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GRC实用设计指南(GRCA)pdf

2017-10-07 07:44

  本文档为《GRC实用设计指南(GRCA)pdf》,可适用于工程建筑、房产领域,主题内容包含1玻璃纤维增强水泥(GRC)实用设计指南(极限状态设计方法)GRCAINTERNATIONAL2术语与符号σ均方根X样品的平均值Fd极限设计荷载Fk符等。

  1玻璃纤维增强水泥(GRC)实用设计指南(极限状态设计方法)GRCAINTERNATIONAL2术语与符号σ均方根X样品的平均值Fd极限设计荷载Fk极限特征荷载γk极限部分安全系数fd极限设计强度fk极限特征强度γf,极限部分荷载系数γtv计算GRC厚度的极限部分系数γb计算实际尺寸的截面与试验试件的抗弯的差异的极限部分系数γc计算与最终断裂方式差异的极限部分系数Fsk特征荷载的适用性Fsd设计荷载的适用性γm总的安全系数γss收缩应力γts热应力3引言范围本设计指南是由玻璃纤维增强混凝土协会(GRCA)技术委员会编制的出版该设计指南的主要目的是:为专业人士、设计人员、生产商及GRC制品安装人员提供实用的参考指导提倡进一步使用优秀的设计此外该指南也是对GRCA发布的其它技术刊物的一个补充其它的刊物有:•GRC外墙挂板的安装指南•GRC制品的生产、养护及测试规范•GRC原材料的试验方法GRC及其组成材料的相关国内及国际测试标准已经发布了将来还会进一步制定相关的一些标准。在建筑和土建工程中GRC作为功能材料和装饰材料已在全球广泛使用。该指南将针对一些典型的制品的相关设计过程进行讨论。GRC是一种复合材料该材料是由水泥、石英砂、耐碱玻璃纤维(AR)和水组成。其中玻璃纤维能有效对砂浆起到增强作用提高砂浆的抗拉、抗弯性能。GRC是一种备受关注和耐久性好的饰面材料它可以浇注成各种复杂的外形和断面它十分适合在现代建筑物的外部快速安装和使用这种轻质、预制的外墙挂面板。GRC条板和相应的预应力混凝土板相比的最主要的优点是重量轻这就大大减少了制品的运输、装卸、安装的费用。因此对于高层建筑的地基及上部结构的设计如果考虑GRC重量的优势就有可能节约很大的建筑费用。GRC外墙挂板的其它的显著优点是具有好的耐久性、耐化学腐蚀性、不燃性以及好的隔声、隔热性能。GRC被广泛应用于建筑和土建工程领域中其主要制品包括:外墙挂板永久性模板石板瓦屋面挑檐屋面顶盖顶蓬柱廊屋顶墙间的通道遮阳板人造石排水沟街道设施花盆拱顶栏杆箱梁4电缆支架温室墙壁圆形屋顶围栏天沟声障板带状构件该指南的设计要素是以极限状态理论为基础由此设计的GRC制品能够满足时的极限状态同时满足使用合理的部分安全系数的极限状态的适用性。指南还引用了一些设计实例来证明使用部分安全系数。条款和定义外加剂:加入一种材料对水泥浆体和砂浆进行改性。气密性:空气通过一种材料的流动速率。耐碱(AR)玻璃纤维:由玻璃拉制而成其氧化锆的最小含量为该成分的主要作用是提高纤维在碱性水溶液的耐腐蚀性能。温度:物体周围空气的温度。锚件:用于立柱框架系统中固定GRC面板的配件它包括重力、柔性、地震锚件。人工老化:将试验试件在模拟的自然气候条件下(使用加速的试验方法)。底层:含有纤维和水泥浆体的GRC层其厚度必须等于或大于设计的厚度。袋式和斗式测试:校准GRC喷射设备的非常重要的方法。粘结垫块:一种GRC材料制成的附加的覆盖层确保锚件和GRC主构件固定牢固(典型的如外墙挂板)。抗拉初裂强度(BOP):即当GRC试件在直接拉力测试中当应力应变曲线偏离直线变化时的应力。碳化:二氧化碳与氢氧化物或者氧化物之间的反应形成碳酸钙特别是在水泥浆体或砂浆中二氧化碳与氢氧化钙发生反应产生碳酸钙。GRC能有效地碳化反应的发生。特征性能:置信度在以上的性能的数值。短切纤维:非连续、多股玻璃纤维原丝它是在喷射过程中通过切割无捻粗纱而得的。外墙挂板:一种轻质、非承重的GRC预制建筑构件通过喷射工艺生产包括内墙及外墙板。密实:将GRC的面层料或底层料通过振动、敲击、辊压等其它方法将料浆中的气泡减少到最小的过程。混合物:由两种或两种以上的材料组成它们构成一个有机的整体例如GRC。试块:测试的试件。徐变:在持续荷载的作用下尺寸和形状随时间发生变化。养护:保持GRC制品周围的湿度使制品能充分水化。干养:在GRC拌合料中加入一定量的丙烯酸聚合物的养护方法。干容重:烘干后试件的每立方米的重量。