GRC物理力學(xué)性能很大程度上取決于混合料組分、玻璃纖維含量、玻璃纖維長(zhǎng)度及其在復(fù)合材料中的取向、聚合物含量以及在制造過(guò)程中相關(guān)操作水平的總體質(zhì)量。
未老化GRC是相對(duì)強(qiáng)韌、具有假延展性的材料,必須預(yù)測(cè)GRC暴露在室外環(huán)境條件(自然老化)下其強(qiáng)度和應(yīng)變能力所表現(xiàn)的逐漸降低和永久性降低。GRC發(fā)生自然老化的速率與其所處環(huán)境有關(guān),許多情況下,當(dāng)GRC產(chǎn)品暴露在室外環(huán)境下時(shí),將會(huì)在產(chǎn)品的期望壽命內(nèi)達(dá)到完全老化。因此必須對(duì)GRC產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)以保證在使用條件下所產(chǎn)生的應(yīng)力低于完全老化后材料的強(qiáng)度極限和應(yīng)變極限。
1.影響物理力學(xué)性能的因素
混合料組分的變化可導(dǎo)致復(fù)合材料物理力學(xué)性能的變化,工業(yè)化生產(chǎn)中采用的灰砂比為1:1~3:1,砂子的級(jí)配是不固定的,水泥的性能也會(huì)有所變化。因此復(fù)合材料的配比、組分和物理力學(xué)性能也會(huì)隨之變化,應(yīng)該了解由于配料組分的變化和改變而引發(fā)的GRC物理力學(xué)性能的潛在變化。
纖維含量、長(zhǎng)度和取向主要影響抗拉極限強(qiáng)度和抗彎極限強(qiáng)度。玻璃纖維質(zhì)量含量5%為GRC配合比的最佳含量,過(guò)低的纖維含量會(huì)導(dǎo)致較低的極限強(qiáng)度,過(guò)高的纖維含量會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的密實(shí)和粘結(jié)問(wèn)題。在GRC生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)袋式試驗(yàn)、桶式試驗(yàn)和洗出試驗(yàn)控制玻璃纖維的含量。
纖維長(zhǎng)度也影響復(fù)合材料的極限強(qiáng)度、密實(shí)與粘結(jié),對(duì)于噴射GRC,最佳纖維長(zhǎng)度為25㎜~50㎜。纖維長(zhǎng)度較短時(shí)盡管容易噴射,但是不能發(fā)揮最大的增強(qiáng)效果。纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)可能引發(fā)纖維與料漿沉積以及在輥壓過(guò)程中的密實(shí)和粘結(jié)問(wèn)題。
增強(qiáng)纖維的取向也影響復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。期望噴射GRC復(fù)合材料中的纖維為二維隨機(jī)取向,但是如果噴射操作不規(guī)范,纖維會(huì)平行于一個(gè)方向排列,結(jié)果導(dǎo)致沿不同方向取樣試驗(yàn)時(shí)復(fù)合材料性能的巨大差異。
必須對(duì)GRC進(jìn)行密實(shí)和粘結(jié)以保證足夠的纖維嵌入和復(fù)合材料密度以及需要的設(shè)計(jì)厚度。復(fù)合材料密度和粘結(jié)度不夠?qū)?duì)強(qiáng)度性能產(chǎn)生不利影響,可引起材料強(qiáng)度隨溫度和濕度而變化,對(duì)GRC面板的滲透性也有負(fù)面影響,抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨著密度而變化,不良粘結(jié)在凍融循環(huán)時(shí)也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的損壞。
