玻璃纖維共同決定，塑性變形階段的力學性能主要由玻璃纖維決定.

(2)在抗彎荷載作用下，不同維度GRC在彈性變形階段和塑性變形階段的荷載與撓度均有較好的線性關系；3D織物GRC在彈塑性過渡階段的荷載與撓度呈正弦函數關系.

(3)一維短切玻璃纖維、二維玻璃纖維網格布、3D織物這3種類型玻璃纖維均能使水泥基材料的強度和韌性有大幅度提高，尤其是在塑性變形階段表現(xiàn)明顯，具體表現(xiàn)在其抗彎破壞強度比純水泥砂漿分別提高53%、92%、193%，韌度指數分別達26.7、34.3、73.6；其中3D織物的增強效果最佳.原因一方面是3D織物的纖維有效摻量較高，另一方面是由經紗、緯紗和芯柱相互交織成了具有很高拉伸強度和剪切強度的三維網絡結構.