玻璃纖維對板材性能的影響及機理研究*

侯云芬，張瑩，鄭東昊，周文娟

（北京建筑大學，北京 100044）

0 引言

隨著我國對建筑領域提出節能減排及綠色建筑的要求，裝配式建筑逐漸取代傳統建筑方式成為主流。裝配式建筑所需的板材主要有內外墻板、預制樓梯板、預制樓板，板材不僅要滿足強度需求，同時應減輕自重、控制成本。墻體材料有較多種類，其中混凝土類墻板熱容較大，可在白天儲存熱量夜間釋放，不再需要輔助加熱或冷卻[1]，從而廣泛應用于裝配式住宅及商業建筑中。但混凝土因干燥收縮及溫度收縮易產生裂縫，從而影響墻板的耐久性，且隨混凝土強度的提高問題更為明顯。

纖維材料因其抗拉強度高、彈性模量大，常作為增強材料被用于混凝土非承重構件中[2]。纖維材料在混凝土中的改性作用主要有纖維阻裂理論[3]和復合材料理論，摻入纖維能夠改善混凝土墻板內部微裂縫的產生及發展，從而提高墻板的強度及耐久性。纖維材料中玻璃纖維具有較高的彈性模量和抗拉強度，目前耐堿玻璃纖維摻入混凝土中以抵抗變形及開裂已應用于建筑工程中。呂志恒[4]分析不同摻量的玻璃纖維對混凝土抗壓強度的影響，研究表明玻璃纖維體積摻量過大，對混凝土立方體強度有不利影響。丁一寧[5]對玻璃纖維網格布進行了耐堿試驗和雙向板受彎試驗，結果表明，耐堿玻璃纖維能夠減緩腐蝕速度，在普通硅酸鹽水泥中摻入耐堿玻璃纖維網格布后，可大幅提高混凝土板的受彎承載力。趙晶[6]研究耐堿玻璃纖維在混凝土中長期增強的效果，表明耐堿玻璃纖維可增加混凝土強度及韌性，但纖維長期服役后受化學溶蝕損傷及物理刻蝕損傷對混凝土不再有增強效應。

為了避免玻璃纖維受到硅酸鹽水泥的堿性腐蝕，本試驗使用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料制作板材。硫鋁酸鹽水泥主要礦物成分為無水硫鋁酸鈣及硅酸二鈣，無水硫鋁酸鈣化學分子式為 3CaO·3Al2O3·CaSO4，形成溫度在 1300～1350℃ 之間[7]，水硬活性高，且具有早強、微膨脹等特點。孫詩兵[8]研究不同摻量耐堿玻璃纖維增強快硬硫鋁酸鹽水泥砂漿的拉壓應力應變關系。發現砂漿在拉、壓狀態下具有不同的本構方程形式，且彈性階段拉壓的彈性模量不同。周霞[9]研究玻璃纖維改性硫鋁酸鹽水泥基發泡保溫板的性能，發現板的抗壓強度隨纖維摻量的增加先提高后降低，玻璃纖維可提高板材的抗折強度及韌性，且降低保溫板的收縮性能、提高抗凍性能。

目前學者研究中未針對玻璃纖維網格布改善硫鋁酸鹽水泥基板材性能的機理研究，因此本文通過改變纖維的鋪設層數及克重來研究玻璃纖維對板材抗折強度、抗沖擊性能及收縮性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗中選用強度等級 42.5 快硬硫鋁酸鹽水泥及粉煤灰、礦渣粉和硅粉等礦物摻合料；再生細骨料，由 0.3mm 以下小顆粒、0.3～1.18mm 中顆粒和 1.18～ 4.75mm 大顆粒按 24%、25% 和 51% 比例搭配而成；減水率約為 40% 的聚羧酸減水劑；有機硅粉末憎水劑，硅烷活性含量 25%w/w；比表面積為 120.8m2/kg 的木粉。

