玻璃纤维增强水泥制品及工艺.docx

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建材行业的发展角度来讲，大宗建材必须是可持续发展的绿色材料水泥与水泥基材 料是当今最大宗的人造材料世界水泥产量已超过15亿t （我国目前的水泥产量也已达到世 界水泥产量的1/3强），据此推算，水泥基材料总量在60 — 70亿t上下估计所消耗的主要 资源为优质石灰石15亿t砂石集料40亿m3，排放的C0〈sub〉2〈/sub〉（主要温室气体）12t 以上，还有其他的有害气体与大量的粉尘，严重污染环境如今后我国水泥年产量保持在 5 亿t,按合理的指标估算，每年消耗的能源资源与造成的环境负担如表5 — 4所示可见不论我国，还是世界其他地区都必须依靠科技、人力节约能源，保护环境，否则水 泥与水泥基材料将成为不可持续发展的材料水泥基材料必须向高性能发展，向减少用量， 延长寿命，增强功能，尤其是降低环境代价的方向努力从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:波特兰水泥一砂浆、混凝土一钢筋混凝土门（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）一高强混凝 土（20世纪70年代）一高性能混凝土（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，用途随之扩大从材料发展史来看，原先所用的泥结卵石、草筋泥火山灰石灰各种三合土，以至近 代的水泥基复合材料，都说明复合化是材料发展的主要途径之一玻璃纤维增强水泥基材料 是复合化的新成就，二战以来发展迅速复合化的技术思路—超叠加效应，对材料高性能化 具有重要意义，可用公式1 + 2》3表示例如在高性能混凝土（HPC）中就用多种复合，不 仅复合胶结材料，还要复合细掺料，复合外加剂玻璃纤维增强在复合化中占突出地位，在 上述特高强水泥基材料中对增加韧性、抗冲性等起着关键作用此外，还有多种水泥一玻璃 纤维一聚合物复合材料，如玻璃纤维增强聚合物改性水泥聚合物在水泥硬化体中提高了玻 璃纤维与水泥石的粘结强度，使玻璃纤维的增强作用充分发挥，从而提高了延伸率和韧性（假 韧性）因此，抗折、抗拉抗冲性大为提高，表现出明显的性能超叠加效应自从石棉致癌 问题提出后，性能优良的石棉水泥受到很大影响，但石棉水泥的工艺与设备在混凝土、水泥 制品工业中是最先进的。

以此为基础，开拓思路，努力创新，将各种玻璃纤维与优质水泥基 材料（如HPC、UHPC）等结合起来，进行新的复合，使水泥基材料的缺点得到改进，性能大 幅度提高，创造新的绿色建材，扩大用途，造福人类以水泥为基体的建筑材料都有一个突出的特点，就是抗压强度高而抗弯（折）强度抗 拉强度和抗冲击强度低采用纤维材料对水泥基材料进行性能改善，不失为一种行之有效的 方法有些纤维只能提高水泥基的抗弯（折）强度和抗拉强度，但不能改善其抗冲击性能； 有些纤维只能提高水泥基体的抗冲击性能，但无法改善其抗弯强度和抗拉强度；而玻璃纤维 不仅可以提高水泥基的抗弯抗拉强度，还可以提高其抗冲击强度玻璃纤维较高的抗拉强 度（单丝抗拉强度可达1770 —2550MPa）和较高的弹性模量（约为70GPa，为水泥基体的2. 5 倍）为其能够大幅度提高水泥基体的强度和韧性提供了必要的保证 30多年来国内外对玻璃 纤维增强水泥性能的研究证明，在水泥基体中加人4％—5％的玻璃纤维即可大大改善其力学 性能一般素水泥砂浆的抗拉强度为2 —3MPa，极限延伸变形为100—150p £，抗弯（折） 强度为5 —7MPa，抗冲击强度约为2kJ/tf，当加人4%—5%的玻璃纤维后，复合材料的抗 拉强度达到9—12MPa，极限延伸 变形达到8000—12000》£，抗弯（折）强度达到20 —25MPa， 抗冲击强度达到15 —20kJ/tf。

