纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的力學(xué)強(qiáng)度及吸水性能

劉一飛，李天成，曾雪花，王義江，高婧賢，周爍釹

(中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

泡沫混凝土流動(dòng)性好、密度范圍廣、隔熱性能優(yōu)、原材料消耗低，可作為裝配式建筑輕型墻體及外保溫層，也可作為地下廢棄管線、孔洞充填材料，其物理力學(xué)性質(zhì)及工程應(yīng)用研究頗受關(guān)注[1-3]。

泡沫混凝土的強(qiáng)度主要與密度、水灰比、骨料類型及含量、泡沫種類及添加量、泡孔直徑及形狀、養(yǎng)護(hù)方法等諸多因素有關(guān)[4-5]。Sun等[6]研究發(fā)現(xiàn)，干密度為600 kg/m3時(shí)，泡沫混凝土最佳水灰比為0.32，28 d齡期泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.37 MPa。Jiang等[7]發(fā)現(xiàn)，孔隙率在88.5%～95.4%時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度為0.12～0.75 MPa，使用早強(qiáng)劑和少量塑化劑以及低水灰比有利于減小泡沫混凝土的干縮及塌落。Pan等[8]也研究了超低干密度泡沫混凝土的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)干密度為150～300 kg/m3時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度為0.33～1.1 MPa，吸水率為6.6%～8.3%。使用穩(wěn)泡劑后的泡沫要比普通方法產(chǎn)生的泡沫更穩(wěn)定，機(jī)械發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡制備的試樣，強(qiáng)度也分別提升34%和20%[9]。添加玻璃纖維可以增大高孔隙率泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，Akthar等[10]研究發(fā)現(xiàn)，纖維未充分分散的試樣，強(qiáng)度并未得到提高，而纖維充分分散的試樣，強(qiáng)度得到提高。陳兵等[11]研究發(fā)現(xiàn)，添加微硅粉和聚丙烯纖維可以顯著提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，且摻入纖維后還可提高劈裂抗拉強(qiáng)度，并降低干縮率。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 原材料

1)水泥：普通復(fù)合硅酸鹽水泥，篩余度1.05%，初凝時(shí)間220 min、終凝時(shí)間320 min，抗壓強(qiáng)度20.51 MPa(3 d)、抗折強(qiáng)度4.67 MPa(3 d)；其化學(xué)成分如表1所示，主要組分為CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3。

表1 硅酸鹽水泥化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of cement (by mass)

2)發(fā)泡劑：JT復(fù)合動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)30，發(fā)泡倍數(shù)35，泡沫孔徑0.5～2 mm，泌水性72 mL(1 h)。

3)聚丙烯纖維(Polypropylene Fiber, PF)：直徑31 μm，密度0.91×103kg/m3，彈性模量3.5 GPa，抗拉強(qiáng)度400 MPa，延伸率30%，熔點(diǎn)170 ℃。其中，絲狀纖維選擇3、9、12、19 mm這4種長度，網(wǎng)狀纖維選擇12、19 mm兩種長度。

4)骨料：選用標(biāo)準(zhǔn)砂作為骨料，添加量為水泥漿液質(zhì)量的5%，標(biāo)準(zhǔn)砂級配為粒徑0.075～0.25 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.5%，0.25～0.5 mm占1.5%，0.5～1 mm占38.3%，1～2 mm占26.7%。

1.2 試驗(yàn)方案

考慮水灰比、纖維長度、纖維類型及纖維添加量共4類因素：

1)水灰比：0.40、0.45、0.50。

2)纖維長度：3、9、12、19 mm。

3)纖維類型：絲狀、網(wǎng)狀。

4)纖維添加量：0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

1.3 試樣制備

具體步驟：

1)稱取水泥、骨料等，加入攪拌機(jī)干拌2 min。

2)加入水，繼續(xù)攪拌2 min。

3)加入纖維，攪拌4 min。

4)加入泡沫，攪拌2～3 min(短纖維攪拌時(shí)間短)。制備好的泡沫混凝土通過攪拌機(jī)反轉(zhuǎn)方式逐一澆注到標(biāo)準(zhǔn)模具，適當(dāng)手工振搗并刮平表面，靜置24 h后脫模，置于實(shí)驗(yàn)室定期噴水養(yǎng)護(hù)7 d。