克重分別為 100、135 和 165 的玻璃纖維網格布拉伸斷裂結果見表 1 所示。表 1 顯示，同克數纖維網格布經向和緯向的拉伸能力相近，表明鋪設纖維網格布時可以不考慮方向；另外，隨著玻璃纖維網格布克重的增大，其拉伸能力提高。

表1 玻璃纖維網格布拉伸斷裂值 N/50mm

表2 為砂漿配合比。纖維網格布分別以 2 層和 4 層等間距鋪設在板中，2 層纖維每層間隔 4mm，4 層每層間隔 2.4mm，成型后 24h 拆模，養護至 3d、7d 齡期后測試板材性能。

表2 自流平砂漿配合比 g/kg 砂漿

1.2 玻璃纖維增強板試樣制備方法

將按照砂漿配比拌制的均勻制得自流平砂漿后，將少量砂漿裝入 300mm×120mm×12mm 的矩形模具中，用刮板（見圖 1）刮平，依次鋪設耐堿玻璃纖維網格布，每次倒入自流平砂漿后用刮板刮平，最后將模具裝滿刮平成型[10]（見圖 2）。24h 后脫模，標準養護 3d 測定板材的抗折強度和沖擊性能；標準養護 7d 測量板材原始長度后開始收縮試驗。

圖1 不同深度的砂漿刮板

圖2 砂漿入模成型的狀態

1.3 玻璃纖維增強板試樣的抗折試驗方法

根據 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》選擇四點抗折法，如圖 3 所示，用于測定不同纖維網格布層數時板的抗折強度[10]。

圖3 板抗折試驗夾具簡圖

試驗時將板試樣成型面朝上放置在抗折夾具的壓頭間，保證板試樣中心與壓頭中心重合。調整至壓頭與板試樣剛好接觸時開始抗折測試。

1.4 玻璃纖維增強板試樣的沖擊試驗方法

根據 GB/T 1451—2005《纖維增強塑料簡支梁式沖擊韌性試驗方法》進行玻璃纖維增強水泥板抗沖擊性能試驗。選用 DTM1203-C1 落錘試驗機，如圖 4[10]所示。落錘質量為 5kg，直徑 30mm，下落高度為 20cm。下落時保證每次落錘高度一致。記錄板試樣破壞時的沖擊次數及每次沖擊后板試樣的沖擊破壞面直徑。

圖4 落錘試驗機

1.5 玻璃纖維增強板試樣的收縮試驗方法

根據 JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行板材的收縮試驗。在標準養護 7d 后安裝收縮架及千分表，測量之后 28d 板的收縮值。測試選取 4 個縱向、2 個橫向共 6 個等距記錄點，如圖 5[10]所示。保證測試溫度為 20℃±2℃，相對濕度為 60%±3%。

圖5 收縮試驗記錄點位置

2 結果與分析

2.1 玻璃纖維增強板抗折強度結果與分析

C 組（純水泥）、S 組（礦渣粉）、F 組（粉煤灰+硅粉）砂漿的玻璃纖維增強板材的抗折強度結果見表 3 和圖 6～8。

表3 纖維克重和層數對板材抗折強度的影響 MPa

圖6 纖維克重和層數對板材抗折強度的影響(C)

圖7 纖維克重和層數對板材抗折強度的影響(S)

圖8 纖維克重和層數對板材抗折強度的影響(F)

由表 3 和圖 6～8 可以看出，采用硫鋁酸鹽水泥制備玻璃纖維增強板時，除摻入礦渣粉的 2 層 165 克重纖維網格布增強板外，不同克數的纖維增強板隨齡期的增長其抗折強度都有不同程度的增加。相同克數的纖維網格布增強板中，鋪設 4 層的板材抗折強度均大于鋪設 2 層纖維的板材強度。

