作者简介: 王振波(1989-), 男(汉), 江苏, 博士研究生。
该文采用喷水硬化工艺制造了玻璃纤维编织网增强水泥基板材,试验研究了配网率和纤维编织网定位方式对其抗弯性能的影响。结果表明: 玻璃纤维编织网可显著改善喷水成型水泥基板材的抗弯性能。随着配网率的增加,纤维网增强水泥基板材的抗弯强度和极限挠度明显提高。配网率为1.0%时,磁铁定位双层纤维网增强水泥基板材抗弯强度达10.64 MPa, 是无增强纤维网板材的3倍; 极限挠度达6.74 mm, 是无增强纤维网板材的8倍。该工艺可解决需要快速搭建又无预拌条件工程的施工问题。
Textile reinforced cementitious composite board was produced using a sprinkling water hardening technique. Test measured the effect of the textile ratio and textile location on the flexural performance of the board. The results show that the flexural behavior of the board made with the sprinkling water hardening technique was greatly improved by adding the glass fibers. As the textile ratio increases, the flexural strength and ultimate deflection of the textile glass reinforced cementitious board are greatly increased. The flexural strength of boards with 1.0% textile ratio can reach 10.64 MPa, which is 3 times higher than the boards without textiles, and the ultimate deflection is 6.74 mm, which is 8 times higher than that of the boards without textiles. The sprinkling water hardening technique may solve construction problems where there is no way to directly mix cement with water.
快硬早强水泥是近年来发展较快的一种新型水泥,其配制出的混凝土具有快硬、早强、微膨胀等优异性能[1]。当采用适当的配合比时,快硬早强混凝土的2 h强度可达44.32 MPa, 28 d强度可达 99.10 MPa[2]。快硬早强水泥的微膨胀特性使浇筑的混凝土构件产生预应力,其抗爆性能明显优于普通混凝土构件[3]。快硬早强水泥用于道路抢修、桥梁快速加固、军事设施建设等方面有独特优势[4,5,6]。但是,用快硬早强水泥配制的砂浆或混凝土与普通水泥砂浆、混凝土一样,硬化后呈脆性,在收缩或温差作用下容易开裂[7]。目前常用的解决方法是在水泥基材中加入纤维,增强裂纹间的桥接应力,从而提高材料开裂后的承载力,进而提高其韧性[8]。纤维编织网增强混凝土(TRC)是一种新型纤维增强复合材料,其采用碳纤维或玻璃纤维作为加强材料,构件中纤维呈最优排列,以提高纤维利用率[9]。在低配网率情况下, TRC即可表现出应变硬化和多点开裂特性[10]。此外,纤维编织网不像钢筋那样容易锈蚀,构件不必要有最小保护层厚度要求。因此,纤维编织网增强砂浆在制造10 mm20 mm厚的板型构件方面具有独特优势[11]。