通過(guò)設(shè)計(jì)確定GRC厚度,由于GRC厚度相對(duì)較薄,即使微小的厚度變化也會(huì)對(duì)其應(yīng)力有顯著影響,因此GRC厚度應(yīng)該控制在規(guī)定的厚度偏差之內(nèi)。為了滿足規(guī)定的厚度偏差,在生產(chǎn)過(guò)程中,GRC層的目標(biāo)厚度常常高于設(shè)計(jì)厚度的3.2㎜。
適宜的養(yǎng)護(hù)制度有利于水泥的充分水化,為達(dá)到期望的纖維與基材的粘結(jié)性能,適宜的養(yǎng)護(hù)是非常必要的。
需要進(jìn)行質(zhì)量控制和質(zhì)量保證管理以獲得具有良好物理力學(xué)性能的GRC材料。
2.物理力學(xué)性能
2.1 抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度
用于確定極限設(shè)計(jì)應(yīng)力的GRC性能是未老化GRC的抗彎屈服強(qiáng)度和抗彎極限強(qiáng)度。
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圖1為未老化GRC材料的代表性應(yīng)力—應(yīng)變性狀,抗拉屈服強(qiáng)度(ETY)和抗彎屈服強(qiáng)度(EFY)主要受基材組分、密度、聚合物含量和養(yǎng)護(hù)制度的影響??估瓨O限強(qiáng)度(ETU)和抗彎極限強(qiáng)度(EFU)主要受玻璃纖維含量、纖維長(zhǎng)度和取向、聚合物含量和復(fù)合材料密度的影響。圖1表明隨著齡期延長(zhǎng), GRC復(fù)合材料的強(qiáng)度和應(yīng)變發(fā)生損失直到破壞,此時(shí)彈性模量提高。在完全老化條件下,極限強(qiáng)度(ATO或AFU)至少應(yīng)等于屈服強(qiáng)度(ATY或AFY),另外,極限強(qiáng)度應(yīng)等于或大于未老化時(shí)的屈服強(qiáng)度。
2.2 彈性模量
用彎曲應(yīng)力—應(yīng)變曲線確定作為設(shè)計(jì)目的的彈性模量值,彎曲彈性模量值隨著基材組分、密度、聚合物含量和養(yǎng)護(hù)制度的改變而改變,因此必須通過(guò)試驗(yàn)確定在設(shè)計(jì)中采用的適宜彈性模量值。
2.3 抗壓強(qiáng)度
抗壓強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上與基材有關(guān),由于玻璃纖維的層分布影響到基材的連續(xù)性,面內(nèi)(扁立)抗壓強(qiáng)度稍微低于面外(平放)抗壓強(qiáng)度,面外抗壓強(qiáng)度不受纖維存在的影響,用立方體試驗(yàn)和用圓柱體試驗(yàn)得到的抗壓強(qiáng)度大約相同。
圖2為不同方向抗壓強(qiáng)度和不同方式剪切強(qiáng)度的圖形解釋。
圖2. 不同方向的抗壓強(qiáng)度和不同方式的剪切強(qiáng)度
Fiber Lying in Plane Sheet
?。ɡw維分布在板平面內(nèi))
In-plane Shear(面內(nèi)剪切)
In-plane Compression(面內(nèi)壓縮)
Interlaminar Shear(層間剪切)
Cross-plane Compression(面外壓縮)
2.4 抗沖擊性
GRC的抗沖擊性很大程度上受增強(qiáng)纖維的影響,例如纖維長(zhǎng)度從25㎜增加到50㎜或使用改性浸潤(rùn)劑的耐堿玻璃纖維,抗沖擊強(qiáng)度提高。與未增強(qiáng)水泥基材料或石棉水泥相比, GRC有較高的抗沖擊強(qiáng)度??箾_擊性與拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積有關(guān),由于這些曲線隨時(shí)間而改變,抗沖擊性隨之降低。
2.5 抗剪切強(qiáng)度
用噴射工藝制造的板,在板平面中纖維隨機(jī)分布,因此剪切值(圖2)隨荷載施加的方式而變化,具體如下:
層間剪切:剪切強(qiáng)度值實(shí)質(zhì)上是基材的剪切強(qiáng)度值,這種剪切應(yīng)力發(fā)生在單層板的受彎狀態(tài)。
