GRC物理力學(xué)性能
2009-02-19 00:00
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、玻璃纖維長度及其在復(fù)合材料中的取向、聚合物含量以及在制造過程中相關(guān)操作水平的總體質(zhì)量。
未老化GRC是相對強韌、具有假延展性的材料，必須預(yù)測GRC暴露在室外環(huán)境條件（自然老化）下其強度和應(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，將會在產(chǎn)品的期望壽命內(nèi)達(dá)到完全老化。因此必須對GRC產(chǎn)品進行設(shè)計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，砂子的級配是不固定的，水泥的性能也會有所變化。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、長度和取向主要影響抗拉極限強度和抗彎極限強度。玻璃纖維質(zhì)量含量5%為GRC配合比的最佳含量，過低的纖維含量會導(dǎo)致較低的極限強度，過高的纖維含量會導(dǎo)致復(fù)合材料的密實和粘結(jié)問題。在GRC生產(chǎn)過程中通過袋式試驗、桶式試驗和洗出試驗控制玻璃纖維的含量。
纖維長度也影響復(fù)合材料的極限強度、密實與粘結(jié)，對于噴射GRC，最佳纖維長度為25㎜～50㎜。纖維長度較短時盡管容易噴射，但是不能發(fā)揮最大的增強效果。纖維長度較長時可能引發(fā)纖維與料漿沉積以及在輥壓過程中的密實和粘結(jié)問題。
增強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取向，但是如果噴射操作不規(guī)范，纖維會平行于一個方向排列，結(jié)果導(dǎo)致沿不同方向取樣試驗時復(fù)合材料性能的巨大差異。
必須對GRC進行密實和粘結(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)計厚度。復(fù)合材料密度和粘結(jié)度不夠?qū)姸刃阅墚a(chǎn)生不利影響，可引起材料強度隨溫度和濕度而變化，對GRC面板的滲透性也有負(fù)面影響，抗彎強度、抗拉強度和彈性模量隨著密度而變化，不良粘結(jié)在凍融循環(huán)時也會導(dǎo)致復(fù)合材料的損壞。
通過設(shè)計確定GRC厚度，由于GRC厚度相對較薄，即使微小的厚度變化也會對其應(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)過程中，GRC層的目標(biāo)厚度常常高于設(shè)計厚度的3.2㎜。
適宜的養(yǎng)護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)護是非常必要的。
需要進行質(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 抗拉強度和抗彎強度
用于確定極限設(shè)計應(yīng)力的GRC性能是未老化GRC的抗彎屈服強度和抗彎極限強度。
[Page]
圖1為未老化GRC材料的代表性應(yīng)力—應(yīng)變性狀，抗拉屈服強度（ETY）和抗彎屈服強度（EFY）主要受基材組分、密度、聚合物含量和養(yǎng)護制度的影響?？估瓨O限強度（ETU）和抗彎極限強度（EFU）主要受玻璃纖維含量、纖維長度和取向、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, GRC復(fù)合材料的強度和應(yīng)變發(fā)生損失直到破壞，此時彈性模量提高。在完全老化條件下，極限強度（ATO或AFU）至少應(yīng)等于屈服強度（ATY或AFY），另外，極限強度應(yīng)等于或大于未老化時的屈服強度。
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)護制度的改變而改變，因此必須通過試驗確定在設(shè)計中采用的適宜彈性模量值。
2.3 抗壓強度
抗壓強度實質(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）抗壓強度稍微低于面外（平放）抗壓強度，面外抗壓強度不受纖維存在的影響，用立方體試驗和用圓柱體試驗得到的抗壓強度大約相同。
圖2為不同方向抗壓強度和不同方式剪切強度的圖形解釋。
圖2. 不同方向的抗壓強度和不同方式的剪切強度
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纖維的影響，例如纖維長度從25㎜增加到50㎜或使用改性浸潤劑的耐堿玻璃纖維，抗沖擊強度提高。與未增強水泥基材料或石棉水泥相比， GRC有較高的抗沖擊強度?？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)，由于這些曲線隨時間而改變，抗沖擊性隨之降低。
2.5 抗剪切強度
用噴射工藝制造的板，在板平面中纖維隨機分布，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：剪切強度值實質(zhì)上是基材的剪切強度值，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)剪切強度和極限抗拉強度是相同的。因此可將面內(nèi)剪切強度用作抗拉強度，板邊緣的螺栓連接會生產(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)護制度、密度及復(fù)合材料齡期等因素。
圖3表明水分對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)驗表明灰砂比低到1:1時仍然能夠適應(yīng)這種關(guān)系，復(fù)合材料強度沒有明顯降低。在GRC基材中較大比例的砂子可能導(dǎo)致強度和其它其力學(xué)性能的降低。
約束收縮將會產(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，但它的確提高了強度并降低了收縮開裂在GRC中傳播的危險性。就像強度一樣，隨著暴露于室外環(huán)境（自然老化）下時間的延續(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，因此對于不同的GRC配方及其所遭受的最低環(huán)境相對濕度，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)該在無約束的試驗樣品上進行收縮值與其它由水分引起的變形值的測量。
當(dāng)GRC表面附著裝飾性面層材料時, 必須對這種材料進行試驗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，由于一種材料會約束另外一種材料的變形，材料特征值之間的重大差異會引起巨大的變形應(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GRC構(gòu)件時應(yīng)該考慮熱膨脹特性，應(yīng)該確定每個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引發(fā)巨大的應(yīng)力。
