玻璃纤维增强水泥制品GRC及工艺

玻璃纤维增强水泥制品（GRC）及工艺

玻璃纤维增强水泥（Glass fiber Reinforced Cement，缩写为GRC）是以玻璃纤维为增强材料，以水泥净浆或水泥砂浆为基体而形成的一种复合材料。从1824年波特兰水泥问世以来，经历多次大的发展，以扩大用途与提高力学性能为主线:波特兰水泥→砂浆、混凝土→钢筋混凝土门（1850）→石棉水泥门（1900）→预应力混凝土（1929）→外加剂混凝土（1935）→聚合物水泥混凝土（20世纪50年代）→高强混凝土（20世纪70年代）→高性能混凝土（20世纪90年代）。纤维增强水泥基材料自石棉水泥到20世纪50年代的GRC（玻璃纤维水泥）、60年代的钢纤维水泥（SFRC)、80年代的碳纤维水泥（CFRC), 以至后来的纤维增强聚合物水泥，力学性能大幅度提高，用途随之扩大。

1.玻璃纤维增强水泥制品的特性

水泥的主要性质为其成本，适应性及压缩强度高。主要缺点为低的抗拉强度及脆性。因此如上所述，加入玻璃纤维可以改善水泥基材料的上述缺点。以玻璃纤维增强水泥的优点在于其制品远比钢筋增强水泥薄（典型的10cm以上），并具有较轻的组件能力。而钢筋混凝土必须有25mm或以上的保护层。玻璃纤维增强水泥在许多方面与普通钢筋混凝土相似，如耐候性、不燃烧、易维修、低热流动及耐腐蚀等。并且有若干胜过混凝土的优点，如具有高强度重量比，因此能用较薄截面；具有早期高抗冲击性能；易于成型至各种形状；易于与其他材料形成隔热半结构高强度组件；能用简单工具造型及切割；有广幅光滑表面可供使用。主要缺点是尚未允许用于承重结构。它能用于半结构性场合，如各种隔墙（帷幕墙），可与金属墙材及塑料墙材竞争。

1.1物理性能

密度 GRC材料的密度不受龄期的影响。一块1㎡、6cm厚的扁平板重约12kg，GRC 的重量轻于正常预制的混凝土板的20％。

收缩性及水分移动与所有水泥基材料相同，GRC的体积变化分两种方式：初步硬化时的不可逆收缩，为C／W的函数，而长期水分转移，是由温度正常变化所引起的。玻璃纤维增强对GRC的收缩量无影响，但基质中加人硅砂，作为硬度的补充物，以减少该两种收缩。砂／水泥越大，收缩量越小，而加人25％的砂于基质内，理论的极限收缩量可能为1.5cm/m。实用的GRC帷幕板在英国的天气状况下，水分移动只有此极限值的一半，但此值略大于普通混凝土的水分移动的2倍。若平板有保护膜，由于它限制GRC表层内水分的移动，收缩较小。

渗透性及凝结GRC可以阻止水的渗透，但有较低的蒸汽渗透性。因此，在正常使用状况下，不需要蒸汽隔断物。不过，在某些特殊情况下，诸如冷藏板，应该考虑可能层间凝结及在建筑中适当地方加装一种蒸汽阻绝物。

湿度及热流动与其他水泥基材料相同，GRC的热膨胀甚低，在温差为70℃时每m小于lmm。在英国，冷热状况变化很大，热膨胀及收缩可以相互抵消，因而可以减少整个尺寸的改变。在中东地区，炎热而干躁气候对GRC长期性能，与温带气候比较，影响很小，该材料可抵抗长时间零下温度及冻融状况的复杂循环。

耐化学性 GRC对化学腐蚀的抵抗力与混凝土相同，但比大多数混凝土或砂浆的孔隙率低，所以，GRC的抗化学腐蚀性能稍好。但对酸类及硫酸盐类抗腐蚀较差，要用特种水泥代替普通硅酸盐水泥作为GRC的基质材料。

防火性GRC完全不燃烧，在建筑物内部分散火势。有优良的不燃性和阻止火焰传播的性能，着火性的分类为一不易着火。

1.2耐久性

与许多材料，尤其是含补强物质的材料不同，GRC的机械性能随某些控制因数的改变而变，如：（1）玻璃纤维的长度，含量及定向；（2）基体材料/水泥/水及空气的比率；（3）产品的工艺方法一喷布法或预混法；（4）硬化时间及硬化状况；（5）龄期；（6）使用条件。上述六项的组合可以确定某一材料性能基准的范围。但是混合、制造方法及硬化是构件设计及规格的函数，龄期也对GRC的性能有根本的影响。1968－1969年耐碱玻璃纤维增强水泥制品发展时，大量的试验用来验证GRC的长期性能。由5年实验计划得出的主要结论为材料的抗拉性能降低及有些脆化，尤其是暴露于永久潮湿或温带天气之处的GRC最严重。在高温高湿的地方，如热带地区，脆化非常显著。

1.3机械性能

了解GRC在荷载下如何变形，应力／应变之间的关系是很重要的，因为在水泥基材料中的耐碱玻璃纤维与一般玻璃纤维在强化塑料复合材料中的作用机理不同。对于塑料材料，因玻璃纤维比塑料基质的硬度高很多，所以，当一荷载作用于该复合材料时，玻璃纤维补强物承受大部分荷载。对于GRC，玻璃纤维只是在边际比水泥基质较硬，而当一荷载作用于GRC复合物时会产生三种不同现象：（1）水泥基质与玻璃纤维一起作用，虽然部分荷载有水泥承受；（2）水泥基质表现为微小开裂，突然转移负荷致玻璃纤维上，而基质要结合纤维，以获得荷载连续性；（3）荷载完全由玻璃纤维承受，出现显微式开裂直至失效。纤维伸长而不脱离水泥基质，这一特点赋予GRC相当大的延性。因玻璃纤维补强物在GRC内的性质与传统钢筋混凝土相似，在荷载转移至纤维时，类似于钢筋混凝土中的荷载转移至钢筋，水泥基质产生同样的显微式开裂。