本文采用喷水硬化新工艺,制造玻璃纤维编织网增强水泥基板材。其中选用快硬早强水泥为基材,该水泥具有低收缩、低碱度特性,可保证板材的抗裂性并降低对玻璃纤维网的腐蚀。板材采用独特的喷水成型方式,取消现场加水搅拌环节,布置灵活,无需模板。该新式成型工艺可解决需要快速搭建又无预拌条件的工程的施工问题,例如农田水利工程中引水渠的快速施工,临时、半永久性房屋围护结构的快速搭建,军用防护结构的快速建造等。本文对采用喷水硬化法制备得到的纤维网增强水泥基板材的抗弯性能进行试验研究,为这种新工艺新材料的实际应用提供技术支持。
本试验所用主要原料为快硬早强水泥、普通自来水、玻璃纤维编织网,其相关性能、尺寸见表1和图1。其它试验材料还有透水布、棉线和螺帽等。
 | 表1 玻璃纤维编织网性能 |
 | 图1 玻璃纤维编织网结构示意图 |
抗弯试验采用三点弯曲加载方式,试件为300 mm×100 mm×20 mm的板型试块。其成型采用内部尺寸为300 mm×100 mm×100 mm的铸铁模具。试验选用水胶比为0.5。根据配网率和编织网的定位方式,成型如表2所示的6种类型试件,其中配网率ρ为加强方向的纤维截面积与板材截面积之比。配网率0.5%的试件为单层纤维网增强板材,配网率1.0%的试件为双层纤维网增强板材,双层纤维网由单层纤维网错位叠合而成,节点处用胶粘接(见图2)。纤维网采用不同的定位方式旨在获得不同的纤维网-基材粘结性能及纤维网在板材中的位置, 3种定位方式为:
1) 粘附底面: 纤维网平铺于透水布上,用棉线固定;
2) 螺帽垫起: 在纤维网格的各十字交点下垫一厚度为2.3 mm的六角螺帽,然后用棉线固定于透水布;
3) 磁铁定位: 用磁铁将纤维网拉直固定于铸铁模具两侧,纤维网与模板底面悬空3 mm。
| 表2 抗弯试件列表 |
 | 图2 双层纤维编织网结构示意图 |
试件成型过程为:
1) 准备干料: 将水泥装入底部覆有透水布的铸铁模具中,振动台振动1 min,抹平顶面,使干料厚度为20 mm, 上方覆一层透水布后压平、振动1 min;
2) 喷水: 将称量好的水从试件上方缓慢、均匀喷洒,直至水分被完全吸收(见图3);
3) 养护: 将成型的试件用塑料保鲜膜密封,放在室温条件下养护7 d。
试验采用美国MTS810材料试验机进行,两支撑点之间的距离为280 mm, 加载方式为位移控制,加载速率为0.25 mm/min。数据采集频率为2次/s。
试验用3种纤维网不同固定方式形成的增强板材和无增强纤维网板材的弯曲应力-挠度曲线如图4所示,具体的数据见表3。由试验曲线可知,配网率、纤维网的定位方式决定板材的抗弯性能。不采用纤维编织网(ρ=0%)增强的板材表现出明显的脆性破坏,跨中产生贯穿截面的单一裂纹(见图5a),弯曲应力达到峰值后承载力急剧下降,其开裂应力即为极限弯曲应力,此时板材的跨中挠度仅有 0.84 mm。对采用纤维编织网增强的板材,无论纤维网的定位方式如何,均表现出优良的增强和增韧的效果。纤维网的3种定位方式当中,磁铁定位最好。采用这种方式成型的板材,试块可多点开裂,开裂模式如图5b所示,抗弯强度为4.65 MPa, 极限挠度达到5.78 mm, 板材的抗弯强度已达到甚至超过C40混凝土的抗弯强度值[12]。这是因为磁铁对铸铁模具有很强的磁吸力,方便将纤维编织网固定于模具两侧; 而且纤维网与模具底面架空高度易于控制,可确保纤维网与基材的有效粘结。在放置纤维网过程中,为保证其平直,磁吸附力所产生的拉力还将产生一定的预拉应力。综合以上因素,磁铁成型的板材表现出更优良的性能。
 | 图4 单层纤维网增强板材弯曲应力挠度曲线 |
| 表3 单层纤维网增强试块弯曲试验数据 |
