第一篇 基本知识
第1章 GRC概述
1.1 什么是GRC
GRC是由水泥、砂子、水、玻璃纤维、外加剂以及其他集料与混合物组成的复合材料。水泥与水发生水化反应后硬化，形成胶凝体——水泥石，把砂子（或其他集料）牢固地胶结在一起，并胶结锚固玻璃纤维，形成了具有良好性能的材料。砂子在GRC中起填充和骨架作用，玻璃纤维起增强作用。
GRC英文有两种表述：
表述1：Glass Fibre Reinforced Cement，翻译成中文是“玻璃纤维增强的水泥”。欧洲标准和塞姆菲尔的技术资料采用如此表述。
表述2：Glass Fibre Reinforced Concrete，即“玻璃纤维增强的混凝土”。国际GRC协会、美国、澳大利亚等国的标准采用如此表述。
也就是说，GRC是“玻璃纤维增强的水泥”或“玻璃纤维增强的混凝土”的缩写，这两者指同样的东西。
美国人对Glass Fibre Reinforced Concrete提取4个字母缩写，即GFRC。一些人误以为砂岩质感的GRC叫GFRC，那是误解。GFRC与GRC是一回事，只不过多提取了一个缩写字头。美国混凝土协会编写的GFRC板规范第1章中特意说明：GFRC与GRC是同义的。
把GRC表述成“玻璃纤维增强的水泥”或“玻璃纤维增强的混凝土”都不太准确。GRC实质上是“玻璃纤维增强的水泥砂浆”。在GRC中，玻璃纤维所增强的既不是净水泥石，也不是含有粗集料的混凝土，而是通常定义为“水泥砂浆”的基材。所谓GRC就是在水泥砂浆中掺入了玻璃纤维。
不要小看这些玻璃纤维，它的加入使水泥砂浆基材的性能大大改善，使之具备了一些新的特点与功能，从而进入了广泛的应用领域。
1.2 增强的概念
GRC实际上是“玻璃纤维增强的水泥砂浆”。玻璃纤维所起的作用是增强水泥砂浆的抗拉性，提高了水泥砂浆的抗拉强度、抗弯强度和抗冲击能力。
玻璃纤维增强的原理并不复杂。鸟类用泥与草做窝，人类用泥与草盖房，混凝土中加钢筋，抹灰时掺“麻刀”（植物纤维），用石棉纤维做石棉瓦，用玻璃纤维增强树脂做玻璃钢等，都是将抗拉强度高的纤维或细长材料与抗压强度高但抗拉强度低的胶凝材料结合，让这些增强材料承担使用时因荷载和环境作用而在材料内部产生的拉应力。当材料受拉或受弯使截面上的拉应力超过了胶凝材料自身的抗拉强度时，被握裹在胶凝体中的增强材料便开始承受拉应力，并保持材料一体性直到发生较大的变形或断裂。
水泥砂浆抗压性较好、抗拉性较差，其抗拉强度不到抗压强度的十分之一。用玻璃纤维增强后，其抗拉性能提高2～3倍。具体提高幅度因配方、玻璃纤维强度、玻璃纤维含量、工艺方法的不同有较大的差异。
玻璃纤维的优势是抗拉强度高，大约是钢筋的5倍。HPB300钢筋的抗拉强度的标准值是300MPa，用于GRC中的玻璃纤维束的抗拉强度为1400～1700MPa。由于玻璃纤维抗拉强度高，很细的断面就能承受较大的拉力，再加上玻璃纤维用不着像钢筋那样需要一定厚度的保护层防止锈蚀，因此，GRC可做成薄壁构件。这是GRC得以广泛应用的一个非常突出的特点。
玻璃纤维不能增强水泥砂浆的抗压强度。相反，由于玻璃纤维对水泥砂浆的连续性有阻断，还会导致其抗压强度稍稍降低。不过，由于水泥砂浆抗压强度比较高，再加上GRC水泥含量又比一般砂浆大，抗压强度更高，玻璃纤维对抗压强度的削弱不会对使用产生不利影响，而其抗拉强度的提高却使材料性能发生根本的变化。
1.3 GRC发展简述
20世纪40年代，有人从早期GRP（玻璃纤维增强的塑料）也就是玻璃钢的研制中受到了启发，开始做玻璃纤维增强水泥的试验。
早期试验表明，未经处理的普通玻璃纤维在水泥中受到水泥水化后生成的碱的侵蚀，强度会很快地大幅度降低，不能保证增强效果持久。于是，人们开始研制在水泥石中不受或少受碱侵蚀从而能保持其耐久性的玻璃纤维——耐碱玻璃纤维。
1966年，英国人A.J.Majumder发明了耐碱玻璃纤维。这种名为“Cem—Fil”（赛姆菲尔）的玻璃纤维中含有氧化锆（ZrO2），能够阻延和削弱水泥石中的碱对玻璃纤维的侵蚀速度与强度。从而使GRC的耐久性有了基本保证。
Cem—Fil耐碱玻璃纤维的问世是GRC历史真正意义的始点。它使得GRC耐久性的可靠度得以提高，应用领域得以扩大，从此GRC在世界各地得到了广泛应用。
我国在20世纪50年代末开始研究GRC，但由于当时用在GRC中的玻璃纤维不是耐碱的，GRC产品强度下降很快，安全性与耐久性没有保障。当时的国家建工部在1961年下文禁用GRC。
70年代中期，我国恢复了GRC的研究开发。一方面研制耐碱玻璃纤维，另一方面研制低碱度水泥。这两方面的研制至80年代中期相继取得成果。从而GRC在我国重新进入应用领域，并在90年代得到大范围的推广。
