grc物理 力学性能

1、GRC物理力学性能GRC物理力学性能很大程度上取决于混合料组分、玻璃纤维含量、玻璃纤维长度及其在复合材料中的取向、聚合物含量以及在制造过程中相关操作水平的总体质量。未老化GRC是相对强韧、具有假延展性的材料，必须预测GRC暴露在室外环境条件(自然老化)下其强度和应变能力所表现的逐渐降低和永久性降低。GRC发生自然老化的速率与其所处环境有关，许多情况下，当GRC产品暴露在室外环境下时，将会在产品的期望寿命内达到完全老化。因此必须对GRC产品进行设计以保证在使用条件下所产生的应力低于完全老化后材料的强度极限和应变极限。1.影响物理力学性能的因素混合料组分的变化可导致复合材料物理力学性能的变化，工业化生产中采用的灰砂比为1:13:1，砂子的级配是不固定的，水泥的性能也会有所变化。因此复合材料的配比、组分和物理力学性能也会随之变化，应该了解由于配料组分的变化和改变而引发的GRC物理力学性能的潜在变化。纤维含量、长度和取向主要影响抗拉极限强度和抗弯极限强度。玻璃纤维质量含量5%为GRC配合比的最佳含量，过低的纤维含量会导致较低的极限强度，过高的纤维含量会导致复合材料的密实和粘结问题。在GRC生产

2、过程中通过袋式试验、桶式试验和洗出试验控制玻璃纤维的含量。纤维长度也影响复合材料的极限强度、密实与粘结，对于喷射GRC，最佳纤维长度为2550。纤维长度较短时尽管容易喷射，但是不能发挥最大的增强效果。纤维长度较长时可能引发纤维与料浆沉积以及在辊压过程中的密实和粘结问题。增强纤维的取向也影响复合材料的物理力学性能。期望喷射GRC复合材料中的纤维为二维随机取向，但是如果喷射操作不规范，纤维会平行于一个方向排列，结果导致沿不同方向取样试验时复合材料性能的巨大差异。必须对GRC进行密实和粘结以保证足够的纤维嵌入和复合材料密度以及需要的设计厚度。复合材料密度和粘结度不够将对强度性能产生不利影响，可引起材料强度随温度和湿度而变化，对GRC面板的渗透性也有负面影响，抗弯强度、抗拉强度和弹性模量随着密度而变化，不良粘结在冻融循环时也会导致复合材料的损坏。通过设计确定GRC厚度，由于GRC厚度相对较薄，即使微小的厚度变化也会对其应力有显著影响，因此GRC厚度应该控制在规定的厚度偏差之内。为了满足规定的厚度偏差，在生产过程中，GRC层的目标厚度常常高于设计厚度的3.2。适宜的养护制度有利于水泥的充分水化，

3、为达到期望的纤维与基材的粘结性能，适宜的养护是非常必要的。需要进行质量控制和质量保证管理以获得具有良好物理力学性能的GRC材料。2.物理力学性能2.1抗拉强度和抗弯强度用于确定极限设计应力的GRC性能是未老化GRC的抗弯屈服强度和抗弯极限强度。图1为未老化GRC材料的代表性应力-应变性状，抗拉屈服强度(ETY)和抗弯屈服强度(EFY)主要受基材组分、密度、聚合物含量和养护制度的影响。抗拉极限强度(ETU)和抗弯极限强度(EFU)主要受玻璃纤维含量、纤维长度和取向、聚合物含量和复合材料密度的影响。图1表明随着龄期延长,GRC复合材料的强度和应变发生损失直到破坏，此时弹性模量提高。在完全老化条件下，极限强度(ATO或AFU)至少应等于屈服强度(ATY或AFY)，另外，极限强度应等于或大于未老化时的屈服强度。2.2弹性模量用弯曲应力-应变曲线确定作为设计目的的弹性模量值，弯曲弹性模量值随着基材组分、密度、聚合物含量和养护制度的改变而改变，因此必须通过试验确定在设计中采用的适宜弹性模量值。2.3抗压强度抗压强度实质上与基材有关，由于玻璃纤维的层分布影响到基材的连续性，面内(扁立)抗压强度稍微低

