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GRC应用技术研究
GRC应用技术研究
2.1立项理由
2.1.1概述
玻璃纤维增强水泥是建筑业应用较为广泛的一种建筑装饰材料。
玻璃纤维增强水泥(GlassFiberReinforcedcement,GRC)是耐碱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。
它是以水泥为基材,以耐碱玻璃纤维为增强材料,复合而成的新型建筑材料。
玻璃纤维增强水泥英文缩写GRC(以下简称GRC),GRC材料将玻璃纤维的优势发挥得淋漓尽致,如耐高温、高韧性、高强度性、高模量、不燃烧等,这些特性改变了以往水泥和混凝土抗拉伸弱、不易变形、耐冲击性能差等弱点,使其在环境艺术、土木工程、军事工程、建筑工程等领域得以广泛运用。
2.1.2GRC材料国内外研究现状
最早于上世纪40年代欧洲学者对玻璃纤维混凝土进行研究,研究者把耐碱玻璃纤维加入混凝土中达到增强效果。
当时所使用的都是以中碱玻璃纤维为主,通过研究发现这类玻璃纤维在混凝土的碱性环境中很快会被腐蚀而丧失强度,因此当时掺入玻璃纤维的水泥制品耐久性较差。
在1966年,英国研究者Majumder为提高耐碱性而研制出ZrO2含量高达16%的耐碱玻璃纤维,并成功推动了GRC的发展与应用。
1971年,英国皮尔顿公司将抗碱玻璃纤维引入市场并命名为“CemFIL”,玻璃纤维增强水泥基材料才开始正式进入商业应用当中。
20世纪70年代末,德国人建造出首个使用预制GRC构件的壳体建筑物。
此具有突破性试验结构对预制玻璃纤维水泥构件的装配、荷载作用下壳体结构的性能及自然条件下玻璃纤维水泥构件的耐久性等,提供了非常实用的经验。
1979年,技术人员对过去的“Cem-Fil”进行改进并命名为“Cem-Fil2”,广泛使用于市场当中。
80年代初期通过Wellcrete技术在短切纤维中加入连续的长丝纤维进行复合增强,提高了玻璃纤维混凝土在环境湿度较高情况下的耐久性,同时又被称为第二代玻璃纤维混凝土,使其能够应用在承重构件上增加了可行性。
我国是对GRC材料进行研究较早期的国家之一,20世纪50年代,研究技术员把无碱或中碱度玻璃纤维作为增强筋材应用于GRC产品制备当中。
由于硅酸盐水泥水化时析出物Ca(OH)2对玻璃纤维的侵蚀问题仍旧没解决而被政府部门禁止使用。
70年代中期中国建筑材料科学研究院重新对GRC进行研究开发,既研究耐碱性高的玻璃纤维,又从降低水泥基材碱度的方向进行研发,两个方向的相关研究直到80年代中期皆获得一定成果,使得GRC在国内能够再次进入应用领域当中。
研究结果表明,耐碱性玻璃纤维和低碱度硫铝酸盐水泥共同配制成GRC,无论在高温潮湿或在日晒雨淋的环境中,其耐久性相比于耐碱玻璃纤维和传统的波特兰水泥制成的GRC有明显的提升,因此也被称为具有中国特色的“双保险”GRC技术路线。
由于专用于玻璃纤维混凝土的低碱度硫铝酸盐水泥产量极低,导致生产成本较高,这使得玻璃纤维混凝土的推广和应用受到限制。
所以急需对耐碱玻璃纤维增强混凝土性能进行深入研究,研制一种高产量、经济性好的低碱度水泥以改善GRC的耐久性。
建筑构件的材料长期使用耐久性能是技术人员考虑的首要工作,是建筑有良好的使用寿命和安全性的前提。
相关研究表明,虽然玻璃纤维掺入混凝土中能够提升混凝土的物理性能,但是同时也出现在长期使用过程中玻璃纤维在水泥基体中被碱性环境腐蚀损伤的问题,这样使得玻璃纤维在水泥基材料的耐久性受到质疑。
随后研究人员通过多次研究和验证,总结出一系列改善玻璃纤维在混凝土中的耐久性问题。
目前主要采用改善技术手段有:
(1)研究提出通过改变耐碱玻璃纤维的组成成分,比如Majumdar合成出的耐碱玻璃纤维Cem-fil含ZrO2含量达到16%,杨梦初等研发出的代号为ER-13的抗碱玻璃纤维,其氧化锆ZrO2含量为14.5%和氧化钛TiO2含量为6%。
(2)对玻璃纤维外表面进行耐碱处理,经耐碱性处理后的玻璃纤维外表面会附上形成隔离层,使得玻璃纤维与水泥基材料两者间没有直接接触,一定程度上保护玻璃纤维以免被水泥基材料中碱性质腐蚀,使玻璃纤维能够很好的发挥其增强作用。