到目前为止，GRC尚不可以作为承重结构材料，只在非结构范围内应用。随着研究与应用的进一步发展，GRC力学性能与耐久性进一步提高，未来GRC有可能进入结构性材料领域。
1.4 GRC制作工艺
GRC制作工艺有喷射法、预混法、预混喷射法、预混铺网法、玻璃纤维毡法、挤压法、模压法和自流平法等。最常用的是喷射法和预混法。
喷射法是用GRC专用喷枪制作GRC产品。其工艺流程是将搅拌好的水泥砂浆用泵通过输浆管道送至喷枪处，玻璃纤维长丝也在喷枪处被切成短丝，两者在喷枪处混合后喷入模具之中。
预混法是将水泥砂浆搅拌好后，再掺入已切好的短玻璃纤维，使玻璃纤维在水泥砂浆中均匀分散，然后再浇入模具之中或振动或压实成型。
图1.4-1 喷射法
喷射法比预混法可以掺入更多的玻璃纤维，且短玻璃纤维长度可以比预混法更长一些。因此，增强效果优于预混法，但喷射法在制作造型复杂的小构件时不如预混法方便。
图1.4-2 喷射法工艺图
图1.4-3 预混法工艺图
1.5 GRC主要特点
GRC制品最主要的特点是壁薄体轻、造型随意、质感逼真、节能减排。
1.5.1 壁薄体轻
GRC密度在2000kg/m3左右，比混凝土轻一些，但它可以做成薄壁型构件。一般情况下，GRC构件壁厚在15mm左右，最厚的构件壁厚不到30mm，最薄的构件壁厚5mm。由于壁薄，自然体轻。15mm厚GRC，每平方米只有30kg重，考虑边沿折边和预埋部位凸出的重量，也不过50kg。如果有背附钢龙骨框架，每平方米总重量也在100kg以内。
1.5.2 造型随意
GRC构件是在模具中制作成型的。由于重量轻，实现造型很方便，GRC可以做成各种复杂的造型。
造型随意是GRC被建筑师青睐的最主要原因。GRC可以轻易地再现古典建筑的复杂造型，也可以轻易地实现建筑师的艺术构想。无论是古希腊古罗马风格还是哥特式风格；无论是伊斯兰风格还是中国唐宋风格；无论是后现代风格还是解构主义风格；无论是线性的还是非线性造型，GRC都能够方便地实现。
图1.5-1 正在建设中的长沙梅溪湖文化中心效果图
近年来，随着数字化技术的发展，不规则的非线性建筑越来越多，GRC在实现非线性建筑方面具有独特的优势。
1.5.3 质感逼真
GRC表面质感是由模具质感所决定的。由于GRC中没有粗集料，所用细集料的颗粒也比较细。因此，可以细腻、准确地表现不同的质感与纹理。既可以做得光滑如镜，也可以做得粗糙似石。复制的各种质感效果非常逼真，是非常理想的仿真材料。彩页图C-9所示建筑外立面都是用真石材制作的装饰构件，但拱券下的藻井，由于石材太重，悬挂不安全，用GRC砂岩替代。GRC砂岩藻井与真石材的质感效果完全一样，外观没有区别。
GRC还可以附着质感面层，或与乳胶漆、氟碳漆等结合，仿出花岗岩、砂岩、红砖、瓷砖、木材、金属等各种质感。
1.5.4 节能减排
GRC与其他墙体围护结构比较，其制造和安装过程消耗能源要少，日本学者曾经做过GRC墙板与钢筋混凝土墙板的碳排放量比较，使用GRC墙板可以降低30%的碳排放量。
1.6 GRC必须重视的问题
GRC有两个关键问题必须重视。
1.6.1 强度衰减问题
GRC使用的耐碱玻璃纤维时间长了也会被水泥石中的碱侵蚀，由此导致GRC抗拉强度和抗弯强度会有大幅度衰减。所以，在GRC构件设计时，不能以其28d龄期强度为计算依据，必须以充分老化后的衰减了的强度作为计算依据。
1.6.2 干湿变形问题
由于GRC是薄壁构件，“干透”或“湿透”的程度比厚度大的构件如混凝土构件更容易些，其干湿变形的幅度较大。如果GRC受到刚性约束，干湿变形得不到释放，会产生很大的内力，容易把板面拉裂。为此，在GRC构件设计时，必须格外重视避免或减小刚性约束。
1.7 GRC应用领域
GRC应用领域很广，包括：
建筑领域：幕墙、建筑装饰构件、屋面板、瓦、穹顶、建筑小品、隔墙、烟气道等。
庭院领域：亭阁、花架、花盆、喷泉、护栏、庭院桌椅等。
装饰领域：天棚、墙体装饰、壁炉等。
艺术领域：浮雕、雕塑、工艺品等。
市政交通领域：隧道衬板、管道、消声墙等。
农业领域：粮仓等。
渔业领域：人工鱼礁等。
国外应用GRC已经有四十多年的历史，国内大量应用GRC也已有二十多年，目前GRC应用最多的领域是建筑幕墙和建筑装饰构件。
1.8 GRC幕墙与建筑装饰构件
本书主要介绍用于建筑上的GRC幕墙和建筑装饰构件的设计、制作与安装。
GRC幕墙是用GRC幕墙板制作的建筑围护结构；GRC建筑装饰构件是用GRC制作的用于建筑外墙的装饰构件，如檐线、腰线、柱、门窗套、窗台线、窗顶套、雕塑等。