4、于面外(平放)抗压强度，面外抗压强度不受纤维存在的影响，用立方体试验和用圆柱体试验得到的抗压强度大约相同。图2为不同方向抗压强度和不同方式剪切强度的图形解释。图2.不同方向的抗压强度和不同方式的剪切强度FiberLyinginPlaneSheet(纤维分布在板平面内)In-planeShear(面内剪切)In-planeCompression(面内压缩)InterlaminarShear(层间剪切)Cross-planeCompression(面外压缩)2.4抗冲击性GRC的抗冲击性很大程度上受增强纤维的影响，例如纤维长度从25增加到50或使用改性浸润剂的耐碱玻璃纤维，抗冲击强度提高。与未增强水泥基材料或石棉水泥相比，GRC有较高的抗冲击强度。抗冲击性与拉伸应力-应变曲线和弯曲应力-应变曲线下的面积有关，由于这些曲线随时间而改变，抗冲击性随之降低。2.5抗剪切强度用喷射工艺制造的板，在板平面中纤维随机分布，因此剪切值(图2)随荷载施加的方式而变化，具体如下:层间剪切:剪切强度值实质上是基材的剪切强度值，这种剪切应力发生在单层板的受弯状态。面内剪切:对一定配方的GRC，在经受各种老化处理

5、之后，其面内剪切强度和极限抗拉强度是相同的。因此可将面内剪切强度用作抗拉强度，板边缘的螺栓连接会生产面内剪切应力。2.6收缩与其它由水分变化引发的变形像所有混凝土一样，GRC经受干燥收缩并且在吸潮时部分恢复，水分引发的变形取决于水灰比、灰砂比、聚合物含量、养护制度、密度及复合材料龄期等因素。图3表明水分对GRC的影响，在初期干燥阶段发生的不可恢复的干燥收缩很大程度上取决于灰砂比和水灰比，随后的水分含量变化引起可恢复的尺寸(或体积)变化，体积变化很大程度上受灰砂比的支配，随着龄期延续体积变化率有所降低。掺入标准颗粒级配的砂子可降低收缩量，但是与多数混凝土产品相比，由于水泥含量较大，GRC的收缩仍然较大。图4表明砂子含量与收缩之间的关系,经验表明灰砂比低到1:1时仍然能够适应这种关系，复合材料强度没有明显降低。在GRC基材中较大比例的砂子可能导致强度和其它其力学性能的降低。约束收缩将会产生应力并导致开裂，特别是在受到形状、变截面厚度、埋入材料或有外部约束的构件中。足够的纤维含量和纤维随机取向可控制未老化板材的收缩开裂。尽管纤维加入到水泥基材中不能从本质上降低它的干燥收缩，但它的确提高了强度

6、并降低了收缩开裂在GRC中传播的危险性。就像强度一样，随着暴露于室外环境(自然老化)下时间的延续，应变能力和抑制收缩开裂传播的能力逐步降低。图3.尺寸稳定性:水分引发的GRC变形DimensionalChange(尺寸变化)Waterstorage(水中保存)Expansioninwater(在水中膨胀)Irreversibleshrinkage(不可逆收缩)Initialdryshrinkage(初期干燥收缩)Reversible(可逆收缩)Moisture-inducedMovement(水分引发的变形)Wet(潮湿)Dry(干燥)图4.灰砂比对收缩的影响尺寸变化的大小取决于GRC配方和暴露条件，因此对于不同的GRC配方及其所遭受的最低环境相对湿度，都应该确定GRC的初期收缩与其它由水分变化引起的变形特征值，应该在无约束的试验样品上进行收缩值与其它由水分引起的变形值的测量。当GRC表面附着装饰性面层材料时,必须对这种材料进行试验以确定其收缩值与其它由水分引发的变形特征，面层材料的收缩值与其它由水分引发的变形特征应尽可能与GRC的特征值相近，由于一种材料会约束另外一种材料的变形，材料