注意各试块的开裂强度,纤维编织网增强试块均低于无纤维网的情形,这与试块的喷水成型方式有关。因为是单向喷水,水分仅由试块上方通过透水布渗透入干料,纤维编织网可能阻碍水分继续向下流动,因此编织网下方的水泥粉料大多未参与水化,造成试块开裂强度较低。对纤维编织网由螺帽垫起的成型方式,螺帽的存在还将削弱断面,也可能导致基材开裂强度偏低,因而此类板材的开裂强度只有2.63 MPa, 较配网率为0的板材降低28%。
双层纤维编织网增强板材的弯曲应力-挠度曲线如图6所示,具体的试验数据列于表4。选用的纤维网定位方式为上一节中表现较好的纤维网粘附底面和纤维网磁铁定位2种。两层纤维网为错位叠合而成,直接增加了配网率,板材的抗弯性能较单层网增强时显著提高。试块开裂后其承载力并无明显下降,而是持续增长,尤其是纤维网磁铁定位成型的试块,弯曲强度可达10.64 MPa, 是无纤维网板材的近3倍,极限挠度可达6.74 mm, 是无纤维网板材的8倍。图7a显示,破坏后试块的大部分区域均已开裂,纤维网起到很好的传力效果,增加了试件的韧性。另外纤维网粘附底面的板材的抗弯性能也表现良好,其抗弯强度也达到了6.59 MPa, 且在挠度为12 mm左右时仍具有4.0 MPa以上的承载力。这除了得益于配网率的增加,还有一个原因可能是下层纤维网对上层纤维网有架空作用,这样上层纤维网下部有砂浆填充,提高了纤维网与基材的粘结。从试块的开裂形态看(见图7b), 纤维网的传力作用导致多点开裂,但极限挠度仍低于磁铁定位的板材。
 | 图6 双层纤维网增强板材的弯曲应力挠度曲线 |
 | 图7 双层纤维网增强板材开裂形态 |
| 表4 双层纤维网增强板材抗弯试验数据 |
由以上试验结果可见,喷水硬化纤维编织网增强砂浆板材具有优良的抗弯性能,该材料在这种新型的喷水硬化方式下,完全可以胜任那些现场不便按传统搅拌方式成型的工程结构。此外,无论纤维网以何种方式定位,只要保证一定的配网率,板材的强度和韧性均能得到保障。如果工业化生产成为可能,纤维网的定位将很容易控制。
纤维编织网增强板材的开裂强度、抗弯强度随配网率的变化关系如图8所示,其中包括纤维网粘附底面和磁铁固定这2种定位方式,具体的试验数据见表3和表4。由曲线规律可知,配网率对板材的开裂强度影响不大。随着配网率的增加,开裂强度略有降低。这是因为纤维编织网的存在阻碍水的渗流路径,影响底部水泥的水化,从而降低了板材的开裂强度。但配网率对板材的抗弯强度影响显著,随着配网率的增加,采用纤维编织网粘附底面和磁铁固定方式的板材抗弯强度均大幅提高。其中磁铁固定纤维网的板材的抗弯强度高于纤维网粘附底面的板材,这得益于磁铁固定方式可控制纤维网与底面的架空高度,从而改善纤维网-基材粘结性能。
 | 图8 开裂强度、抗弯强度随配网率的变化 |
纤维编织网增强板材的开裂挠度、极限挠度随配网率的变化关系如图9所示,其中包括纤维网粘附底面和磁铁固定2种定位方式的板材,具体的试验数据见表3和表4。由见,配网率对板材的弯曲变形性能的影响类似于对弯曲强度的影响。随着配网率的增加,板材的开裂挠度并无明显变化,而极限挠度显著提高。这表明纤维编织网配网率的增加可提高板材的弯曲韧性,改善板材的变形性能。
 | 图9 开裂挠度、极限挠度随配网率的变化 |
本文采用喷水硬化法研究了纤维编织网增强水泥基板材的抗弯性能,主要结论有:
1) 喷水硬化法成型水泥基板材通过纤维网增强后其抗弯性能可满足相关结构的需求,该方法取消了现场加水搅拌环节,板材喷水硬化可灵活布置,无需模板。
2) 玻璃纤维编织网可显著改善喷水成型水泥基板材的抗弯性能。磁铁定位双层纤维网增强板材的抗弯强度和极限挠度分别是无增强纤维网板材的3倍和8倍。
3) 随着配网率的增加,板材的开裂强度、开裂挠度无显著变化,而抗弯强度、极限挠度明显提高。工程上可选取适当的配网率,使纤维编织网增强水泥基板材的抗弯性能满足相关结构需求。
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