1.4 參數(shù)測試

干密度按照《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》(GB/T 11969—2008)規(guī)定進(jìn)行測定，抗壓、抗拉強(qiáng)度按照《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》(GB/T 5486.2—2001)和《泡沫混凝土砌塊》(JC/T 1062—2007)要求進(jìn)行測試。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組選擇不少于3塊試樣，且測試值離散度符合規(guī)范要求。

2 抗壓強(qiáng)度變化

2.1 水灰比

選擇工程常用的長度9 mm單絲纖維，測試添加量分別為0.5%、1.0%和1.5%時(shí)不同孔隙率下水灰比對抗壓強(qiáng)度的影響，如圖1所示。分析可知：

1)添加纖維后，不同水灰比下，試樣抗壓強(qiáng)度隨孔隙率增加呈指數(shù)降低關(guān)系。如水灰比為0.40、纖維添加量分別為0.5%、1.0%和1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度P與孔隙率φ間的關(guān)系式分別為P=46.59e-0.040φ、P= 87.68e-0.056φ和P=51.22e-0.045φ，3個(gè)擬合公式相關(guān)性均為0.99以上。文獻(xiàn)[11]指出，抗壓強(qiáng)度隨干密度增加呈指數(shù)增大，與本文中得出的抗壓強(qiáng)度隨試樣孔隙率增加呈指數(shù)降低的規(guī)律一致。

圖1 纖維泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率關(guān)系Fig.1 Effect of porosity on compressive strength of

2)纖維添加量不同，水灰比對抗壓強(qiáng)度的影響也不相同。纖維添加量為0.5%時(shí)，低水灰比試樣抗壓強(qiáng)度相對較高。纖維添加量為1.0%時(shí)，3種水灰比試樣抗壓強(qiáng)度基本相等。當(dāng)纖維添加量為1.5%、水灰比為0.50時(shí)，抗壓強(qiáng)度又與孔隙率有關(guān),當(dāng)孔隙率小于40%時(shí)，低水灰比試樣抗壓強(qiáng)度相對較高；當(dāng)孔隙率高于40%時(shí)，高水灰比試樣抗壓強(qiáng)度較高。

3)纖維添加量不同，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的提升幅度也不同。與素泡沫混凝土相比，孔隙率為60%、纖維添加量為0.5%、水灰比為0.40、0.45和0.50時(shí)，纖維泡沫混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度升幅分別為29.7%、21.8和77.5%。纖維添加量為1.0%時(shí)，3種水灰比下抗壓強(qiáng)度分別提升0%、44.9%和83.2%。纖維添加量為1.5%時(shí)，3種水灰比下抗壓強(qiáng)度分別增加1.6%、6.2%和156.6%。

2.2 纖維長度

選擇長度分別為3、9、19 mm的3種絲狀纖維，測試干密度600 kg/m3左右試樣的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。其中，抗拉強(qiáng)度采用巴西劈裂法測試，抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中:f為試樣劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；A為試件劈裂面面積，mm2。測試結(jié)果為3個(gè)試樣算數(shù)平均值，且同時(shí)考慮尺寸系數(shù)0.85，3組結(jié)果的最大值或最小值偏離中間值不超過15%。測試結(jié)果如圖2所示。分析發(fā)現(xiàn)：

1)不同長度絲狀纖維對抗壓/抗拉強(qiáng)度的提升幅度明顯不同。從試驗(yàn)選擇的3種纖維長度實(shí)測來看，短纖維更利于提升抗壓、抗拉強(qiáng)度。添加長度

圖2 纖維長度對抗壓/抗拉強(qiáng)度影響Fig.2 Effect of fiber length on compressive and

為3、9、19 mm的纖維，試樣抗壓強(qiáng)度由同干密度、同水灰比素泡沫混凝土?xí)r的1.2 MPa分別增加到3.43、2.86和2.40 MPa，增幅分別為180%、130%和100%；抗拉強(qiáng)度由最初的0.37 MPa分別增大到0.69、0.65、0.52 MPa，增幅分別為86%、75%、40%，對比發(fā)現(xiàn)，3 mm絲狀纖維對抗壓/抗拉強(qiáng)度的提升幅度最大。

2)纖維長度不同，最大抗壓/抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的纖維添加量也不相同。纖維長度為3、9、19 mm時(shí)，最優(yōu)纖維添加量分別為0.5%、0.5%、1.0%和1.5%、0.5%、1.0%。試樣的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度并非隨纖維添加量增加而單調(diào)增加；當(dāng)纖維添加量超過一定限值后，試樣強(qiáng)度反而會(huì)降低。