E玻璃纤维:大量用于塑料的增强中的硼硅酸盐玻璃纤维但是不推荐在普通水泥浆中使用。5风化:盐类的沉积物通常是白色的在制品的表面形成。这种物质是由GRC面层和底层拌合料中水分的蒸发而发生的沉积现象。工程师:负责设计GRC制品的人员或专家。面层:在GRC最外层不含纤维但有装饰集料和常用的颜料。纤维:玻璃单丝通常平均尺寸在微米直径不小于微米。纤维含量:纤维占总的组份的比率通常用百分含量来表示可以是重量比也可以是体积比。柔性锚固:在立柱框架结构中GRC条板和支撑立柱框架之间的钢联接件它们通常设计为横向固定仅仅是为了抵抗风力和地震的影响同时允许GRC绕垂转动。玻璃纤维的掺量(WF):玻璃纤维的重量和未养护的GRC的重量的比率(或百分比)要求比率为..。重力锚固:立柱框架结构中GRC条板和支撑立柱框架之间的钢联接。它们通常设计为支撑GRC条板的全部重量它们被安放在靠近GRC条板底部的。GRCGRFC:玻璃(纤维)增强混凝土。GRCA:玻璃增强混凝土协会。AMS:GRCA备案体系它是对生产商的生产能力的评估。生产商提供必需的资源和设备来满足生产GRC产品的质量水平。高剪切搅拌机:在喷射工艺中能将细砂和水泥浆体充分搅拌均匀具有较高剪切力的搅拌机。LOP:比例极限(抗弯等)指的是应力应变曲线在直线上的转折点。基材:加入各种不同掺量的集料或玻璃纤维的水泥浆体。MFFT:最低成膜温度(例如丙烯酸聚合物)。罩面涂层:不含玻璃纤维的最表面的浆体。MOR:断裂模量(抗弯)在四点弯曲测试中的极限弯曲应力。预拌GRC:在搅拌过程中将预先切割好的玻璃纤维和水泥浆体混合的生产工艺。预拌搅拌机:具有二级搅拌功能的搅拌机第一级是先搅拌细砂和水泥浆体第二级是将料浆和短切玻璃纤维混合搅拌。聚合物改性GRC:加入热塑性的丙烯酸聚合物对GRC进行改性一方面使GRC能够干养另外一方面能提高GRC的性能。生产商:签订生产GRC产品合同的人或专业人士。买方:购买GRC产品的人或专业人士。无捻粗纱:由若干股连续玻璃纤维原丝不经加捻直接平行分股集束而成。无捻粗纱号数:指米长度短切纤维的克数。砂灰比:所有砂的干重量和水泥干重量的比率。夹心板:在预制条板的二层中间有一层隔热层。网格布:由耐碱玻璃纤维原丝编制网格尺寸大于mm用人工铺在GRC层内起到增强作用。地震锚固:金属棒或平盘它的作用是将地震对条板表面产生的荷载传递到立柱框架。极限状态的适用性:指GRC条板在使用时的状况。当核查GRC是否符合极限状态时通常主要是在指极限的允许偏差。坍落度试验:测试水泥浆体的稠度的试验方法。6喷射GRC:喷射胶结浆体的同时喷射短切玻璃纤维来生产GRC产品的生产工艺。加强肋:在GRC表面进行局部加厚以提高条板的硬度和强度。立柱框架:一种框架结构通常是钢结构通过柔性锚固和重力锚固来支撑GRC条板这种框架直接安放在承重结构上。塑化剂:一种高效减水外加剂不需要额外加水就能大大提高水泥浆体的流动性。供应商:供应产品或提供产品服务的人或专业人士。试验板:在生产GRC时用来评估GRC产品而制作的测试板。如果有可能测试板应该是产品本身如果不是测试板应该是在生产GRC产品的同时或采用相同的方法制作而成这样才能真正代表GRC产品的质量和厚度。试验板的平均值:一个试验板得出的各个试验结果的算术平均值用于统计分析该平均值只能代表一个结果。试验试件:从试验板上取下来的试件用于测试GRC板的各项性能。试验试样:所有从试验板上取下来的试件用于测试试验板的各项性能。允许偏差:对的性能所能允许的误差如尺寸和强度等。抹面:用抹刀将模板或模具中的GRC表面抹平。极限状态:就是指时的状态使用部分安全系数来核查GRC拌合料及所受荷载是否符合极限状态。水灰比:总的用水量(包括聚合物和塑化剂中的水)和水泥干重量的比率。7GRC的类型GRC是一种复合材料它是由水硬性的普通硅酸盐水泥和细集料组成并用耐碱玻璃纤维来增强。由于GRC的定义很广所以在材料的配比和性能、生产工艺上就会有很大的差异这样我们就可以生产出不同性能的GRC制品。GRC制品的原材料的性能、配合比和生产工艺之间是息息相关的。GRC的性能在很大程度上是可变的。它受GRC生产的工艺、配合比、纤维的类型、长度和方向以及所使用的外加剂的种类等因素的影响所以GRC材料的性能是可以根据具体的应用范围来进行调整的用以满足不同场合的使用需要。在本指南中的数据主要引用的GRC材料:集料:水泥为:耐碱玻璃纤维的掺量为~采用的是喷射和预拌工艺。GRC中可以掺入其它的填料或外加剂。GRC材料已经被广泛使用了许多年它们的性能和特性也被人们深入研究和广范的接受。