面內(nèi)剪切:對(duì)一定配方的GRC,在經(jīng)受各種老化處理之后,其面內(nèi)剪切強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度是相同的。因此可將面內(nèi)剪切強(qiáng)度用作抗拉強(qiáng)度,板邊緣的螺栓連接會(huì)生產(chǎn)面內(nèi)剪切應(yīng)力。[Page]
2.6 收縮與其它由水分變化引發(fā)的變形
像所有混凝土一樣,GRC經(jīng)受干燥收縮并且在吸潮時(shí)部分恢復(fù),水分引發(fā)的變形取決于水灰比、灰砂比、聚合物含量、養(yǎng)護(hù)制度、密度及復(fù)合材料齡期等因素。
圖3表明水分對(duì)GRC的影響,在初期干燥階段發(fā)生的不可恢復(fù)的干燥收縮很大程度上取決于灰砂比和水灰比,隨后的水分含量變化引起可恢復(fù)的尺寸(或體積)變化,體積變化很大程度上受灰砂比的支配,隨著齡期延續(xù)體積變化率有所降低。
摻入標(biāo)準(zhǔn)顆粒級(jí)配的砂子可降低收縮量,但是與多數(shù)混凝土產(chǎn)品相比,由于水泥含量較大,GRC的收縮仍然較大。圖4表明砂子含量與收縮之間的關(guān)系, 經(jīng)驗(yàn)表明灰砂比低到1:1時(shí)仍然能夠適應(yīng)這種關(guān)系,復(fù)合材料強(qiáng)度沒有明顯降低。在GRC基材中較大比例的砂子可能導(dǎo)致強(qiáng)度和其它其力學(xué)性能的降低。
約束收縮將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力并導(dǎo)致開裂,特別是在受到形狀、變截面厚度、埋入材料或有外部約束的構(gòu)件中。足夠的纖維含量和纖維隨機(jī)取向可控制未老化板材的收縮開裂。盡管纖維加入到水泥基材中不能從本質(zhì)上降低它的干燥收縮,但它的確提高了強(qiáng)度并降低了收縮開裂在GRC中傳播的危險(xiǎn)性。就像強(qiáng)度一樣,隨著暴露于室外環(huán)境(自然老化)下時(shí)間的延續(xù),應(yīng)變能力和抑制收縮開裂傳播的能力逐步降低。
圖3. 尺寸穩(wěn)定性: 水分引發(fā)的GRC變形
Dimensional Change(尺寸變化)
Water storage(水中保存)
Expansion in water(在水中膨脹)
Irreversible shrinkage(不可逆收縮)
Initial dry shrinkage(初期干燥收縮)
Reversible(可逆收縮)
Moisture-induced Movement(水分引發(fā)的變形)
Wet(潮濕) Dry(干燥)
圖4. 灰砂比對(duì)收縮的影響[Page]
尺寸變化的大小取決于GRC配方和暴露條件,因此對(duì)于不同的GRC配方及其所遭受的最低環(huán)境相對(duì)濕度,都應(yīng)該確定GRC的初期收縮與其它由水分變化引起的變形特征值,應(yīng)該在無(wú)約束的試驗(yàn)樣品上進(jìn)行收縮值與其它由水分引起的變形值的測(cè)量。
當(dāng)GRC表面附著裝飾性面層材料時(shí), 必須對(duì)這種材料進(jìn)行試驗(yàn)以確定其收縮值與其它由水分引發(fā)的變形特征,面層材料的收縮值與其它由水分引發(fā)的變形特征應(yīng)盡可能與GRC的特征值相近,由于一種材料會(huì)約束另外一種材料的變形,材料特征值之間的重大差異會(huì)引起巨大的變形應(yīng)力。
2.7 熱位移
像大多數(shù)材料一樣,GRC隨著溫度的提高發(fā)生膨脹,通常情況下膨脹值可被由于GRC受熱水分損失而引起的收縮相抵消,熱變化和水分變化與時(shí)間相關(guān)而且關(guān)系復(fù)雜,取決于所處的條件如水分含量。
熱膨脹和收縮受基材性能的支配,主要受密度、砂子含量或灰砂比的支配,在設(shè)計(jì)GRC構(gòu)件時(shí)應(yīng)該考慮熱膨脹特性,應(yīng)該確定每個(gè)GRC配方的熱膨脹特性。