圖3為3、9、19 mm的3種長度纖維微觀分布圖，分析發(fā)現(xiàn)，纖維長度越長，試樣內(nèi)部越容易出現(xiàn)纖維團(tuán)聚。如長度19 mm纖維添加量為1.5%時(shí)，出現(xiàn)纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，而長度3、9 mm纖維添加量為1.5%時(shí)，纖維分布仍相對分散。對試樣強(qiáng)度影響因素分析發(fā)現(xiàn)，纖維越分散，說明試樣內(nèi)部越趨于各向同性，其強(qiáng)度相應(yīng)越高；如試樣內(nèi)部出現(xiàn)大面積纖維團(tuán)聚，則會(huì)導(dǎo)致試樣強(qiáng)度降低。

2.3 纖維類型

選擇長度為12、19 mm的絲狀和網(wǎng)狀纖維分別進(jìn)行強(qiáng)度測試，得到如圖4所示的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度變化曲線，分析發(fā)現(xiàn)：

圖3 不同長度纖維分布圖Fig.3 Distribution of fiber with different length

圖4 纖維類型對抗壓/抗拉強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of fiber type on compressive and tensile strengths of

1)隨纖維添加量增加，網(wǎng)狀、絲狀纖維試樣的抗壓/抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律；當(dāng)含量超過一定數(shù)值后，抗壓/抗拉強(qiáng)度甚至低于素泡沫混凝土。原因是纖維在泡沫混凝土中起到“加筋”作用，當(dāng)添加量過多時(shí)，漿體中纖維無法均勻分散，導(dǎo)致漿體固化后無法與纖維緊密連接，反而使得抗壓與抗拉強(qiáng)度減小，如12、19 mm絲狀纖維添加量為2.0%時(shí)，試樣抗壓/抗拉強(qiáng)度均低于素泡沫混凝土強(qiáng)度。

2)纖維添加量不同時(shí)，絲狀和網(wǎng)狀纖維對抗壓/抗拉強(qiáng)度的提升幅度不同。如圖4(c)、(d)所示，當(dāng)含量為0.5%時(shí)，12、19 mm絲狀及網(wǎng)狀纖維試樣抗拉強(qiáng)度基本相等，而其他含量時(shí)，抗拉強(qiáng)度有較大差別；圖4(a)、(b)所示的抗壓強(qiáng)度也有類似結(jié)論，12 mm時(shí)，絲狀和網(wǎng)狀纖維間均有較大差異，19 mm時(shí)，只有含量在1.0%～1.5%之間時(shí)差異較小。

3)網(wǎng)狀纖維對試樣抗壓/抗拉強(qiáng)度的提升優(yōu)于絲狀纖維。只有圖4(a)所示的含量為0.5%和1.0%時(shí)，除19 mm絲狀纖維抗壓強(qiáng)度較高外，其余含量以及12 mm纖維網(wǎng)狀試樣抗壓/抗拉強(qiáng)度均高于絲狀纖維。

圖5所示為試樣切割后的截面，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀纖維有較細(xì)的分支且彼此交織，與泡沫漿體連接更牢固，且在泡沫漿液中更容易均勻分散；而絲狀纖維分散明顯不均，出現(xiàn)纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，從而影響了試樣的強(qiáng)度。

2.4 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€

圖6 纖維泡沫混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€Fig.6 Complete stress-strain curves of

2)纖維泡沫混凝土的峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變減小。素泡沫混凝土峰值應(yīng)變約為1.4%，而纖維泡沫混凝土的峰值應(yīng)變一般在0.5%～0.7%之間。說明纖維泡沫混凝土的彈性變形比素泡沫混凝土小，即相同變形時(shí)，纖維泡沫混凝土更容易發(fā)生塑性破壞。

3)泡沫混凝土的彈性模量在添加纖維后大幅增加。如圖6(a)所示，干密度600 kg/m3左右時(shí)，素泡沫混凝土的彈性模量平均為0.86×102MPa；添加0.5%的9 mm纖維后，泡沫混凝土彈性模量增加到3.8×102MPa，為素泡沫混凝土的4倍。此外，纖維添加量以及纖維長度不同時(shí)，彈性模量值存在小幅差異，相同長度絲狀和網(wǎng)狀纖維試樣的彈性模量基本相同。