GRC也可以说是由许多复合材料组成其内部的水泥砂浆有较高的抗压强度而掺入纤维增强后又大大地提高GRC的抗冲击性、抗弯和抗拉强度。GRC材料的增强可以通过基材随机地分布在整个GRC中而增强混凝土它内部的增强钢筋主要铺放在抗拉区域并预先布置好离开混凝土表面有一定的距离确保有一定的钢筋层。这就意味着在实际应用中GRC可以当成一种匀质材料进行设计。GRC制品非常安全具有较好的耐化学腐蚀性能不会生锈也不会腐烂。它是由无机材料制作而成的所以也不会燃烧并只会放出极少量的烟雾。它具有极好的耐火性能。但是由于条板的厚度较薄需要加入其它的材料来确保GRC的绝热性能。在一些情况下GRC中会掺入一定量的丙烯酸聚合物但这对GRC的耐火性能只有很轻微的影响。GRC的横截面一般相对比较薄通常厚度在~mm之间这样制品的重量就很轻和传统的混凝土制品相比在装卸、储存、运输和安装上就能节约许多费用。生产GRC有二种主要的工艺。即:()喷射工艺:采用人工或机械的方法将纤维和料浆同时注入模具中接着用抹刀或辊子将GRC料浆压实。通过喷射工艺生产的典型的制品有:建筑外墙挂板、导水管、储水槽、饰面构件、管道以及永久性模板等。图在模具中喷第一道雾状薄层8图向模具内喷射GRC图使用锯齿形的辊子压实GRC图测量GRC的厚度9(a)(b)图()预拌工艺:将玻璃纤维预先切割好接着在搅拌机内将纤维和其它原材料充分搅拌均匀并将料浆倒入模具中通过振动成型挤出成型或注入成型等工艺来生产GRC制品。如图(a)和(b)所示。这种生产工艺十分通用通过使用多种模具在很短的时间内生产小型建筑制品十分理想。生产工艺及原材料的选择原材料、配合比的设计和使用的生产工艺取决于所要生产特定性能的制品它和工程设计也息息相关。选择配合比设计时可以在以下方面进行改变:纤维的类型和掺量、灰砂比、水灰比、聚合物含量。通过改变料浆的组成和纤维的掺量就可以生产出不同物理力学性能的GRC产品。这些不同的物理力学性能必须由设计者和生产商加以考虑在工程应用中才能选择好的合适的GRC制品。耐碱玻璃纤维耐碱玻璃纤维经过特殊处理它在水泥中具有很好的耐碱性能和强的耐久性能。水泥浆体具有很高的碱性(pH值通常在)对于玻璃纤维有很强的腐蚀。用于塑料制品增强的E玻璃纤维在水泥浆体中很快就会被。经过特殊处理的耐碱玻璃纤维尤其是掺有一定量的氧化锆能抵抗这种腐蚀的。实验表明耐碱玻璃纤维中的氧化锆的含量至少要达到这种耐碱玻璃纤维才具有足够好的耐碱性能。10耐碱玻璃纤维E玻璃纤维图耐碱玻璃纤维和E玻璃纤维的耐碱腐蚀对比。(玻璃纤维在的饱和水泥浆体中浸泡小时)耐碱玻璃纤维最初生产时用的连续单丝直径一般为~微米将这些单丝集束成玻璃纤维原丝。集束时采用涂层被覆并使用不同尺寸单丝。通过改变集束时单丝的数量及尺寸的大小就可以生产出不同性能适合在不同条件下使用的玻璃纤维。典型的耐碱玻璃纤维的性能•单丝的拉拉强度~GNm•原丝的抗拉强度~GNm•杨氏弹性模量~GNm•比重~•原丝断裂点的应变~•单丝的直径~μm以上测试是由玻璃纤维生产商完成。生产GRC制品时主要采用两种不同型式的耐碱玻璃纤维一种是用于预拌GRC工艺的短切玻璃纤维原丝另一种是在喷射工艺中使用的无捻粗纱。短切原丝是将连续的原丝切割成相同长度它保持了原丝的完整性。短切原丝的尺寸和被覆涂层有较好的力学性能尤其是在搅拌过程中不易损坏。无捻粗纱是由若干股连续玻璃纤维原丝不经加捻直接平行分股集束而成通常含有~kg的纤维它在使用时:11()在喷枪中切割同时和水泥基材一起喷射入模具内。()在预拌工艺中进行现场切割。网格布、短切纤维原丝毡和一些缝制的纤维产品也可以应用于需要在不同方向和上增强的GRC制品中。表典型规格性能标准值测试方法测试频率氧化锆含量最小X射线萤光分析每月密度GcmAS每年原丝的抗拉强度~GNmAS原丝每年单丝的直径~μm每吨无捻粗砂的号数由供应商提供的标称值AS每吨切割长度由供应商提供的标称值mm每吨经线密度由供应商提供的标称值实地计数每吨烧失量由供应商提供的标称值或高于每吨原丝在水泥中的强度保留率在()的水中浸泡小时后最小值为Nmm玻璃纤维在水泥和砂浆中的强度保留率测试方法GRCASO年月每月水泥在GRC生产中最普遍使用的水泥是普通硅酸盐水泥(OPC)、快硬硅酸盐水泥(RHPC)和白色硅酸盐水泥。它们应符合相应的国内或国外标准。欧洲水泥标准最近已经发布该标准等同于英国水泥标准(CEMI~CEMV)。快硬硅酸盐水泥的化学成份和普通硅酸盐水泥的基本相同只是前者磨得更细一点所以在水化初期的强度增长更快些。