相同層數纖維網格布的純水泥增強板中，100 克重及 165 克重的纖維網格布板材抗折強度相差不大，135 克重纖維網格布增強板材的抗折強度較低，4 層纖維增強板 3d、7d 抗折強度僅為同組最高值的 81.3%、82.91%。相同層數纖維網格布的摻加礦渣粉增強板中，抗折強度最高的是 135 克重的纖維網格布板材試樣，4 層纖維增強板試樣 3d、7d 抗折強度為分別為同組最低值的 1.18、1.10 倍；100 克重及 165 克重的纖維網格布板材抗折強度相差不大。相同層數纖維網格布的粉煤灰復摻硅粉增強板中，2 層纖維增強中板 7d 抗折強度最高的為摻入克重 135 的試樣，4 層纖維增強板中 7d 抗折強度最高的為摻入克重 165 的試樣。

綜合而言，纖維網格布的鋪設層數影響板材的抗折強度，且隨層數增加強度提高。纖維克重與礦物摻合料共同影響板材的抗折強度。

2.2 玻璃纖維增強板抗沖擊性能結果與分析

C 組（純水泥）、S 組（礦渣粉）、F 組（粉煤灰+硅粉）砂漿的玻璃纖維增強板材在標準養護 3d、7d 后進行抗沖擊試驗結果見表 4 和圖 9～11。

表4 纖維對板材沖擊性能的影響

圖9 纖維對板材沖擊性能的影響（C 組）

圖10 纖維對板材沖擊性能的影響（S 組）

由表 4 和圖 9～11 可以看出，隨養護齡期的增加，同種板材所能承受的沖擊次數增加且沖擊后破壞面直徑減小，即抗沖擊能力提高。相同克數的纖維網格布增強板中，鋪設 4 層的板材抗沖擊性能均大于鋪設 2 層纖維的板材，如純水泥纖維增強板在養護 7d 后鋪設 2 層纖維網格布只能承受 4 次沖擊，而鋪設 4 層纖維網格布可承受 5 次沖擊，且相同沖擊次數下 4 層纖維板破壞直徑均低于 2 層纖維板。

相同層數纖維網格布的純水泥增強板中，鋪設纖維克重為 100 的板材抗沖擊性能較差。2 層網格布增強板在 3d 齡期時只能承受三次沖擊，在 7d 齡期時沖擊坑直徑隨沖擊次數增長較大。4 層網格布增強板在 3d、7d 時沖擊破壞直徑隨沖擊次數迅速增大。相同層數纖維網格布的摻加礦渣粉增強板中，鋪設纖維克重為 135 的板材抗沖擊性能最好，3d 齡期的 2 層、4 層板所承受的最大沖擊次數均比其他克重纖維板材多且沖擊破壞直徑小。相同層數纖維網格布的粉煤灰復摻硅粉增強板中，鋪設 4 層纖維時的抗沖擊性能差異較小。

綜合以上可知，鋪設 4 層纖維網格布的板材抗沖擊性能強于 2 層纖維布板材，其中鋪設 2 層克重 165 網格布板材、4 層克重 135 纖維網格布板材的抗沖擊性能較好。

圖11 纖維對板材沖擊性能的影響（F 組）

2.3 玻璃纖維增強板收縮性能結果與分析

C 組（純水泥）、S 組（礦渣粉）、F 組（粉煤灰+ 硅粉）砂漿的玻璃纖維增強板材的收縮試驗結果見表 5～7 和圖 12～14。

表5 纖維層數對板材干縮性能的影響 (C 組)

圖12 纖維層數對板材干縮的影響 (C 組)

表6 纖維層數對板材干縮性能的影響 (S 組)

表7 纖維層數對板材干縮性能的影響 (F 組)

圖13 纖維層數對板材干縮的影響 (S 組)

圖14 纖維層數對板材干縮的影響 (F 組)

可以看出，鋪設纖維網格布后可明顯改善板材的收縮性能，且隨著鋪設層數的增加改善效果越顯著。相同鋪設層數的纖維網格布增強板中，隨著纖維克重的增加，板材的收縮減小。纖維板材的主要收縮發生在早期，鋪設 4 層纖維的板材在 4d 前快速收縮，而 2 層纖維板材在 7d 前依然為快速收縮。

綜合而言，摻入纖維網格布可大幅降低板材的收縮，其中可通過鋪設層數及克重影響板材，增加網格布層數或選擇較高克重的纖維布均可降低板材的收縮率，使其抗收縮變形能力提高。