4)殘余應(yīng)力在添加纖維后得到不同程度提升。素泡沫混凝土殘余應(yīng)力為0.86 MPa，而添加纖維后，殘余應(yīng)力大都在1.5 MPa以上。圖6(b)所示的纖維長度3 mm、含量0.5%的試樣殘余應(yīng)力約為2.4 MPa，為素泡沫混凝土的2.8倍。

3 孔徑分布及吸水性能變化

3.1 孔徑分布

采用可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)泡孔周長、直徑等參數(shù)的三維視頻顯微系統(tǒng)(HIROX KH-3000VD)，獲得泡沫混凝土試樣截面的孔隙分布圖，同時(shí)，對不同直徑的泡孔數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別如圖7和表2所示。

圖7 不同纖維添量時(shí)泡孔圖Fig.7 Images of pore for different fiber

纖維添量/%試樣孔徑分布/%0～20 μm20～30 μm30～40 μm40～50 μm50～100 μm100～300 μm>300 μm00.36.530.911.06.76.65.72.60.538.729.911.16.07.24.82.31.038.629.311.86.68.53.61.51.539.728.613.06.67.83.40.9

圖7所示為長度3 mm纖維添加量分別為0、0.5%、1.0%和1.5%時(shí)的泡孔分布，可以發(fā)現(xiàn)，纖維添加量較小時(shí)，泡孔圓度較高，且泡孔分布相對均勻；隨著纖維添加量增大，泡孔不再均布，且出現(xiàn)泡孔塌滅現(xiàn)象。表2所示為不同泡孔直徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，小泡孔數(shù)量隨纖維添加量的增加未呈現(xiàn)規(guī)律變化，纖維添加量為0%、0.5%、1.0%和1.5%時(shí)，孔徑<20 μm的泡孔數(shù)量百分比分別為36.5%、38.7%、38.6%和39.7%；孔徑100～300 μm和大于300 μm的泡孔數(shù)量隨纖維添加量增大而逐漸降低，如孔徑>300 μm的泡孔占比由纖維添加量0.5%時(shí)的2.3%降低到纖維添量1.5%時(shí)的0.9%，這與圖7(c)觀測到的泡孔分布圖像吻合。

3.2 吸水性能變化

將添加長度9 mm絲狀纖維后的試樣置于干球溫度和相對濕度分別為30 ℃和75%的恒溫、恒濕機(jī)內(nèi)，測試?yán)w維添加量為0.5%、1%和2%的3種試樣含水率隨時(shí)間變化情況，如圖8所示。

圖8 含水率變化曲線Fig.8 Variation of water contents with

分析發(fā)現(xiàn)，纖維添加量不同的試樣，含水率隨時(shí)間增加逐漸增大，且含水率增幅隨時(shí)間增加而不斷降低。原因是試樣與環(huán)境空氣進(jìn)行的是非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程，初始階段，兩者水蒸氣濃度差較大，故質(zhì)量傳遞速率相應(yīng)較大。此外，纖維添加量越高，相同時(shí)刻內(nèi)試樣含水率也越大，說明泡沫混凝土添加纖維后吸水能力得到不同程度提升。如在20 h時(shí)，纖維添加量為0.5%、1%、2%的含水率分別為2.19%、2.35%、2.66%。由于纖維貫通了試樣內(nèi)部的孔隙，纖維添加量越少的試樣，孔隙貫通度越低，材料含水率越低。

4 結(jié)論

1)纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨孔隙率增加呈指數(shù)降低，水灰比對纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度的提升隨纖維添加量、孔隙率不同而不同。

2)短纖維更利于提升抗壓/抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)度增幅受纖維添加量影響。當(dāng)纖維添加量超過限值后，試樣強(qiáng)度不升反降。網(wǎng)狀纖維對試樣抗壓/抗拉強(qiáng)度的提升優(yōu)于絲狀纖維，纖維最優(yōu)添加量與纖維長度、類型等有關(guān)。

4)小孔徑(<20 μm)泡孔數(shù)量隨纖維添加量的變化，未呈現(xiàn)規(guī)律變化，大直徑(>100 μm)泡孔數(shù)量隨纖維添加量增大，逐漸降低；纖維泡沫混凝土的吸水性能隨纖維添加量增加而增強(qiáng)。