白色硅酸盐水泥是在生产时使用只含有极少量的铁质的原材料。当GRC产品表面需要白色或浅颜色的场合时就可使用白色硅酸盐水泥加一定量的铁质颜料。其它水泥例如高铝水泥、抗硫酸盐水泥、快硬水泥也可以用于某些场合但也必须符合相应的标准。所以在选择水泥使用时必须应注意将不同性能的水泥应用于合适的GRC制品中同时也要符合相应的规范要求。水泥的正确储存也十分重要水泥的储存区必须保持干燥。潮湿的空气和直接接触水、气的场所都会对水泥有害。储存在容器或料仓中的水泥一般可以保存个月以上。水泥通常装在层纸袋中在保存较好的条件下经过~周后强度会下降左右。因此袋装水泥经过运输或储存到期后就应立即使用完。12砂细集料或砂应该用水洗干净并将水份去除至干燥这样才能准确控制水灰比。砂的颗粒形状应是圆形或不规则形状砂的表面应该光滑不能是蜂窝状。对于喷射GRC集料颗粒的最大尺寸通常小于mm对于预拌GRC集料颗粒的最大尺寸可以达mm。两种生产工艺中的集料都应过微米的细筛其中细颗粒部分最好小于砂子总重量的。石英砂也被大量使用典型规格如下:二氧化硅的含量含水率可溶性盐类烧失量硫酸根离子最大浓度ppm氯离子最大浓度ppm对于使用含水率较高的砂使用则先应测出其含水率然后将配合比进行相应调整。如果使用的不是石英砂而是其它砂生产商应提供所使用砂的合适的依据。千万不能使用软质建筑用砂因为它会降低制品的力学性能。砂中的二氧化硅的含量没有必要高达。有些砂的二氧化硅含量虽然低但质量较高同样适合生产GRC。砂的烧失量也可以高于所使用的砂应是质地坚硬、没有粉末的(这种砂具有很好的力学性能并具有一定的级配)而粉碎的砂则会提高料浆的需水量不易发生化学反应、由于形状相似不易产生好的级配。面层拌合料中的砂或集料当使用面层拌合料来生产建筑饰面制品时需要使用一些特殊的集料和砂。集料的颜色对于整体的饰面尤其重要它的级配和GRC拌合料中的砂的级配不同后者通常使用~mm的砂而前者在喷射工艺中浇注和振动时砂的最大尺寸可以大于mm。由于面层拌合料的配合比和底层拌合料的不同考虑到两者的收缩大小不一致因此可以通过调整拌合料中的水泥掺量来实现。一些石子如石灰石、花岗岩、长石、方解石或大理石等经破碎加工后都具有一定级配也都十分适合作为面层拌合料中的集料使用。外加剂我们也提倡使用一些外加剂如塑化剂、超塑化剂它们可以用于提高GRC的性能。在生产GRC时标准混凝土外加剂或其它一些特殊外加剂必须正确加以使用。在GRC拌合料中加入外加剂后通常具有以下效果。在生产GRC制品时:•在不增大水灰比时提高料浆的工作性•提高料浆的内聚力•减少离析•减少搅拌时间13•延长凝结过程•加快凝结过程硬化后的GRC的性能•提高早期强度增长率•提高强度•降低渗透性外加剂的掺量很低因此生产商必须使用时的合适掺量才能产品的质量。如果GRC制品中有钢筋(或固定件)就不能使用含有氯化钙的早强剂否则会造成钢筋腐蚀。丙烯酸聚合物水硬性制品必须在一定湿度条件下养护才能确保水泥完全水化。这对于较薄的GRC制品尤其重要。推荐的养护制度是在相对湿度在的条件下养护天。在很多情况下如果工厂没有足够的空间这种制度就很难实现了。在GRC拌合料中加入丙烯酸聚合物后可以实现制品的干养护它有助于提高制品的性能尤其能够减少制品表面的裂缝。在GRC拌合料中加入推荐掺量的丙烯酸聚合物后在养护初期的几个小时内就能在基材内部形成聚合物膜这种聚合物膜能够降低制品的渗透性因此可以减少制品水份的蒸发确保水泥有充足的水份使其完全水化。表聚合物标准规格化合物的类型水溶性、热塑性聚合物聚合物类型丙烯酸类最低成膜温度~固体含量~外观乳白色、没有结块机械稳定性好耐碱性好水水应该是洁净的没有杂质的并应符合混凝土拌合水的相关标准。通常可以使用饮用水。火山灰质材料粉煤灰、矿碴、偏高岭土和硅灰都是一些具有火山灰活性的材料它们有利于提高GRC的性能。在水化过程中火山灰质材料会和游离的氢氧化钙发生反应生成其它水化产物。颜料在生产彩色GRC时可以加入一些粉状的颜料或可再分散粉末。颜料通常为氧化铁类但应符合相应的国内和国外的标准。这些颜色通常都不是很刺眼的如彩色遮光板在工程上就使用得14很成功。我们也期待着在这方面有更进一步的发展。涂料、表面层、粘结剂对于GRC制品也需要使用一些合适的涂料和粘结剂。选择这些合适的涂层产品也十分重要通常在混凝土上设计的涂层产品完全能够满足GRC制品的涂层性能的需要。一般说来使用的涂料要求有一定的透气性能。生产商推荐的对GRC表面的处理和涂刷底漆的工艺应该严格遵守。