洪斯磊 杨国明

（1 广州大学土木工程学院；2 广州番禺桥兴建设安装工程有限公司）

0 引言

玻璃纤维增强水泥（Glass fiber Reinforced Cement，GRC）是一种高性能水泥基复合材料，它是以水泥砂浆或净浆为基体，将高弹性模量的玻璃纤维掺入其中而成。它具有轻质、高强、不变形、耐冲击、防潮、防腐、抗碱、防火、可塑性好等优点获得了国内外材料界的公认，在建筑工程、市政工程、水利工程和园林工程等诸多领域中应用[1-2]。Patterson 探索采用断裂能对玻璃纤维增强水泥（GRC）的断裂韧性进行评价，并以准静态裂纹扩展为基础，计算了材料的韧性[3]。Robert Le Roy 研究高强水泥基质和EPS 颗粒拌制的混凝土力学性能，总结了混凝土强度与EPS 颗粒大小及含量关系模型[4]。马少春等[5]研究认为耐碱玻璃纤维陶粒纤维混凝土的抗压强度随着陶粒的取代率的增加而降低。本文主要研究在GRC 中加入陶粒和EPS 对GRC 抗弯强度和断裂能的影响。

1 材料和方法

1.1 实验材料

实验用耐碱玻璃纤维为湖北汇尔杰新材料科技股份公司市售高锆玻璃纤维，长度12mm，单股线密度98tex；低碱度硫铝酸盐水泥为湖南省冷水滩特种水泥厂产品，强度42.5；河砂经2.36mm 方孔过筛，市售。本实验采用EPS、陶粒基本参数如表1。

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。将水泥、砂、水按照配合比加入搅拌机中搅拌1min，然后分别加入玻璃纤维和EPS、事先预湿1h的陶粒颗粒搅拌2min，浇筑入试模制成10mm 厚大板。将大板置于25±2℃水中养护7 d，再切割成6 块规格为250mm×50mm 的试件，置于通风良好的室内风干3d，对试样进行四点弯曲试验。计算抗弯强度和断裂能时，以6 块试件的平均值作为代表值。

表1 EPS、陶粒基本参数

图1 EPS

图2 陶粒

1.3 配合比设计

陶粒和EPS 颗粒都采用内掺法加入，不改变玻璃纤维增强水泥砂浆配合比，加入EPS、陶粒颗粒的同时，相应减少等体积的砂浆。在每立方的砂浆拌合物中加入0.2m3的EPS、陶粒。考虑到陶粒和EPS 之间的孔隙率为45%、38%，相应的每立方米拌合物中玻璃纤维增强水泥砂浆减少9.0%、7.6%。

实验用GRC 拌合物的水胶比为0.40，砂胶比为1.00。玻璃纤维掺量分别为0.8%、1.6%、2.4%和3.2%，并设计了无玻璃纤维掺量的同配比基准砂浆。玻璃纤维掺量以纤维占固体（水泥、砂和玻璃纤维）总质量百分比计。为减少玻璃纤维对拌合物流动性的不利影响，在加入玻璃纤维的同时减少等质量的砂。

表2 EPS、陶粒GRC 配合比

2 陶粒和EPS 对GRC 抗弯强度的影响

图3 是含EPS、陶粒GRC 的抗弯强度和玻璃纤维掺量的关系图。从图中可以看出，少量的玻璃纤维对GRC的抗弯强度的提高并不明显，但总的来说，含EPS 和陶粒的轻质GRC 与基准GRC 的抗弯强度都随着玻璃纤维掺量的增加而增加。当玻璃纤维掺量从0%增加到3.2%时，基准GRC 的抗弯强度从7.25MPa 增加到9.06MPa，增幅为25.0%；含EPS 轻质GRC 的抗弯强度从6.1MPa增加到7.6MPa，增幅为24.6%；含陶粒的轻质GRC 抗弯强度从7.02MPa 到7.78MPa，增幅为10.8%。同时可以看出，不论玻璃纤维的掺量是多少，含陶粒的轻质GRC 的抗弯强度都高于含EPS 的轻质GRC，但低于基准GRC 的抗弯强度。由于EPS 和陶粒的掺入相对于GRC 试件来说是在其内部引入“孔”，因为这些“孔”的存在使得GRC的内部不够致密，所以导致含陶粒和EPS 轻质GRC 的抗弯强度低于基准GRC 的抗弯强度。但同时由于陶粒本身具有一定的强度，所以相比较而言，含陶粒的轻质GRC的抗弯强度要高于含EPS 的轻质GRC。

3 陶粒和EPS 对GRC 的断裂能的影响

图3 不同GRC 抗弯强度和玻璃纤维掺量关系

图4 不同GRC 断裂能与玻璃纤维掺量关系

图4 是EPS、陶粒轻质GRC 和基准GRC 抗弯强度与玻璃纤维掺量关系图。从图中可以看出，三种配比的GRC 的断裂能都随着玻璃纤维掺量的增加而增加。当玻璃纤维的掺量不超过2.4%，含陶粒的轻质GRC 的断裂能都高于含EPS 的轻质GRC，当玻璃纤维的掺量从2.4%增加到3.2%时，含EPS 轻质GRC 断裂能从255.1MPa 增加到327.1MPa，增幅为28.2%；含陶粒轻质GRC 的断裂能从275.5MPa 增加到281.9MPa，增幅为2.3%，含EPS轻质GRC 的断裂能高于含陶粒轻质GRC。陶粒和EPS 的存在使得GRC 试件一旦出现裂缝之后，裂缝就容易随着EPS、陶粒与水泥砂浆的界面扩展。EPS 相对于陶粒而言，弹性模量低，变形量大，所以玻璃纤维掺量达到3.2%时，含EPS 轻质GRC 的断裂能要高于含陶粒的轻质GRC。

4 结论

本文研究了陶粒和EPS 的掺入对GRC 抗弯性能的影响，得出以下结论：

⑴含陶粒和EPS 轻质GRC 的抗弯强度和基准GRC的抗弯强度都随着玻璃纤维的增加而增加，但含陶粒轻质GRC 的抗弯强度高于含EPS 轻质GRC，低于基准GRC。

⑵含陶粒、EPS 轻质GRC 的断裂能同基准GRC 规律相似，随着玻璃纤维的增加而增加。当玻璃纤维掺量不超过2.4%时，含陶粒轻质GRC 的断裂能高于含EPS 轻质GRC，当玻璃纤维从2.4%增加到3.2%时，含EPS 轻质GRC 断裂能从255.1MPa 增加到327.1MPa，增幅为28.2%；含陶粒轻质GRC 的断裂能从275.5MPa 增加到281.9MPa，增幅为2.3%，含EPS 轻质GRC 的断裂能高于含陶粒轻质GRC。