玻璃纖維對(duì)再生骨料板力學(xué)性能的作用

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摘要：本工作選用165g、135g和100g三種不同克重的纖維網(wǎng)格鋪設(shè)制成再生細(xì)骨料纖維增強(qiáng)板，纖維鋪設(shè)層數(shù)選用2層和4層，研究纖維種類、鋪設(shè)方式對(duì)再生細(xì)骨料板材的抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能的影響規(guī)律。研究表明，纖維網(wǎng)格布有助于提升板材的抗折強(qiáng)度，增加纖維網(wǎng)格布的鋪設(shè)層數(shù)可以顯著提高纖維增強(qiáng)再生細(xì)骨料板材的抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能。纖維增強(qiáng)板材的抗沖擊性能并不隨著纖維克重的增加而線性增加。本試驗(yàn)中XW2板材抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能良好。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；抗折強(qiáng)度；抗沖擊；自流平砂漿

引言

裝配式建筑是現(xiàn)階段建筑發(fā)展的主要趨勢(shì)，而預(yù)制墻板是裝配式建筑必不可少的組成部分。玻璃纖維增強(qiáng)水泥(Glassfiberreinforcedcement，簡(jiǎn)稱GRC)墻板，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗沖擊、防火、耐水、易于加工成型及裝飾效果好等優(yōu)點(diǎn)。采用GRC板外墻保溫系統(tǒng)具有自重輕、厚度薄、施工方便、節(jié)能效果顯著、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，其可用于高層建筑，多層建筑以及舊房屋節(jié)能改造［1］。賈東禮［2］通過(guò)理論計(jì)算推出公式，對(duì)GRC板的制作工藝和施工進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將轉(zhuǎn)角處薄弱部分的內(nèi)側(cè)板變?yōu)閷?shí)心板并用膨脹塑料釘加固，一定程度上改善了GRC墻板的抗震性能，增強(qiáng)了板的抗裂能力。王宗志［3］將高性能的無(wú)機(jī)非金屬材料GF纖維和半透明集束狀的纖維PPF材料加入混凝土中進(jìn)行改性增強(qiáng)效果分析，認(rèn)為單摻GF能夠較好提升混凝土的抗折性能，摻入纖維在一定程度上會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，但總體影響趨勢(shì)不大。鄧宗才［4］設(shè)置一種動(dòng)能沖量對(duì)纖維混凝土進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，認(rèn)為粗聚丙烯纖維和玻璃纖維能有效增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性能。經(jīng)過(guò)多次沖擊試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，粗聚丙烯纖維的帶縫工作能力優(yōu)于玻璃纖維。已有研究對(duì)整體板性能的關(guān)注較少，而玻璃纖維的增強(qiáng)效果不僅僅局限于抗折和抗壓強(qiáng)度，還體現(xiàn)在增加韌性上。本工作選擇建筑垃圾再生細(xì)骨料及自流平砂漿作為GRC墻板的基礎(chǔ)材料，研究玻璃纖維增強(qiáng)自流平砂漿墻板抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能，進(jìn)而分析玻璃纖維對(duì)再生細(xì)骨料砂漿墻板的作用效果。

1實(shí)驗(yàn)

1．1原材料

試驗(yàn)采用42．5快硬硫鋁酸鹽水泥，Ⅱ級(jí)粉煤灰，活性指數(shù)為115的硅灰，再生細(xì)骨料，表觀密度為0．5g/cm3的松木鋸末，耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布(克重分別為130g、125g和100g)，憎水劑，聚羧酸減水劑等。

1．2配合比設(shè)計(jì)

表1為根據(jù)前期大量試驗(yàn)確定的自流平砂漿配比，其中再生細(xì)骨料采用三種級(jí)配，即由4．75～1．18mm大顆粒、1．18～0．3mm中顆粒以及0．3mm以下的小顆粒按照一定的比例組合而成。表2為玻璃纖維增強(qiáng)板材中纖維的布置設(shè)計(jì)。