工程应用GRC作为是一种功能性和装饰性的材料已经在建筑上和土木工程领域大量应用。GRC同时也是一种备受关注和耐久性好的饰面材料它可以浇注成各种复杂的外形和断面它十分适合在现代建筑物的外部快速安装和使用这种轻质、预制的外墙挂面板。GRC条板和相应的预应力混凝土板相比的最主要的优点是重量轻这就大大减少了制品的运输、装卸、安装的费用。因此对于高层建筑的地基及上部结构的设计如果考虑GRC重量的优势就有可能节约很大的建筑费用。GRC外墙挂板的其它的显著优点是具有良好的耐久性、耐化学腐蚀性、不燃性以及好的隔声、隔热性能。下面介绍一些工程实例:图建筑外墙挂板图工业用外墙挂板图建筑特色图遮阳板图抹灰在土木工程、农业及景观设计方面利用了GRC的许多的性能特点如显著的耐侯性、薄的断面却具有较高的强度、易于运输、在使用寿命期间免于等。15图人造石图隔声屏障图管道和排水管图永久性模板图建筑制品图街道设施图下水道内衬图多功能箱体GRC的优点可以总结如下:•吸引力和多功能:能制作出细致的表面和饰面是对其它建筑风格的补充。•轻质:易于运输和安装减少地基和上部结构的建设费用。•较好的耐化学腐蚀性能•不会腐蚀或腐烂•较好的抗紫外老化性能耐高温、适于干燥•好的抗冻融循环性能16GRC的物能GRC不是一种单一材料它的性能是可以进行调整的使得以满足不同的需要。因此在GRC设计过程中我们必须认识到这一点可以根据材料的物能对GRC进行分级。GRC的物能取决于水泥浆体的组成纤维的含量、生产工艺及养护的方法。GRCA根据材料的天抗弯强度将GRC分为个等级。分别为、、级它们之间有很大的区别下图为三个等级的荷载和挠度关系图。图不同等级GRC荷载和挠度关系图选择合适的等级要根据制品的应用与工程设计相一致但也不能夸择等级的重要性。配合比及纤维含量的影响最简单GRC配合比中是由水泥、砂、水、塑化剂和耐碱玻璃纤维所组成。使用火山灰质水泥(磨细粉煤灰)来替代水泥在许多国家很普通。丙烯酸聚合物乳液也被大量用于干养护。颜料也和传统混凝土一样可以加入GRC中用来调配各种不同的颜色。根据强度性能的影响在GRC中使用的耐碱玻璃纤维的质量和型式是一个重要的因素这和纤维的生产工艺有关。喷射GRC是一种强度很高的材料玻璃纤维的典型掺量为~长度为~mm。通过预拌工艺(振动浇注成型)生产的GRC玻璃纤维的典型掺量为~长度通常为~mm。抗弯强度概要17抗弯强度对GRC来说也许是最重要的物能。抗弯强度是测试最频繁的性能也是在大多数GRC设计中最基本的性能。而混凝土测试和设计中用得多的是混凝土抗压强度如CGRC是根据抗弯强度进行分类。其中级的意义是:GRC的天特征抗弯强度(断裂模量)为Nmm。抗弯强度受很多因素的影响如玻璃纤维的掺量、配合比、生产工艺和养护方法所有这些都非常重要。抗弯强度的结果不能凭空想象对于生产商来说对该性能的测试是产品质量的重要措施之一。测试方法GRC的抗弯强度的测试采用四点弯曲试验方法。测试方法可参见:“GRCA关于玻璃纤维增强水泥材料的测试方法”以及以下标准:BSENPARTS和、ASTMC(修订版)表天的测试结果GRC类型LOP(Nmm)MOR(Nmm)喷射工艺~~预拌工艺~~抗拉强度概要以往的经验表明GRC试样的抗拉强度的测试结果很难有可重复性由于这个原因抗弯强度的测试显得更为重要。在常规质量控制中通常不对抗拉强度进行测试。测试方法虽然在许多文章中对抗拉强度的测试方法进行了研究但仍没有一个标准的试验方法。表测试结果GRC类型BOP(Nmm)UTS(Nmm)喷射工艺~~预拌工艺~~抗剪强度概要虽然对于许多制品来说抗剪强度在设计上是一个非常重要的因素但抗剪强度的测试仍不是一个常规的试验方法。尤其是在固定时有支撑的永久性模板、含带肋的单层外墙挂板中。试验方法没有专门的试验方法来测试抗剪强度。18表测试结果GRC类型冲击剪切(Nmm)水平剪切(Nmm)层间剪切(Nmm)喷射工艺~~~预拌工艺~~~收缩和徐变概要收缩所有水泥基的材料当它们处于干燥或潮湿的状态时其尺寸都容易发生变化。这些材料经过生产和养护后当开始干燥时它们相对于原始尺寸出现尺寸收缩。而材料一经潮湿后体积又发生膨胀但却恢复不到原始的尺寸。因此在初期出现一部分不可逆转的收缩接着由于受水泥中含水率的影响又出现一部分可逆转的收缩。在GRC中不可逆转的收缩占总收缩量的~。在灰砂比为:的GRC拌合料中不可逆转的收缩为而最终总的收缩值约为。收缩和湿度的变化的关系图如下。