(3)对水泥基体材料进行改性,把聚合物或矿物掺合料加入水泥基材当中以降低水泥基材的碱度,另外可用玻璃纤维混凝土专用碱度较低的水泥。
曹巨辉研究表明,通过掺入活性掺合料能够有效改善以普通硅酸盐水泥为基体的玻璃纤维混凝土的耐久性。
随着研究的进一步拓展,硏究者们对GRC材料的前景十分看好。
黄少球,黄哲兴在《前景无限GRC》一文中总结了GRC复合材料的优点:
"材质控、抗拉强度高、抗冻性好、抗裂性好、湿度变化能力强、耐火性能好、抗冲击强度高、耐温、可塑性好"等诸多特点,同时还谈到GRC材料的环保特征,隔声效果好,并有防磁性、制作过程也安全无公害。
王燕谋认为,伴随GRC材料性能上的改进与提升,其应用领域得到拓展,"在建筑工程、土木工程、水利工程、交通工程等领域有着广阔的化用空间,尤其体现在建筑装饰工程上。
文中还提到,GRC幕墙板、轻质GRC多孔隔墙板、轻质GRC平板、外墙内保温板、网架屋面板、永久性模板、外墙外保温板、吊顶板折板等多种类型的GRC制品均在诸多领域已经发挥了极其重要的作用。
张巨松,曾优对GRC永久性模板进行了试验研究,董亮在《免拆模板复合剪力墙粘结性能试验研究和数值模拟》中对GRC保温板的用途、种类、应用领域、方法等做了详细阐释。
曲俊义,刘艳萍在《复合剪力墙体系及GRC免拆模板为学性能的试验研究》一文中认为GRC轻质多孔隔墙板具有轻质、高强、防火、防水、抗冲击和安装方便、经济实惠等优点,"尤其是其经济实用性,性价比极高,安全环保,值得在建筑装饰领域大力推广。
蔡中民则总结了GRC屋面板的几种应用类型即钢网架屋面板、用于球形网架屋面的三角形GRC网壳板、普通简洁的GRC挂板、S-GRC轻型折板、以及保温屋面板和波形板。
杨嗣信则总结了在北京西客站、北京友谊宾馆、长春"一汽"、沈阳客车厂、抚顺乙烯厂、南京"南汽"、北京中国大饭店和南京水科院等单位钢网架屋面板具有重量轻、初性离、防水性好和节省材料的几大优势。
溫新辉提出了GRC波形板吸水率低、抗冲去力高、抗折强度大和不透水性好等优势。
另外,研究者们对GRC材料的施工工艺也进行了归纳梳理,目前装饰应用的其主要工艺类型如预混德筑工艺、预混喷射工艺、注模工艺、喷射工艺等,其中应用最广的是喷射工艺和预混工艺。
学者们对GRC材料的应用领域与应用工艺的研究成果愈来愈多。
如行业工程师高鸣的《GRC:
建筑表皮成就建筑艺术之美》对GRC材料的特性进行了深度分析,他重点探讨了建筑幕墙在各类建筑中的应用,极力倡导GRC外墙的运用满足设计师对建筑空间的想象。
他还就天津港项目进行了具体研究,他提出的诸多观点以及一些典型案例的详尽分析对中国GRC行业观念创新、技术发展、工程应用都起到了一定的借鉴作用。
崔琪在《GRC外装饰板的制造工艺与材性研究》一文中提到了GRC外装饰板的独特制造工艺,即用传送带式一次连续布浆、真巧脱水与雜压海压密实制逐,然后用压化海实现压化处理,施工工艺极具创意且有突破,给GRC外装饰板的制造工艺提供了参考。
中国建筑材料科学研究总院的崔玉忠对GRC外墙板在旧建筑的原貌重现与内部重新装饰方面的特殊功效做了分析,他指出,GRC外墙板在旧建筑中的应用,对旧建筑还原与保护起到了很好的效果,伴随我国建筑结构体系的调整,GRC外墙板生产技术与应用工艺的成熟,GRC制品应用领域愈加广大,其应用前景十分看好。
纵观国内外研究成果,一开始学者们聚焦GRC材料的由来与发展,及对其性能改进的反复推敲,归纳其应用特点,而后集中于GRC材料的应用研究。
研究思示,GRC材料具备自重轻、抗冲击性好、立面造型丰富等特点,一致认可GRC材料制品在建筑装饰造型上的独特优势,也充分肯定了GRC材料的应用方面的安全便捷实用性强。
GRC材料制品在国内各工程领域都有广泛使用。
玻璃纤维增强水泥在技术应用中存在如下不足:
(1)GRC构件耐久性不足
玻璃纤维在普通硅酸盐水泥中受到侵蚀的主要原因是水泥水化产生的Ca(OH)2会与玻璃纤维的硅氧骨架发生不可逆的反应,反应形成了CSH(I)类型的水化硅酸钙。
