有機(jī)纖維種類及摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

肖 嘯，程寶軍，王曉波，高育欣，楊 文

(中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院，四川 成都 610213)

0 前 言

物理發(fā)泡泡沫混凝土是將物理方法制得的泡沫加入到由水泥、外加劑、摻合料、水等制成的漿體中，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)制成[1]。泡沫混凝土作為一種含有大量封閉氣孔的無(wú)機(jī)保溫材料，具有質(zhì)輕、保溫隔熱、隔音耐火、成本低、利廢等優(yōu)勢(shì)[2-4]。然而，泡沫混凝土因存在均勻的氣孔結(jié)構(gòu)且缺少粗骨料，其存在強(qiáng)度偏低、易開裂、吸水率高、干燥收縮大等問(wèn)題[5-6]。

為了改善泡沫混凝土存在的不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在泡沫混凝土中摻入纖維，以提高泡沫混凝土的性能，擴(kuò)展泡沫混凝土的應(yīng)用。王朝強(qiáng)等[7]研究表明摻入耐堿玻璃纖維能夠明顯改善泡沫混凝土的力學(xué)性能并且對(duì)吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)影響不大。M.R. Jones等[8]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻入可以明顯改善泡沫混凝土的抗拉強(qiáng)度和可塑性。白光等[9]研究證實(shí)了摻入聚乙烯醇纖維能顯著增加堿激發(fā)礦渣泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度并且其干燥收縮顯著降低。本文通過(guò)摻入適量的聚乙烯醇纖維(PVA)和聚丙烯纖維(PP)對(duì)泡沫混凝土性能進(jìn)行改進(jìn)，研究了有機(jī)纖維的種類及摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥來(lái)自峨勝水泥集團(tuán)股份有限公司P·O 42.5，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)標(biāo)準(zhǔn)；I級(jí)粉煤灰來(lái)自四川宜賓發(fā)電廠；聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1；發(fā)泡劑為復(fù)合植物蛋白陰離子表面活性劑型發(fā)泡劑，購(gòu)買自濟(jì)南世騰化工有限公司；減水劑為自制聚羧酸高性能減水劑，減水率為35%，固含量50%；水為普通自來(lái)水。

表1 聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)

1.2 樣品制備

泡沫混凝土配合比如表2所示。設(shè)計(jì)干容重為1200 kg/m3，粉煤灰摻量為45.4%。試驗(yàn)中的變量為PP和PVA的摻量，研究了有機(jī)纖維的種類及摻量對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能、干燥收縮、吸水率等性能的影響。

表2 泡沫混凝土配合比

泡沫的制備方法是將發(fā)泡劑和水按照1∶19混合，倒入發(fā)泡機(jī)中進(jìn)行起泡，直至泡沫細(xì)小穩(wěn)定且大小均勻，一般制泡時(shí)間為2～4 min。泡沫混凝土的成型工藝如下：先將水泥等原材料在攪拌機(jī)內(nèi)干拌至均勻，然后加水?dāng)嚢?～3 min，再加入纖維(空白樣省略此步)，將之前制備的泡沫緩慢倒入混合料中繼續(xù)攪拌5 min左右至其均勻分布，最后將漿體倒入事先準(zhǔn)備好的模具中，刮平表面。

1.3 測(cè)試方法

吸水率實(shí)驗(yàn)采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試件，按照《加氣混凝土吸水率試驗(yàn)方法》(GB/T 11970-1997)進(jìn)行測(cè)定。

力學(xué)性能試驗(yàn)采用的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，拆模后放標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)6，27 d后在干燥箱(60±5) ℃連續(xù)烘干1 d，然后測(cè)試其抗壓抗折強(qiáng)度。

干縮試驗(yàn)參照《加氣混凝土干燥收縮試驗(yàn)方法》(GB/T 11972-1997)中規(guī)定的方法進(jìn)行，測(cè)試其3、7、14 d干燥收縮量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 吸水率與含水率

泡沫混凝土吸水后保溫效果急劇下降，并且在寒冷天氣條件下，泡沫混凝土還會(huì)因凍融而造成強(qiáng)度的降低和結(jié)構(gòu)的破壞[10-11]。因此，泡沫混凝土的吸水率是衡量其耐久性的重要指標(biāo)。

有機(jī)纖維種類及摻量對(duì)吸水率的影響如圖1所示。由圖1(a)可知，隨著PP纖維的摻量增加泡沫混凝土的吸水率先降低后增加。PP纖維摻量為2‰時(shí)，泡沫混凝土吸水率最低為8.7%，相較于空白樣降低0.9%。由圖1(b)可知，隨著PVA纖維的摻量增加泡沫混凝土的吸水率先降低后增加。PP纖維摻量為1‰時(shí)，泡沫混凝土吸水率最低為8.3%，相較于空白樣降低1.3%。有機(jī)纖維種類及摻量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后含水率的影響如圖2所示。可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后含水率與吸水率呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。這是因?yàn)殡S著有機(jī)纖維的摻量增加，前期吸水率相較空白組變化不大且有少量降低；隨著纖維引入量繼續(xù)加大，泡沫混凝土的空隙率隨之增大，同時(shí)在凝結(jié)硬化過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生連通孔的概率增加，導(dǎo)致吸水率升高[7]。并且由于PVA纖維的長(zhǎng)度大于PP纖維，PVA纖維造成泡沫混凝土吸水率增幅更大。