面層材料的熱膨脹特性應(yīng)盡可能接近GRC材料的熱膨脹特性,由于一種材料會(huì)限制另外一種材料的變形,這些材料特性之間的重大差異會(huì)引發(fā)巨大的應(yīng)力。
2.8 徐變
GRC具有長(zhǎng)期承受持續(xù)荷載的能力,其徐變性狀相似于其它水泥基材料,在持續(xù)荷載下初期彈性變形伴隨著小的徐變變形,隨時(shí)間對(duì)數(shù)值的增大徐變速率降低,即從100小時(shí)到1000小時(shí)發(fā)生的徐變大約等于從10小時(shí)到100小時(shí)發(fā)生的徐變。當(dāng)在飽水的GRC樣品上施加荷載時(shí),發(fā)現(xiàn)這個(gè)一般規(guī)則有例外,在對(duì)飽水樣品進(jìn)行加載的前幾個(gè)小時(shí),觀察到較大的徐變變形,之后,徐變速率類似于在其它環(huán)境下材料的徐變,圖5是飽水樣品在低于彎曲屈服(工作應(yīng)力范圍)應(yīng)力條件下典型的徐變曲線。在干燥條件下,初期徐變較大而且接近飽水狀態(tài)樣品在后期的徐變,彎曲徐變或直接拉伸徐變與初期應(yīng)變成正比,實(shí)質(zhì)上小于水分變化引發(fā)的膨脹應(yīng)變和收縮應(yīng)變。
對(duì)復(fù)合材料的研究表明,徐變性能受基材控制,由于纖維在復(fù)合材料中所占比例較小(質(zhì)量占5%),水含量和砂子含量對(duì)徐變速率都有顯著影響。
圖5. GRC 的彎曲徐變
Creep Coefficient, creep strain/initial strain
(徐變系數(shù), 徐變/初期變形)
Cement Matrix(水泥漿)
2.0 Cement/Sand Matrix(2.0水泥砂漿)
Note(注解):
Specimens Loaded at 28 Days tested in Water
(樣品在水中加載測(cè)試28天)
Fiber Content = 5% by Weight
?。ɡw維含量=5% 質(zhì)量比)
W/C Ratio = 0.3(水灰比=0.3)
Time After Loading, weeks(加載后的時(shí)間,星期)
2.9 抗凍融性
GRC在自然凍融環(huán)境下具有良好的抗凍融性能,通過(guò)一系列試驗(yàn)室試驗(yàn)研究這種性質(zhì)的機(jī)理。[Page]
ASTM C666 程序A提出了非限制凍融試驗(yàn)最嚴(yán)酷的條件,在試驗(yàn)過(guò)程中,樣品經(jīng)受-18℃水中凍結(jié)約2小時(shí),然后4℃水中融解1.5小時(shí)的循環(huán)。GRC樣品在加速老化(注:把樣品浸泡在50℃飽和石灰水中進(jìn)行加速老化)0、8、26星期后經(jīng)受凍融循環(huán),未增強(qiáng)砂漿樣品在加速老化0、26星期后經(jīng)受凍融循環(huán)。對(duì)于每一個(gè)加速老化齡期,都分別有6個(gè)樣品在經(jīng)受0、100、200、300次凍融循環(huán)后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。
GRC樣品的彎曲屈服強(qiáng)度與凍融循環(huán)的關(guān)系見圖6中的實(shí)線,同時(shí)進(jìn)行的未增強(qiáng)砂漿樣品的結(jié)果見圖6中的虛線,圖中所有曲線都表現(xiàn)出基材的開裂強(qiáng)度,每條曲線旁邊的數(shù)值都表示在進(jìn)行凍融循環(huán)之前加速老化的星期數(shù)。
圖6表明,玻璃纖維的存在可有效保護(hù)水泥基材以抵抗凍融循環(huán)引起的惡化。結(jié)果表明不含纖維的砂漿樣品在達(dá)到200次凍融循環(huán)之前已經(jīng)完全惡化,另外,凍融循環(huán)之前加速老化的時(shí)間對(duì)GRC的抗凍融循環(huán)能力的影響非常之小,體現(xiàn)在相對(duì)平坦的曲線斜度。