当水泥完全水化时会产生20%左右的Ca(OH)2,还会放出少量的KOH和NaOH,这两种产物会加速玻璃纤维与Ca(OH)2的反应。
同时,水、蒸汽和水泥水化产物均可在玻璃纤维的缺陷部位造成应力集中,使得缺陷扩展造成对玻璃纤维的侵蚀。
(2)GRC构件易开裂
由于GRC构件壁薄,灰缝所用的砂浆的膨胀系数与GRC所用水泥不同,并且砂浆的饱满度不够,或者预留的伸缩缝过于宽,导致一些地方砂浆结合面较小,无法维持粘结的应力,另一些地方构件又挤在一起,承受了较大的内部应力。
当环境温度、湿度变化时,由于受力不均匀一些构件发生膨胀或收缩,这种现象会加剧构件之间的不均衡应力作用,当应力超过构件之间的粘结强度时或者构件自身承受力时,就会引起GRC线条沿灰缝的开裂和鼓胀。
裂缝的出现造成线条分节明显,影响外饰画效果,同时破坏了构件的防水构造,威胁到内部焊接件的牢固性和持久性,带来安全隐患。
(3)GRC构件渗水问题
外墙面GRC线条由于造型复杂多变,经常会有积灰的部位,这些部位如果不及时清理,在遇到雨天的情况,灰尘便会随雨水渗出,由于构件一般采用浅色饰面,污水便会在GRC线条上留下条条污迹印,影响建筑物的外观。
这个问题一般是因为,GRC线条在后期饰面时往往会在上缘做防水找坡,最外端下缘出会做滴水处理,然而这些施工细节往往被有意无意地忽视了,只是在雨水落在线条上形成无组织排水,将全部线条打湿。
综上所述,本项目主要针对以上GRC应用技术上存在的一些问题,提出相应的解决措施。
本项目拟通过选择低碱度的水泥和耐碱玻璃纤维,提高GRC的长期性能。
研究GRC构件施工工艺改进对GRC构件开裂和渗水的问题的影响,能够有效的提升桥兴在竞标方面的优越性。
2.2可行性分析
(1)GRC技术应用符合国家产业政策及市场需求
总体上看,作为一种综合性能优良、使用范围广的建筑材料,GRC已经在四十多个国家和地区都有生产,GRC制品的年产量估计为45万吨左右。
其中以日本的大概占到了25%,美国CRC产量占全球接近20%,在欧洲GRC产量占全球接近20%,其中德国的产量又占欧洲的一半。
在亚洲,我国CRC行业的规模也在不断扩大和升级,年产量已达到4万吨。
所以,本项目的研究满足市场需求,意义重大。
(2)GRC技术应用经济绿色环保
GRC的生产过程不排放任何有害物质,也无需任何高温高消耗的制作环节,原材料不含有放射性核元素,是绿色环保的建筑材料。
GRC产品进行脱模的时间仅仅需要4个小时,养护24小时后即可安装使用,养护周期短。
GRC的现场加工比石材、铝板等更加简易,可根据实际情况和具体要求,在施工现场进行作业。
GRC构件在现场批量制作后可直接进行安装施工。
(3)与高校开展合作,理论实践结合
广州番禺桥兴建设安装工程有限公司作为一家高新技术企业,有着丰富的施工经验,同时与高校开展产学研合作,在理论上又有了一定的保证,具备相应的研究条件,可以开展研究,并取得一定的预期效果。
3.1研究目标
1.完善GRC构件成型工艺,提高GRC构件的耐久性。
2.研究提升GRC构件施工工艺技术,减少GRC构件的开裂、渗水等问题。
3.2研究内容
1.GRC构件成型工艺方法的研究
GRC构件成型工艺方法的研究,首先开展原材料的选择、配合比设计,进行GRC构件成型工艺方法的研究。
研究GRC构件成型中分别采用喷射工艺、预混工艺、铺网抹浆工艺,不同玻璃纤维的种类(普通玻璃纤维和高锆玻璃纤维)对GRC强度的影响。
研究玻璃纤维的长度和含量对搅拌工艺的影响,观察是否有结团的现象。
进行不同组水胶比试验,通过水泥的工作性能和力学性能,以及成本分析来验证配合比设计方法的可行性。
2.GRC施工工艺方法的研究
对GRC构件施工工艺进行研究。
GRC柱式安装时,研究基层抹灰平整度对于GRC立柱安装质量的影响。
分析比较GRC构件在安装连接时采用膨胀螺栓连接和焊接的方式对GRC构件耐久性的影响。
比较焊接处涂刷防锈漆对于焊缝质量的提高,现场表面喷涂时,喷枪和喷漆表面角度不同,喷枪的移动速度的不同对吊顶工程质量的影响。
通过GRC构件主龙骨安装时主对龙骨的型号、规格、尺寸进行比较,来确定主龙骨的最终规格,从而达到吊顶安装的最终精度。
研究GRC吊顶板安装时从中轴线开始安装,依次向两边推进施工的误差对于工程装饰的效果。
