GRC实用设计指南

GRC实用设计指南------------应用极限状态理论版本：1.0目录术语与符号…………………………………………………………………………………………11.引言…………………………………………………………………………………………2范围…………………………………………………………………………………………2条款和定义………………………………………………………………………………3GRC的类型………………………………………………………………………………6生产工艺及原材料的选择…………………………………………………………………8耐碱玻璃纤维水泥砂面层拌合料中的砂或集料外加剂聚合物水火山灰质材料颜料涂料、表面保护层及粘结剂工程应用……………………………………………………………………………132.GRC的物理性能……………………………………………………………………15配合比及纤维含量的影响抗弯强度抗拉强度抗剪强度收缩及徐变抗冲击性吸水率及抗渗性耐火性能隔声性能隔热性能防碳化性能热膨胀力学性能概要和时间有关的性能3.条板的结构形式………………………………………………………………………24单层结构简单的单层条板加强肋的单层条板立柱框架结构夹心条板结构4.固定系统………………………………………………………………………………………32固定系统规定的参数封装固定粘结固定表面固定隐藏固定辅助固定固定所用的材料5.GRC构件的极限状态设计……………………………………………………………36设计原理部分安全系数破坏的极限状态极限状态的适用性收缩及热应力抗弯及抗剪直接拉力辅助设计SectRib软件SectProp软件前景6.安装的极限状态设计…………………………………………………………………50固定的作用设计原理综述固定的类型极限状态极限状态的适用性立柱框架结构中的重力锚固地震的影响7.设计实例………………………………………………………………………55１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计算破坏与昀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２1引言1.1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昀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３-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制品能够满足破坏时的极限状态，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。1.2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，其氧化锆的昀小含量为16%，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。环境温度：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：将试验试件暴露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能有效地阻止碳化反应的发生。特征性能：置信度在95%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昀小的过程。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。４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昀外层，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13-20微米，直径不小于9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绕垂直面转动。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）。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条板底部的位置。GRC/GRFC：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：昀低成膜温度（例如丙烯酸聚合物）。罩面涂层：不含玻璃纤维的昀表面的浆体。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。无捻粗砂：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。无捻粗砂号数：指1000米长度短切纤维的克数。砂/灰比：所有的砂干量和水泥干重的比率。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4mm，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。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。５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：一个试验板的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：对规定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：就是指破坏时的状态，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）和水泥的干重的比率。６1.3GRC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、长度和方向和使用的外加剂等因素的影响，所以GRC材料可以根据具体的应用来调整，以满足不同场合的需要。在本指南中的数据主要引用的GRC材料：集料：水泥为1：1，耐碱玻璃纤维的掺量为2～5%，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。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，确保有一定的钢筋保护层。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，所以不会燃烧，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一般横截面相对比较薄，通常厚度在10～15mm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：（1）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、