7、特征值之间的重大差异会引起巨大的变形应力。2.7热位移像大多数材料一样，GRC随着温度的提高发生膨胀，通常情况下膨胀值可被由于GRC受热水分损失而引起的收缩相抵消，热变化和水分变化与时间相关而且关系复杂，取决于所处的条件如水分含量。热膨胀和收缩受基材性能的支配，主要受密度、砂子含量或灰砂比的支配，在设计GRC构件时应该考虑热膨胀特性，应该确定每个GRC配方的热膨胀特性。面层材料的热膨胀特性应尽可能接近GRC材料的热膨胀特性,由于一种材料会限制另外一种材料的变形，这些材料特性之间的重大差异会引发巨大的应力。2.8徐变GRC具有长期承受持续荷载的能力，其徐变性状相似于其它水泥基材料，在持续荷载下初期弹性变形伴随着小的徐变变形，随时间对数值的增大徐变速率降低，即从100小时到1000小时发生的徐变大约等于从10小时到100小时发生的徐变。当在饱水的GRC样品上施加荷载时，发现这个一般规则有例外，在对饱水样品进行加载的前几个小时，观察到较大的徐变变形，之后，徐变速率类似于在其它环境下材料的徐变，图5是饱水样品在低于弯曲屈服(工作应力范围)应力条件下典型的徐变曲线。在干燥条件下，初期徐变较大而且

8、接近饱水状态样品在后期的徐变，弯曲徐变或直接拉伸徐变与初期应变成正比，实质上小于水分变化引发的膨胀应变和收缩应变。对复合材料的研究表明，徐变性能受基材控制，由于纤维在复合材料中所占比例较小(质量占5%)，水含量和砂子含量对徐变速率都有显著影响。图5.GRC的弯曲徐变CreepCoefficient,creepstrain/initialstrain(徐变系数，徐变/初期变形)CementMatrix(水泥浆)2.0Cement/SandMatrix(2.0水泥砂浆)Note(注解):SpecimensLoadedat28DaystestedinWater(样品在水中加载测试28天)FiberContent=5%byWeight(纤维含量=5%质量比)W/CRatio=0.3(水灰比=0.3)TimeAfterLoading,weeks(加载后的时间，星期)2.9抗冻融性GRC在自然冻融环境下具有良好的抗冻融性能，通过一系列试验室试验研究这种性质的机理。ASTMC666程序A提出了非限制冻融试验最严酷的条件，在试验过程中，样品经受-18水中冻结约2小时，然后4水中融解1.5小时的循环。G

9、RC样品在加速老化(注:把样品浸泡在50饱和石灰水中进行加速老化)0、8、26星期后经受冻融循环，未增强砂浆样品在加速老化0、26星期后经受冻融循环。对于每一个加速老化龄期，都分别有6个样品在经受0、100、200、300次冻融循环后进行弯曲试验。GRC样品的弯曲屈服强度与冻融循环的关系见图6中的实线，同时进行的未增强砂浆样品的结果见图6中的虚线，图中所有曲线都表现出基材的开裂强度，每条曲线旁边的数值都表示在进行冻融循环之前加速老化的星期数。图6表明，玻璃纤维的存在可有效保护水泥基材以抵抗冻融循环引起的恶化。结果表明不含纤维的砂浆样品在达到200次冻融循环之前已经完全恶化，另外，冻融循环之前加速老化的时间对GRC的抗冻融循环能力的影响非常之小，体现在相对平坦的曲线斜度。GRC样品弯曲极限强度与冻融循环之间的关系见图7，曲线旁边的数值表示在冻融循环之前加速老化的星期数，此图表明，冻融循环之前无论进行了多少个星期的加速老化，100次循环后弯曲极限强度都降低到大约10.4MPa，300次循环后强度都降低到大约6.9MPa。300次循环后，模板面的GRC有轻微剥落、纤维露出，抹平面严重剥落、沿着边缘有层裂，剥落大约横向45，深度1。对从喷射板上切割下的样品进行冻融循环试验，喷射板中含有质量5%的耐碱玻璃纤维和20%砂子。按照英国对石棉和石棉水泥制品的标准BS4624,1970(50次冻融循环)进行试验，样品浸泡在50水中进行90天人工老化，然后经受-20空气中冻结16小时、20空气中融化8小时、随后浸泡在水中48小时的50次循环。试验后样品的外观没有可见变化，弯曲极限强度、弯曲屈服强度、弹性模量和抗冲击强度等力学性能没有受到影响。GRC抗渗透性较好，抹平面不可能成为饱水状态而遭受冻融循环作用。当使用完整面层料时，装饰层的集料必须与经过试验确定的或已经证实性能的预期气候条件相适应。ASTMC666程序A(水中冻融循环)提供的冻融条件非常严酷，

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