GRC樣品彎曲極限強(qiáng)度與凍融循環(huán)之間的關(guān)系見圖7,曲線旁邊的數(shù)值表示在凍融循環(huán)之前加速老化的星期數(shù),此圖表明,凍融循環(huán)之前無(wú)論進(jìn)行了多少個(gè)星期的加速老化,100次循環(huán)后彎曲極限強(qiáng)度都降低到大約10.4MPa,300次循環(huán)后強(qiáng)度都降低到大約6.9MPa。
300次循環(huán)后,模板面的GRC有輕微剝落、纖維露出,抹平面嚴(yán)重剝落、沿著邊緣有層裂,剝落大約橫向4~5㎜,深度1㎜。
對(duì)從噴射板上切割下的樣品進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),噴射板中含有質(zhì)量5%的耐堿玻璃纖維和20%砂子。按照英國(guó)對(duì)石棉和石棉水泥制品的標(biāo)準(zhǔn)BS4624,1970(50次凍融循環(huán))進(jìn)行試驗(yàn),樣品浸泡在50℃水中進(jìn)行90天人工老化,然后經(jīng)受-20℃空氣中凍結(jié)16小時(shí)、20℃空氣中融化8小時(shí)、隨后浸泡在水中48小時(shí)的50次循環(huán)。
試驗(yàn)后樣品的外觀沒有可見變化,彎曲極限強(qiáng)度、彎曲屈服強(qiáng)度、彈性模量和抗沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能沒有受到影響。
GRC抗?jié)B透性較好,抹平面不可能成為飽水狀態(tài)而遭受凍融循環(huán)作用。當(dāng)使用完整面層料時(shí),裝飾層的集料必須與經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定的或已經(jīng)證實(shí)性能的預(yù)期氣候條件相適應(yīng)。
ASTM C666程序A(水中凍融循環(huán))提供的凍融條件非常嚴(yán)酷,試驗(yàn)表明大多數(shù)材料都會(huì)有所惡化,GRC也不例外,但是與其它水泥基材料相比GRC仍然是良好的。
圖6. 抗彎屈服強(qiáng)度與凍融循環(huán)的關(guān)系
Flexural Yield strength
(彎曲屈服強(qiáng)度)
Freeze-Thaw Cycles(凍融循環(huán))
Composites(復(fù)合材料)
Unreinforced Mortar Composites
?。ㄎ丛鰪?qiáng)砂漿)
Fiber Content =5% by Weight
?。ɡw維含量=質(zhì)量5%)
Cement/Sand=2 to 1(灰砂比=2:1)
W/C ratio=0.35(水灰比=0.35)
Weeks of accelerated Aging(加速老化齡期)
圖7. 抗彎極限強(qiáng)度與凍融循環(huán)的關(guān)系
Flexural ultimate strength
(彎曲極限強(qiáng)度)
2.10 耐火性[Page]
用水泥、玻璃纖維、砂子和水制造的GRC為不燃性材料。當(dāng)用作表面材料時(shí),火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)為零。按照相近的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)“建筑材料和結(jié)構(gòu)耐火試驗(yàn)” BS476中第4、5部分進(jìn)行了不燃性、可燃性和火焰?zhèn)鞑ピ囼?yàn)。
當(dāng)按照ASTM E84進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),含有聚合物養(yǎng)護(hù)劑的GRC可滿足NFPA A級(jí)和UBC I級(jí)的要求,結(jié)果為0級(jí)火焰?zhèn)鞑ニ俾识覠熋芏鹊陀?。
GRC板能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供1小時(shí)和2小時(shí)的耐火等級(jí),在ASTM E119中定義的耐火等級(jí)主要取決于絕熱材料的耐火性和其它相關(guān)材料如石膏紙板。