1．3試驗(yàn)方法

1．3．1板的制作方法首先將水泥、木屑、礦物摻合料等粉料混合均勻，再將水、減水劑、憎水劑等液相混合均勻。在砂漿攪拌機(jī)中先加入液相再加入粉料，攪拌15s后加入再生細(xì)骨料，繼續(xù)攪拌4min制得自流平砂漿，將砂漿裝入自主設(shè)計(jì)的300mm!120mm!12mm矩形模具中，見(jiàn)圖1。用不同深度的刮板刮平，分別鋪設(shè)不同克重的二層或四層耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布，網(wǎng)格布等分鋪設(shè)在板的內(nèi)部，再填入砂漿刮平，重復(fù)以上步驟直至裝滿模具，24h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d、7d后測(cè)試板材的抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能。

1．3．2抗折強(qiáng)度測(cè)定方法抗折試驗(yàn)選用四點(diǎn)加載的方式，板材抗折受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。支座距離為L(zhǎng)，板材寬度為b，厚度為h，壓頭所提供的總力為F，每個(gè)壓頭的分力為F/2。根據(jù)公式(1)可計(jì)算抗折強(qiáng)度:mm，b=120mm，h=12mm。抗折試驗(yàn)夾具如圖3所示。

1．3．3沖擊性能試驗(yàn)方法圖4a為沖擊試驗(yàn)機(jī)。預(yù)先進(jìn)行試驗(yàn)確定合適的落錘和適宜的落錘高度。為了保證落錘下落中不翻滾，對(duì)沖擊面的沖擊較為穩(wěn)定，錘身選用圓柱形，錘頭為圓錐，如圖4b所示。落錘質(zhì)量為5kg，直徑為30mm，下落高度為20cm。下落方式為自由落體，每次落錘下落的高度保持一致。記錄板試樣被破壞時(shí)的沖擊次數(shù)，并且記錄每次沖擊后板試樣的沖擊破壞面直徑(mm)。當(dāng)落錘沖擊作用所形成的圓形凹痕直徑超過(guò)30mm(即落錘錘頭直徑)時(shí)停止沖擊。

2結(jié)果分析

2．1折彎對(duì)板材性能的影響規(guī)律

按照表1的配合比、表2所示的纖維種類制成玻璃纖維再生細(xì)骨料砂漿板材，測(cè)定標(biāo)養(yǎng)3d和7d的抗折強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。從圖5和圖6中可以看出，纖維的層數(shù)對(duì)板的抗折強(qiáng)度有顯著影響，隨著纖維層數(shù)的增多，抗折強(qiáng)度有明顯提高。此外，由于采用的水泥為快硬硫鋁酸鹽，因此3d和7d兩個(gè)齡期的強(qiáng)度差異非常小。當(dāng)鋪設(shè)2層纖維網(wǎng)格布的纖維克重為165時(shí)，板材的3d和7d抗折強(qiáng)度較高。而當(dāng)鋪設(shè)4層纖維網(wǎng)格布的纖維克重為135時(shí)，板材3d和7d抗折強(qiáng)度均最高，如其3d抗折強(qiáng)度達(dá)到了16．3MPa，相比另外兩組提高了約25%。綜上所述，對(duì)應(yīng)于本試驗(yàn)所選定的砂漿配比，應(yīng)優(yōu)先選擇XW2纖維制作板材。