3.3项目实施的组织形式
(1)工程项目管理概况
广州番禺桥兴建设安装工程有限公司一向重视工程管理,将工程质量视为企业生存之根本。
公司对本项目都实行全过程的专业化管理,指定一位专职项目经理,负责本项目全过程,其中主要包括:
制定工作进度表和工程实施计划书,组织和协调项目工程组的工作、解决工程中存在的问题并接受用户的监督、制定工程验收文件和整理、汇总技术文档等。
(2)施工组织和应对措施
广州番禺桥兴建设安装工程有限公司对重大工程项目采取分层管理方式。
本节重点描述项目组织结构,及相关各工作组的岗位设置、岗位职责及人员安排,以便于做到责权明确,科学管理。
项目经理:
从工程项目实施队伍组建之日起,就承担了将合同范围内的各项工程任务全面完成的重要职责。
项目经理须做好日常资源管理工作,并直接控制项目管理计划的各个要素。
项目质量主管:
其主要质量职责和权限是:
协助项目经理制订本项目的质量工作计划,并贯彻实施:
贯彻公司的质量方针、目标和质量体系文件的有关规定和要求:
负责对工程任务全过程的质量活动进行监督检查,参与设计评审和其他重要的质量活动。
工程协调组:
其主要职责是:
负责商务方面的一切事宜:
负责做好设备、系统等各类资源的管理工作:
切实做好行政类综合事务处理工作,保障工程进展各个时期所必需的人力物力:
负责与甲方的一切协调事宜;组织项目的验收。
(3)施工人员组织结构
广州番禺桥兴建设安装工程有限公司现有各类专业职称的工程技术人员和经济管理人员130余人,其中高级职称达10多人、中级职称40多人、一级建造师20多人、二级建造师30余人。
各项目小组在项目负责人的领导下各司其职。
布线施工组:
负责依照工程设计图纸确定的施工内容进行施工。
设备安装调试组:
负责现场的清点和验收,负责工程中的技术问题和施工注意事项。
质量检验小组:
负责工程项目中的质量检验,对工程中出现的质量问题,应提前发现、及时解决,防患未然。
(4)施工重难点分析及应对措施
对施工过程中出现的重点、难点部分,桥兴公司将成立专门的技术攻关小组。
集中公司有丰富施工经验和项目管理经验的工程师对施工现场进行细致勘查,周密论证,提出合理的解决方案和施工措施。
具体内容如下:
加强公司施工队伍的自身建设,进一步完善施工组织计划。
合理安排工程施工进度,要有“知难而上,排除困难”的决心和信心。
公司统一安排施工机具和劳动力的配备。
对工程设备、材料的进货渠道严格把关,有效控制工程成本,严格按照防范工程施工规格施工。
4.1项目的创新点
1.本项目所采废混凝土骨料取代GRC中的天然砂,在降低GRC的生产成本、节约天然砂资源的同时,还可以减少废混凝土的排放对环境的污染、土地的占用等负面影响,同时避免资源的浪费。
2.本项目在GRC构件连接上采用柔性连接(铰接)即主体结构中用膨胀螺栓与通长镀锌扁钢连接,构件中的预埋扁钢再与通长扁钢焊接,不仅使构建与主体结构保持一致性,也使得构件有相对的自由度,这样构件在风荷载、温度应力、地震作用下,构件与主体不相互传递弯矩。
4.2项目的技术先进性分析
(1)加工周期短,施工便捷
GRC产品进行脱模的时间仅仅需要4个小时,养护24小时后即可安装使用,如果采用加热烘干、湿混凝土预脱水或者加入速干剂等方法还会更短(加热烘干可能导致构件固化不均匀继而出现裂缝),缩短了加工周期。
GRC的现场加工比石材、铝板等更加简易,可根据实际情况和具体要求,在施工现场进行作业。
GRC构件在现场批量制作后直接进行安装施工,这是建筑工业化与传统产品的作业流程不同的一个重要特征。
(2)环保绿色无辐射
GRC的生产过程不排放任何有害物质,也无需任何高温高消耗的制作环节,原材料不含有放射性核元素,是绿色环保的建筑材料。
(3)造型能力强、极强的可塑性
GRC构件作为一种预制的混凝土构件,一般是通过使用模具浇筑成型,理论上只要模具能做到的形状GRC都可以做到,所以,甲方和建筑师可以根据自身对立面的不同需要,制作出丰富的造型,并大量复制。
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