图a湿度的变化对收缩的影响需要注意的是以上讨论的较大的可逆转的收缩是要试验室的条件下试件完全干燥和充分浸泡的情况下测得的而实际上虽然相对于原始尺寸的有效收缩的平均值的上下有一定的波动但在日常的气候条件下不会出现如此大的收缩。而材料的含水率和材料周围的相对湿度是相关的因此我们可以很方便地使用相对湿度来表示材料的尺寸的变化。图a表示的是纯水泥的GRC在各种相对湿度的条件达到完全的干燥平衡后的可逆收缩(来自于公开发表的数据)。19图(b)测试方法BSEN测试结果根据配合比的不同最终总的收缩在以上。设计值在设计过程中尤其是在设计制品的固定时充分考虑GRC较大的收缩和含水率的变化是最基本的通常在拼缝和固定设计中制品允许的尺寸收缩值为mmm。抗冲击性概要GRC的抗冲击性能较好当出现后也只发生在局部区域。GRC中的纤维能够裂缝向未受力区域的进一步扩展。这些通常能够修复对GRC制品没有多大的损害。当许多长的纤维断裂并从基材中拔出时GRC的抗冲击强度就很高而只有少量的纤维从GRC中拔出时这时GRC的抗冲击强度就较低。如果纤维的长度短于临界值在抗冲击时GRC就变成了脆性材料了。测试方法GRC的抗冲击强度测试通常使用摆锤试验机试样的尺寸为宽~mm厚~mm。在这种测试条件下得出的结果一般不能用于任何设计计算但它可以与在相同条件下测试的其它材料的结果进行很好的对比。从比较的结果我们发现GRC和其它类似的材料相比具有较高的抗冲击强度。最重要的是我们应使用生产出的制品来模拟制品在使用中会碰到的情况进行抗冲击测试。20这些测试要专门制定通常设计时包括在落下和摆动荷载的各种不同冲击情况。表天的典型值GRC类型摆锤法抗冲击强度(Nmmmm)喷射工艺~预拌工艺~设计值对抗冲击强度进行计算十分困难一般我们也不计算。如上所述GRC的抗冲击强度较高在设计时通常一个重要因素考虑。容重、吸水率和抗渗性概要标准GRC材料的容重通常在kgm范围内这比普通混凝土的容重要低。由于GRC制品的横截面较薄所以它的重量较轻虽然它可以用低容重的轻质材料来制备但它却不同于这些轻质材料。容重的重要意义不仅仅在于重量这个概念的本身它可以表示材料的质量的好坏。较高的容重意味着加入了更多的纤维更重要的是它表明GRC更为密实使用的水灰比更为合理。GRC的吸水率和表观孔隙率要比普通的混凝土要高许多普通混凝土的吸水率通常低于。这是由于GRC中的水泥含量要比普通混凝土高很多的原因。但是GRC的渗透性却要比普通混凝土大大降低。GRC是一种防水材料它可用于挡水的结构中。GRC外墙挂板在较的条件下可以用来遮挡雨水。测试方法容重、吸水率和表观孔隙率这三项性能可以使用同一种测试方法这种测试方法也可以用来进行常规质量控制。测试的方法为:“GRCA关于玻璃纤维增强水泥材料的测试方法”以及以下标准:BSEN第六部分BS、ASTMC。虽然水蒸气渗透性的测试不是一个常规的测试方法但可采用BS中的测试方法。表天标准值GRC类型干容重(Tm)吸水率()表观孔隙率()喷射工艺~~~预拌工艺~~~耐火性能概要GRC是一种耐火的材料。许多GRC设计的配合比中不含任何有机材料除了只有少量的超塑化剂和在玻璃纤维表面的极少量的粘结剂。这些配比中的材料应符合国内和EU测试标准中的不燃21性的标准指标。为了使GRC能够干养掺加了一些丙烯酸聚合物虽然这种GRC不能列入不燃性材料的范畴但同样也有较好的耐火性能。在可燃性试验中火焰在GRC的表面扩散的速率很高的符合英国建筑规范是的级的要求。在以上所有情况下GRC的烟雾量都很低有毒的烟雾也只有微量。当GRC用于条板制品中时它的耐火性能取决于整个条板的构造。在常规的耐火测试中单层GRC并不能确保整个条板具有很好的耐火性能除非对GRC的配合比进行调整在耐火测试的初期使GRC能轻易出板中的水气。如果设计条板中的其它材料与GRC有协同作用条板的耐火极限能够超过小时。隔声声波通过GRC或隔板时会出现传输损失它们都遵守质量定律。在以下约一半的部分临界频率下声波的传输损失通常仅仅与材料或隔板的质量有关。质量定律有助于在这些频率下对传输的声波损失进行量化。在这些频率下根据质量定律隔墙条板的单位面积的质量加倍或通过给定单位面积质量条板的声波频率加倍声波的传输损失就会增加分贝。图在临界频率下声波通过隔板时的传输损失非常大。临界频率指的是空气中声波的波长等于声波通过隔板或材料的弯曲波长时的频率。因此临界频率取决于所使用的固定体系(见图)。GRC常用于道和铁两边的声障。对于这些声障质量定律并不起作用。GRC在满足最小抵抗风荷载重量的条件下即使增加GRC的面密度隔声的效果也并不明显这主要是由于声音的衍射造成的。