少量的玻璃纤维加到水泥基体中即可得到如此好的效果，当 然是一件令人鼓舞的事情，作为一种材料，特别是用于制造建筑构件的材料，人们更加关心 的是它的耐久性问题，都希望建筑材料有一个长久的使用寿命和良好的安全可靠性对于玻 璃纤维增强水泥这种新型的复合材料来说，玻璃纤维在水泥基体中能否保持其较高的强度和 较好的韧性是保证玻璃纤维增强增韧效果的关键所在在实践中人们发现了玻璃纤维在水泥 基体中的侵蚀和脆化问题，并且开始查明其侵蚀、脆化的机理，而且通过各种方法对玻璃纤 维进行了改善一方面提高了玻璃纤维的抗碱侵蚀能力，主要从两个方面进行改进，即或者 是改变玻璃纤维的化学组成，或者是对玻璃纤维的表面进行耐碱处理；另一方面是对基体材 料进行改性，或者是在波特兰水泥中加入火山灰质材料，以提高基体的强度和韧性，或者是 在基体中加人聚合物，以阻止基体遭受物理和化学侵蚀，或者是研制适合于玻璃纤维使用环 境的低碱度水泥，以减少水泥水化产物中Ca （0H）〈sub〉2〈/sub〉的含量日本、英国等采用 的技术路线是抗碱玻璃纤维与改性波特兰水泥相复合我国建材院采用的是抗碱玻璃纤维与 低碱度水泥相匹配的“双保险”技术路线。

较好地解决了玻璃纤维增强水泥的长期耐久性问 题经过加速老化试验推测， GRC 的安全使用寿命至少为 50年玻璃纤维增强水泥耐久性的 解决为此种材料的广泛应用奠定了坚实的基础由使用抗碱玻璃纤维制造GRC制品并开始进人工业规模生产为起点，国际GRC制品行业 迄今为止已经经历 30 个春秋目前全世界有数十个国家和地区以不同规模生产和使用 GRC 制品，全球GRC制品的年产量估计为45万吨左右，其中产量最高者当推日本，年产量约为 12万吨，美国GRC制品的年销售额已达1亿美元以上，全欧洲GRC制品的年产量估计不少于 10万吨，其中德国约占半数在亚洲，我国GRC行业的规模已在日益扩大，年产量已达到4 —5万吨，新加坡、马来西亚等国以及我国台湾、香港两地区也已生产GRC制品多年一、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一）物理性能密度GRC材料的密度不受龄期的影响一块1 m?、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°C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二）长期性能与许多材料，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，脆化非常显著三）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二、高耐久性的玻璃纤维增强水泥复合材料自20世纪70年代初期起，不少国家竞相开发玻璃纤维增强水泥（GRC）制品，西方国家 开发GRC主要立足于用含铅的抗碱玻璃纤维（ARGF）作为增强材料，用波特兰水泥作为基体, 但试验与使用结果均表明AGRF-OPC制成的GRC主要存在如下两大问题：（ 1）暴露于大气中或处于潮湿环境中，其极限抗拉强度极限抗弯强度、抗冲击强度与 韧性均随时间而较大幅度地下降，尤以韧性下降为甚2）安装于金属骨架上的 GRC 外墙面板发生翘曲变形、开裂以及粘于其上的陶瓷片脱落 等现象西方国家为解决GRC的长期耐久性问题，探索采取若干技术措施，诸如抗碱玻璃纤维表 面覆以保护层，调整抗碱玻璃纤维的活性成分，水泥中掺加火山灰活性材料掺加丙烯酸酯 类聚合物乳液等，但收效不大为此，在20世纪80年代西方国家的GRC工业一度低落我 国在20世纪70年代中期起研制与开发新一代的GRC，采取ARGF与低碱度硫铝酸盐水泥相复 合的'双保险'技术路线50°C蒸汽中的加速老化试验。

20°C水中长期浸泡试验、80°C热水 中的加速老化试验与北京地区大气暴露试验均表明，低碱度硫铝酸盐水泥与抗碱玻璃。