2．2沖擊對(duì)板材性能的影響規(guī)律

板材標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d和7d時(shí)，測(cè)定每一次受沖擊面的直徑及沖擊破壞時(shí)的次數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖7～圖10。由圖7和圖8可知，鋪設(shè)2層纖維網(wǎng)格布的板材被破壞時(shí)，XW3纖維網(wǎng)格布板材的破壞面積最大;而XW2纖維網(wǎng)格布板材的破壞面積較小，且可以承受的沖擊次數(shù)最多，達(dá)到5次。在初始沖擊時(shí)，XW1纖維網(wǎng)格布板材出現(xiàn)較大的破壞面積，但隨著沖擊次數(shù)的增加，破壞面積增加速率逐漸減緩。觀察圖9和圖10可見(jiàn)，鋪設(shè)4層纖維網(wǎng)格布的板材被破壞時(shí)，XW3纖維網(wǎng)格布板材破壞面積最大;XW2纖維網(wǎng)格布板材可以承受的沖擊次數(shù)最多，3d齡期時(shí)為6次，7d齡期時(shí)達(dá)到7次，承受的沖擊次數(shù)超過(guò)了2層纖維網(wǎng)格布板材;XW1纖維網(wǎng)格布板材破壞時(shí)沖擊面直徑最小。綜上所述，采用XW2纖維制作的板材承受的沖擊次數(shù)最多，采用XW1纖維制作板材沖擊破壞面積最小，也能承受較多的沖擊次數(shù)。2．

3討論

板材的抗折強(qiáng)度及抗沖擊性能取決于纖維網(wǎng)格布的強(qiáng)度、砂漿的強(qiáng)度及砂漿與纖維的粘結(jié)強(qiáng)度等。采用相同砂漿時(shí)，板材的性能主要由纖維的強(qiáng)度和纖維與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度決定。通常纖維的克重越大，其抗拉強(qiáng)度越高。當(dāng)鋪設(shè)2層纖維網(wǎng)格布時(shí)，觀察板材的破壞形式(見(jiàn)圖11)發(fā)現(xiàn)，破壞主要表現(xiàn)為纖維斷裂，板材的抗折強(qiáng)度主要由纖維抗拉強(qiáng)度保障。因此XW1纖維增強(qiáng)板材的抗折強(qiáng)度較高。當(dāng)鋪設(shè)4層纖維網(wǎng)格布時(shí)，XW2纖維使板材的抗折強(qiáng)度最高，觀察板材破壞形式(見(jiàn)圖12)發(fā)現(xiàn)，主要為拉斷纖維，可以認(rèn)為135克重纖維網(wǎng)格布鋪設(shè)4層時(shí)能夠顯著增強(qiáng)板材的抗折強(qiáng)度，其且與砂漿間的粘結(jié)作用強(qiáng)，可協(xié)同抵抗板受到彎曲的荷載，使纖維的抗拉性能得到很好發(fā)揮。觀察發(fā)現(xiàn)，XW1纖維板材整體破壞形態(tài)表現(xiàn)為纖維拔出，砂漿層斷裂。雖然XW1纖維網(wǎng)格布的抗拉能力更好，但是由于砂漿強(qiáng)度較低，兩者的協(xié)同作用較差，砂漿層先于纖維破壞，反而使板材的抗折強(qiáng)度較低。而XW3纖維自身抗拉伸能力較差，導(dǎo)致板材的抗折強(qiáng)度較低?？傊?，當(dāng)砂漿強(qiáng)度和纖維抗拉強(qiáng)度相匹配時(shí)，才能夠很好發(fā)揮各自的作用，使板材的抗折強(qiáng)度達(dá)到最高。同理，板材的抗沖擊能力除了和纖維的強(qiáng)度有關(guān)外，更主要的是取決于砂漿強(qiáng)度與纖維強(qiáng)度的合理搭配。XW2纖維和砂漿的匹配度較高，板材的抗沖擊能力強(qiáng);XW1纖維強(qiáng)度高，板材抗沖擊能力也較好，破壞面積小。較小克重的纖維板抗沖擊能力不佳。

3結(jié)論

(1)增加纖維網(wǎng)格布鋪設(shè)層數(shù)可以顯著提高纖維增強(qiáng)板材的抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能。(2)纖維增強(qiáng)板材的抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能主要取決于纖維與砂漿的合理匹配，也與纖維自身抗拉性能有關(guān)。(3)本試驗(yàn)所選定的砂漿配比，應(yīng)優(yōu)先選擇XW2纖維制作板材。

參考文獻(xiàn)

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4鄧宗才，董智福．天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2018，51(12)，1278．

作者：周文娟 侯云芬 鄭東昊 單位：北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院