在声波的区域范围内障碍物(声障)对声波的波前阵干扰产生声音的衍射。如果声障的面密度高于kgm对提高隔声没有效果(见图)。mm厚的GRC的面密度一般为kgm所以设计GRC条板作为声障材料时GRC条板必须有足够重这样在抵抗风荷载的同时才能发挥较好的作用。GRC声障的作用:22图吸声:在GRC声障板前面有敞开的格子内有吸声材料内部最终层才是GRC层(见图)。图反射声音:GRC声障板的表面做成各种形状这样在GRC内部能结声音进行反射因此能降低声音的强度(见图)。图隔热概要GRC的容重通常在~kgm之间热传导率的在~Wm的范围这取决于GRC的含水率。较高的热传导率意味着GRC自身不是一种较好的隔热材料。但是设计时在不增加整个条板的厚度的情况下可在单面板或立柱框架结构的GRC外墙挂板中加入隔热材料来提高GRC的隔热性能。当需要特别的U值热阻应该由专家进行计算。23防碳化概要一般认为GRC的碳化并不太重要。GRC制品通常不采用低碳钢钢筋进行增强所以不用钢筋层。和混凝土相比GRC的碳化速度十分缓慢一些研究发现:没有任何表明GRC会发生碳化现象。和普通混凝土相比GRC碳化的速度较低是由于GRC的水泥用量较高渗透性较低。以下数据来自于英国水泥协会对GRC用于永久性模板的研究在这个工程应用中GRC通过防止混凝土的碳化来钢铁架的腐蚀。图加速碳化试验热膨胀GRC的热膨胀值为~。在相对湿度最大或最小时其热膨胀值最小。而在相对湿度为~时热膨胀值最大。在设计GRC制品时含水率和收缩的变化应加以考虑。表天的力学性能性能手工喷射工艺预拌工艺断裂模量(MOR)Nmm~~比例极限(LOP)Nmm~~极限抗拉强度(UTS)Nmm~~抗拉初裂强度(BOP)Nmm~~层间剪切Nmm~NA水平剪切Nmm~~冲击剪切Nmm~~摆锤抗冲击强度Nmmmm~~干容重kgm~~吸水率()~~表观孔隙率()~~24和时间有关的长期性能在干燥下GRC的性能很稳定如果GRC材料长时间处于干湿条件下大多数GRC强度会有一定程度的下降。这个结果已经被过。在这种情况下极限抗弯、极限抗拉强度和断裂应变下降至稳定状态。使用的设计应力低于预测的长期强度和基材的开裂强度(LOP)。只要GRC所受的应力低于LOP值GRC就不会出现循环的应力疲劳。一些专门设计的GRC配合比随着时间发生变化性能很少会发生改变。在GRC的设计和安装中很重要的一点是确保固定体系在使用中能适应湿度的变化和热胀冷缩。如果这些很小的变形也被住那么就会产生应力集中GRC有可能会出现裂缝。根据设计和的要求不同GRC外墙挂板或模板的表面应该洁净这和对混凝土的要求极为相似。一些外饰面有一定的使用寿命因些需要进行。图25条板的结构形式在设计的初期设计者必须确定GRC构件应满足其性能要求的最基本的形状。这和选择生产工艺和材料最终使用的固定方法密切相关。GRC条板最简单的形状是单面条板一般厚度在~mm之间。但是根据设计的需要和条板的尺寸要求有可能需要使用更厚一点或强度更高的GRC层。设计建筑工程中使用的GRC层的最小厚度一般不能小于mm。如果条板本身的的形状不能辅助提高条板的强度和刚性为了提高GRC条板的承载力。通常可以使用如下方法:•在条板的背部加入垂直的单层边框。•通过喷射于隐藏的肋模具(例如膨胀聚苯乙烯条)内最终和条板成为一整体肋。•预制冷压成型钢立柱或钢管(立柱框架体系)。•采用夹心构造在GRC中间加入轻质的隔热材料例如膨胀聚苯乙烯。这些方法使GRC实现了更多功能例如增大了抗风荷载时的支撑跨距及便于条板和支撑结构相联接。单层结构形式简单的单层条板对于尺寸相对较小的条板具有一定的形状能够刚性和强度通常使用GRC单层条板在固定部位的厚度较薄这些条板通常是在沿着板的四周加以边框来辅助连接这也有利于提高条板的强度。对于小型构件或异形构件这是一种简单而又经济的方法。(见图)平板波纹板折边板异形板(檐口构件)图单层条板的种类26图单面平板图波纹单层条板含肋单层条板对于大型条板如果不使用钢立柱框架就有必要在条板中加上刚性肋。它的目的是让GRC层远离条板的中轴使GRC层位于抗拉、抗压应力集中区域。这样在条板的中轴上GRC层对条板的强度和刚性的贡献就很小但在拉、压应力集中区域刚性肋却有助于提高条板的强度和刚性。图含加强肋的单层条板在喷射GRC时直接将GRC喷入加强肋的模具中这些模具通常是由聚苯乙烯材料制成的或是预成型的GRC截面。这些加强肋位于GRC条板的四周这样条板在安装连接时就有足够的厚度有些时候加强肋也可横贯整个条板。