2.4 玻璃纖維增強板的機理分析

不同克重纖維對板材性能的影響存在差異，究其原因是其微觀形貌不同，對纖維放大 50 倍后觀察表面形態，如圖 15 所示?？梢园l現，克重為 100 和 135 的纖維表面較為光滑，且纖維束粘結凝聚在一起，導致纖維與砂漿的接觸界面較弱；克重為 165 的纖維表面較為粗糙，可與砂漿界面接合緊密，界面粘結力強。

圖15 不同克重纖維網格布的微觀形貌

觀察抗折破壞后鋪設 2 層及 4 層纖維網格布板的破壞狀態，發現 2 層纖維板的破壞主要是纖維斷裂，而 4 層纖維板的破壞主要為纖維被抽出。分析原因為纖維與砂漿的抗拉強度不相匹配，纖維強度高于砂漿，在抗折試驗過程中強度取決于纖維的強度及纖維與砂漿的粘結強度。鋪設 2 層纖維網格布時，纖維的強度較低，此時纖維與砂漿的粘結強度大于纖維的抗拉強度，導致破壞狀態主要為纖維斷裂。鋪設 4 層纖維網格布的板材，此時纖維的強度大于與砂漿的粘結強度，于是破壞狀態主要為纖維與砂漿界面的破壞。

綜合來看，板材的抗折強度是纖維與砂漿抗拉強度及纖維與砂漿的粘結強度共同決定。這就解釋了鋪設克重為 165 纖維布的板強度低的原因，盡管克重 165 纖維的抗拉強度高，但由于砂漿強度較低，無法與纖維起到較好協同作用，從而板材的抗折強度低。

抗沖擊試驗中，纖維可抵擋一部分外界沖擊力，所以鋪設纖維的板材抗沖擊性能較好?？酥?165 的纖維抗拉強度高、延展性好，但同樣纖維層數時，鋪設 135 克重纖維的板材抗沖擊性能好于 165 克重纖維增強板?？酥?165 纖維布的網格孔較大，網格點分布疏松，傳遞外界沖擊力能力弱于 135 纖維布，所以鋪設 135 克重纖維的板材抗沖擊性能更好。板材的齡期同樣影響纖維對板材的作用。隨著砂漿水化反應的進行，其與纖維的粘結作用更強，且砂漿的強度不斷提高，所以鋪設纖維的砂漿板材隨齡期增長，抗折強度及抗沖擊能力提高。

收縮試驗中，鋪設纖維后板材的抗收縮性能提高，且克重 165 的纖維增強板收縮最小。由圖 15 可看出，165 克重纖維表面較粗糙，從而與砂漿結合更緊密，當砂漿有收縮傾向時，纖維可提供更大的抑制收縮的作用力。

3 結論

為了研究玻璃纖維對板材的性能影響，進行了抗折試驗、抗沖擊試驗及收縮試驗。根據試驗分析，得出以下結論：

（1）鋪設纖維網格布可以顯著提升板材的抗折、抗沖擊以及抗收縮性能。相同克數的纖維網格布增強板中，鋪設纖維層數越多，改善板材性能越好。

（2）纖維克重同樣影響板材的性能，相同層數、配比但克重不同的纖維網格布增強板的性能差異較大?？酥貫?135 纖維網格布因其抗拉強度高、網格孔大小適中，所以增強板的抗折強度及抗沖擊性能較好?？酥貫?165 的纖維網格布因其表面粗糙，與砂漿結合緊密，可顯著改善板材的抗收縮性能。

（3）纖維網格布與不同膠凝材料對板材的作用相輔相成，可提高板材的抗折強度、抗沖擊性能以及收縮性能，但具體作用效果仍需總結纖維的表面形態和膠凝材料的水化程度。綜合而言，克重為 135 纖維網格布與摻加礦渣粉的砂漿結合較好，改善效果較明顯，克重為 165 纖維網格布與粉煤灰復摻硅粉的砂漿作用較好。