2.8 徐變
GRC具有長期承受持續(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，隨時間對數(shù)值的增大徐變速率降低，即從100小時到1000小時發(fā)生的徐變大約等于從10小時到100小時發(fā)生的徐變。當(dāng)在飽水的GRC樣品上施加荷載時，發(fā)現(xiàn)這個一般規(guī)則有例外，在對飽水樣品進行加載的前幾個小時，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?。ㄙ|(zhì)量占5%），水含量和砂子含量對徐變速率都有顯著影響。
圖5. GRC 的彎曲徐變
Creep Coefficient, creep strain/initial strain
?。ㄐ熳兿禂?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
?。悠吩谒屑虞d測試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，通過一系列試驗室試驗研究這種性質(zhì)的機理。[Page]
ASTM C666 程序A提出了非限制凍融試驗最嚴(yán)酷的條件，在試驗過程中，樣品經(jīng)受-18℃水中凍結(jié)約2小時，然后4℃水中融解1.5小時的循環(huán)。GRC樣品在加速老化（注：把樣品浸泡在50℃飽和石灰水中進行加速老化）0、8、26星期后經(jīng)受凍融循環(huán)，未增強砂漿樣品在加速老化0、26星期后經(jīng)受凍融循環(huán)。對于每一個加速老化齡期，都分別有6個樣品在經(jīng)受0、100、200、300次凍融循環(huán)后進行彎曲試驗。
GRC樣品的彎曲屈服強度與凍融循環(huán)的關(guān)系見圖6中的實線，同時進行的未增強砂漿樣品的結(jié)果見圖6中的虛線，圖中所有曲線都表現(xiàn)出基材的開裂強度，每條曲線旁邊的數(shù)值都表示在進行凍融循環(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)之前加速老化的時間對GRC的抗凍融循環(huán)能力的影響非常之小，體現(xiàn)在相對平坦的曲線斜度。
GRC樣品彎曲極限強度與凍融循環(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)之前無論進行了多少個星期的加速老化，100次循環(huán)后彎曲極限強度都降低到大約10.4MPa，300次循環(huán)后強度都降低到大約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㎜。
對從噴射板上切割下的樣品進行凍融循環(huán)試驗，噴射板中含有質(zhì)量5%的耐堿玻璃纖維和20%砂子。按照英國對石棉和石棉水泥制品的標(biāo)準(zhǔn)BS4624,1970（50次凍融循環(huán)）進行試驗，樣品浸泡在50℃水中進行90天人工老化，然后經(jīng)受-20℃空氣中凍結(jié)16小時、20℃空氣中融化8小時、隨后浸泡在水中48小時的50次循環(huán)。
試驗后樣品的外觀沒有可見變化，彎曲極限強度、彎曲屈服強度、彈性模量和抗沖擊強度等力學(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，裝飾層的集料必須與經(jīng)過試驗確定的或已經(jīng)證實性能的預(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，試驗表明大多數(shù)材料都會有所惡化，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. 抗彎屈服強度與凍融循環(huán)的關(guān)系
Flexural Yield strength
?。◤澢姸龋?/DIV>
Freeze-Thaw Cycles（凍融循環(huán)）
Composites（復(fù)合材料）
Unreinforced Mortar Composites
?。ㄎ丛鰪娚皾{）
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. 抗彎極限強度與凍融循環(huán)的關(guān)系
Flexural ultimate strength
?。◤澢鷺O限強度）
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，火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)為零。按照相近的英國標(biāo)準(zhǔn)“建筑材料和結(jié)構(gòu)耐火試驗” BS476中第4、5部分進行了不燃性、可燃性和火焰?zhèn)鞑ピ囼灐?/DIV>
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當(dāng)按照ASTM E84進行試驗時，含有聚合物養(yǎng)護劑的GRC可滿足NFPA A級和UBC I級的要求，結(jié)果為0級火焰?zhèn)鞑ニ俾识覠熋芏鹊陀?。
GRC板能夠為設(shè)計提供1小時和2小時的耐火等級，在ASTM E119中定義的耐火等級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。對于設(shè)計相似但質(zhì)量不同的板材,質(zhì)量每增加一倍，噪聲的傳輸?shù)燃墸⊿TC）大約增加6個單位。GRC相對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
?。ǖ谌齇ctave頻段）
Band No.（頻段號）
Mass Law（質(zhì)量定律）
Test Data（試驗數(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復(fù)合材料中，但是水分沿板厚度的滲透非常緩慢，試驗表明：雨水以117km/h的風(fēng)速降落到板上時，在10㎜厚度GRC板的背面沒有水分出現(xiàn)的跡象。對于水灰比為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%相對濕度時的6.7×10-9gm/Pa·s·m 到暴露于90%相對濕度時的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、材料的質(zhì)量控制、制造工藝和養(yǎng)護制度，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） |
|
抗壓強度 |
48.3～82.7（MPa） |
69.0～82.7（MPa） |
|
抗彎： 屈服強度
極限強度
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： 屈服強度
極限強度
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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