立柱框架结构如果不使用GRC加强肋也可使用框架结构来条板的刚性大多通常使用钢结构。这种立柱框架结构不仅可以支撑条板而且能够适应条板内部的热量和湿气造成的变形。如果制作大型条板或平板时这种结构形式使用较为普通。这种系统能够满足生产、运输和安装~m的条板。GRC立柱框架外墙挂板是将GRC外墙挂板安装在预制的框架内通常是金属框架用L型柔27性锚件和支撑锚件(也称重力锚固)来固定。有规则布置的柔性锚件可以确保将风荷载均匀地分布到整个条板上。这种柔性锚件可以侧向支撑GRC条板它在一定程度上可以旋转并能够适应GRC由于湿度变化而造成的收缩。而重力锚件是沿着条板的底部进行布置用来支撑GRC自身的重量。选用制作框架结构的材料需要仔细考虑应避免其在使用过程中发生腐蚀。可以使用不锈钢或经过适当处理并有层的低碳钢所选择的材料取决于当地的建筑法规。这种墙面结构中常在条板的内部安装石膏条板在GRC条板和石膏板之间填充隔热材料例如岩棉以墙面具有隔热、和好的耐火性能。图所示为典型的长条形GRC外墙挂板立柱框架结构的布置图。图典型的GRC立柱框架的布置图图中空的长方形预制立柱框架28图典型的柔性锚固具有一定的活动余量图典型的重力锚固及其受力示意图图至所示无的柔性锚件和重力锚件的工作原理。注:这些锚件都指向条板的中心点以减少反方向的收缩应力。图在球形建筑物上使用GRC立柱框架结构29图在仿枕梁结构中使用小型立柱框架图集料的外饰面的立柱框架条板30图门廊建筑中使用弧型立柱框架条板图在阿曼的汽车陈列室中使用立柱框架结构图在美国使用的大型立柱框架条板每一种提高条板的刚性的方法都有其优点但是使用钢制立柱框架结构通常是最经济、最首选的方法。使用立柱框架结构还可以支撑其它的构件例如隔热材料、石膏板及窗框等最终形成一个完整的墙面构造。此外这种构造系统还便于埋设电线、电话线等管。图~所示为使用立柱框架结构的各种工程实例。31夹心条板结构夹心条板是由两块外墙条板组成其内部有一层轻质隔热层材料。这两块外墙条板通常是在其两侧由GRC延边连接而成的。因此GRC完全包裹住轻质隔离层。这种结构形式称为箱式夹心条板结构上下两块GRC外墙板的厚度通常在~mm之间。图图图西班牙的夹心板结构夹心材料有时可以很轻并具有极好的隔热性能例如膨胀聚苯乙烯聚氨酯或异氰酸酯泡沫塑料夹心材料有时也可以很重如掺有聚苯乙烯颗粒的混凝土也具有极好的耐火性能。有极少部分夹心条板使用粘结的结构形式如图所示它内部填充的泡沫材料更为坚硬并成为结构构件的一部分它在内外条板之间能够传递剪应力。由于GRC固定在最大受力区域尤其是受到抗拉和抗压应力因此夹心条板构造能大大提高承载能力和条板的刚度。该构造在一些特殊的情况下使用非常有效但是在外墙挂板结构中却没有大量使用。这是由于夹心条板内外表面之间存在潜在温度差及湿度差会造成夹心条板发生弯曲变形如果条板在形状上以及条板固定后不能发生变形也会发生应力集中现象。图32所示为使用夹心条板构造用于外墙挂板的成功工程实例。图图所示为一些夹心条板但它们的板面都有很小的弧度我们只生产板面平的夹心条板这样能够避免由于温度梯度、湿度的变化和收缩应力所造成的问题。夹心条板构造中不能使用图所示的形状。我们也平面夹心条板的面积不应超过m即mm。33固定系统设计过程中一个主要的步骤就是确定如何安装固定GRC制品。固定系统的参数固定系统的主要作用是确保GRC构件和主体结构的使用寿命同时使构件能适应温度和湿度的变化以及适应主体结构和GRC构件之间的变形。固定系统必须满足如下要求:•能够充分进行调整以适应常规的结构的误差与预期设计的变形。•在所有的中保持GRC的支撑、固定的整体性使GRC所受的局部应力集中为最小确保外力尽可能通过固定传递至整个GRC条板区域。•充分利用GRC强度性能在条板的基面进行支撑并在条板的顶部和底部进行侧向约束。选择如何固定GRC构件是设计过程中的一个重要的环节一般在投标阶段如有可能就必须加以考虑。具体使用哪种固定系统通常根据使用所需要的固定参数尤其是主体结构已经存在时。理论上GRC构件和固定系统应该和主体结构一起设计。接下来介绍常用的固定系统。封装固定:它是在一块GRC内部进行固定。图封装固定通常是在GRC内部有一些带螺纹的孔并在封装底端(常为锥形或使用插销)进行锚固图所示的封装底端为锥形结构。用长度和宽度分别为螺栓直径的倍和倍的实心GRC来封装固定。最小的固定边距应该

  简介:本文档为《GRC实用设计指南(GRCA)pdf》,可适用于工程建筑、房产领。