(a)PP

(b)PVA

(a)PP

(b)PVA

2.2 力學(xué)性能

為了改善泡沫混凝土存在強(qiáng)度偏低、易開裂的問(wèn)題，通過(guò)摻入有機(jī)纖維對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行改進(jìn)，研究有機(jī)纖維種類及摻量對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響。泡沫混凝土密度等級(jí)為1 200 kg/m3有機(jī)纖維種類及摻量對(duì)抗折和抗壓強(qiáng)度的影響如圖3～4所示。由圖3～4可以看出，隨著泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，其抗壓和抗折強(qiáng)度提高，這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，泡沫混凝土持續(xù)硬化，其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此泡沫混凝土28 d強(qiáng)度明顯高于7 d強(qiáng)度。并且，摻入PP纖維能明顯改善泡沫混凝土的抗折和抗壓強(qiáng)度，摻入PVA纖維對(duì)泡沫混凝土早期抗折和抗壓強(qiáng)度有明顯改善，但對(duì)后期抗折強(qiáng)度影響不大。

由圖3可以看出，隨著PP和PVA纖維摻量的增加，泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度先增加后降低。其中PP纖維摻量為2‰時(shí)，泡沫混凝土28 d抗折強(qiáng)度最高為4.3 MPa，相較于空白樣提高了20%。PVA纖維摻量為1‰時(shí)，泡沫混凝土28 d強(qiáng)度最高為4.0 MPa，相較于空白樣提高了10%。

由圖4可以看出，隨著PP和PVA纖維摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后降低。其中PP纖維摻量為2‰時(shí)，泡沫混凝土28 d抗折強(qiáng)度最高為17.6 MPa，相較于空白樣提高了30%。PVA纖維摻量為1‰時(shí)，泡沫混凝土28 d強(qiáng)度最高為16.4 MPa，相較于空白樣提高了20%。

(a)PP

(b)PVA

(a)PP

(b)PVA

分析其原因有以下幾點(diǎn)：①纖維在泡沫混凝土中呈亂向分布，有利于減少其塑性收縮，收縮能力被分散于纖維之上，有效地抑制了泡沫混凝土微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，使強(qiáng)度得到提高[12]；②纖維在泡沫混凝土內(nèi)部形成三維亂向的網(wǎng)絡(luò)體系，該體系能夠承托骨料，同時(shí)能夠約束離析列為的產(chǎn)生與發(fā)展[13]；③纖維的摻入可以減少泡沫的破裂，改善孔道的形貌，從而減少泡沫混凝土的密度和平均孔徑，但隨著纖維摻量進(jìn)一步增加，其孔隙率增大，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低[14]。

2.2 干燥收縮性能

干燥收縮是造成泡沫混凝土收縮及開裂的主要因素。有機(jī)纖維種類及摻量對(duì)泡沫混凝土干燥收縮值的影響如圖5所示。

圖5 有機(jī)纖維種類及摻量對(duì)干燥收縮值的影響

由圖5可知，PP和PVA纖維的摻入均可明顯降低泡沫混凝土14 d干燥收縮值，但在部分摻量條件下，反而會(huì)增加其3 d和7 d干燥收縮值。相較于PVA纖維，PP纖維對(duì)泡沫混凝土干燥收縮值的降低更為明顯。PP纖維摻量為2‰時(shí)，泡沫混凝土的14 d干燥收縮值最低為-0.54 mm/m，可見(jiàn)其對(duì)干燥收縮有明顯的抑制作用。這是因?yàn)槔w維在泡沫混凝土內(nèi)部形成一種亂向支撐體系，混凝土干燥收縮在發(fā)展過(guò)程中會(huì)受到纖維的阻擋，從而纖維的摻入可以抑制泡沫混凝土的干燥收縮。從纖維種類角度來(lái)看，PP纖維的彈性模量大于PVA纖維，纖維的彈性模量更大，所能分擔(dān)的擠壓應(yīng)力越大，限制收縮變形的能力也越強(qiáng)，因此PP纖維具有更好的限制泡沫混凝土干燥收縮的作用[13]。

3 結(jié) 論

1)采用普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、發(fā)泡劑、減水劑以及有機(jī)纖維成功制備了干密度等級(jí)為1 200 kg/m3的泡沫混凝土；當(dāng)加入體積摻量為2‰的聚丙烯纖維時(shí)，泡沫混凝土各項(xiàng)性能最優(yōu)，其28 d抗折抗壓強(qiáng)度相較于空白樣提高了20%和30%。

2)有機(jī)纖維對(duì)泡沫混凝土具有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，隨著纖維摻量的增加，其抗折和抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)；并且適量的摻入有機(jī)纖維，對(duì)泡沫混凝土的干燥收縮有明顯的抑制作用，對(duì)吸水率影響不大。

3)并且相較于聚乙烯醇纖維，聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土的性能改善更為明顯。

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