2.11 聲學(xué)性能
GRC服從噪聲減少的質(zhì)量定律。對(duì)于設(shè)計(jì)相似但質(zhì)量不同的板材,質(zhì)量每增加一倍,噪聲的傳輸?shù)燃?jí)(STC)大約增加6個(gè)單位。GRC相對(duì)高的密度提供了良好的噪聲衰減特性, 10mm厚度GRC板提供 STC為34(見圖8)。完整組合的板將提供更大的符合多數(shù)規(guī)范要求的噪聲降低。
圖8. 頻率與噪聲降低的關(guān)系
Third-Octave Band
(第三Octave頻段)
Band No.(頻段號(hào))
Mass Law(質(zhì)量定律)
Test Data(試驗(yàn)數(shù)據(jù))
Frequancy in Hentz(頻率,赫茲)[Page]
2.12 密度
噴射GRC的干密度主要與纖維含量、水灰比、聚合物含量、砂含量、密實(shí)度及噴射技術(shù)有關(guān),這些因素也影響孔隙率,GRC干密度范圍為1920 kg/m3~2240kg/m3。密度信息可給出制造質(zhì)量信息,可用作工廠質(zhì)量控制的一種度量方法。
2.13 熱性能
GRC板的熱導(dǎo)率取決于復(fù)合材料密度與含水量,熱導(dǎo)率范圍為(0.5~1.0)Wm/(m2·℃)。
2.14 滲透性
GRC基材趨向于吸水并可將水均勻快速地分布在整個(gè)復(fù)合材料中,但是水分沿板厚度的滲透非常緩慢,試驗(yàn)表明:雨水以117km/h的風(fēng)速降落到板上時(shí),在10㎜厚度GRC板的背面沒有水分出現(xiàn)的跡象。對(duì)于水灰比為0.25和0.35 的GRC材料,GRC的水蒸汽滲透范圍為(7.3×10-9~16×10-9)gm/Pa·s·m 。
GRC的空氣滲透性從暴露于40%相對(duì)濕度時(shí)的6.7×10-9gm/Pa·s·m 到暴露于90%相對(duì)濕度時(shí)的0.3×10-9gm/Pa·s·m 。
GRC的空氣滲透性和水蒸汽滲透性隨著在自然氣候條件下時(shí)間的延續(xù)而降低。
2.15 吸水性
吸水性隨著密度和聚合物含量而變化,通常質(zhì)量吸水范圍為8%~16%,在溫度18℃ 相對(duì)濕度60%環(huán)境下GRC的平衡含水量為4%~8%。
3 性能范圍
不同制造商可獲得不同范圍的GRC物理力學(xué)性能值,表1為GRC材料性能值的典型范圍,這些性能值取決于配料設(shè)計(jì)、材料的質(zhì)量控制、制造工藝和養(yǎng)護(hù)制度,灰砂比在1:1~3:1之間。
表1. GRC性能的典型范圍
性能 |
28天 |
老化(浸泡在50℃~
80℃水中)后 |
密度(干) |
1922~2242(㎏/m3) |
1922~2242(㎏/m3) |
抗壓強(qiáng)度 |
48.3~82.7(MPa) |
69.0~82.7(MPa) |
抗彎: 屈服強(qiáng)度
極限強(qiáng)度
彈性模量 |
6.2~10.3(MPa)
13.8~24.1(MPa)
6.9~20.7(GPa) |
6.9~11.0(MPa)
9.0~13.8(MPa)
17.2~27.6(GPa) |
抗拉: 屈服強(qiáng)度
極限強(qiáng)度
破壞應(yīng)變 |
4.8~6.9(MPa)
6.9~11.0(MPa)
0.6~1.2(%) |
4.8~7.6(MPa)
5.0~7.6(MPa)
0.03~0.08(%) |
剪切: 層間剪切
面內(nèi)剪切 |
2.8~5.5(MPa)
6.9~11.0(MPa) |
2.8~5.5(MPa)
5.0~7.6(MPa) |
熱膨脹系數(shù) |
~2.16×10-5mm/(mm·℃) |
~2.16×10-5mm/(mm·℃) |
熱導(dǎo)率 |
19.9~39.7[W/(㎡·℃)] |
19.9~39.7[W/(㎡·℃)] |
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