纖維對泡沫混凝土孔結構的影響研究

楊瑞環 謝正奮 湯永學 鐘芹芳 鄒旭明

（廣東省梅州市質量計量監督檢測所）

0 前言

泡沫混凝土通常是用機械方法將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入含硅質材料、鈣質材料、水及各種外加劑等組成的漿料中，經混合攪拌、澆筑成型、養護脫模而制成的一種內部含有大量封閉氣孔的多孔材料[1-4]。泡沫混凝土與普通混凝土相比，具有輕質、熱工性能優越、隔音耐火性能良好[5-6]、可泵送性能好、防水能力強和沖擊能量吸收性能好等優點，但性能方面同樣存在很多問題，如：強度偏低、料漿穩定性較差、容易開裂[7]、收縮較大、韌性較差等，這些劣勢限制了它的應用。研究表明：在泡沫混凝土中摻入纖維材料能夠有效改善這種現狀[8-10]。

纖維在水泥基材料中，能夠起到阻裂、增強和增韌等作用[11-13]。聚丙烯纖維（PP 纖維）是一種高強聚丙烯束狀單絲纖維。該纖維不受堿性集料水化產物侵蝕，在基料中不結團、不成束，與水泥具有良好的親和力，對泡沫混凝土的各個性能都有一定的作用[14]。

多孔材料的性能取決于兩個方面，一方面是泡孔間壁基體材料的性能；另一方面是復雜的孔結構。泡沫混凝土作為一種高氣孔含量的材料，其孔結構對性能起著決定性作用[1]。本實驗主要通過SEM 直接觀察纖維對泡沫混凝土孔結構的影響，同時分析纖維對泡沫混凝土孔結構參數的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

⑴水泥：P.O42.5R，密度為3.14㎏/m3。性能指標均符合GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準。

⑵發泡劑：蛋白質型，稀釋倍數24，發泡倍數為30，穩泡時間12.4h。

⑶聚丙烯纖維：重慶某公司提供，其有關性能見表1。

表1 聚丙烯纖維的性能

⑷普通自來水。

1.2 實驗方法

1.2.1 觀察法：SEM 直接觀察聚丙烯纖維在泡沫混凝土中的分布情況

1.2.2 孔結構參數

⑴用鋼鋸片將纖維泡沫混凝土試塊沿澆筑面至底部剖開；

⑵砂紙將剖開面磨平；

⑶超聲清洗器清洗剖開面的殘留粉末，等待其干燥；

⑷單反相機采集圖像，Photoshop 軟件對圖片進行二值化處理；

⑸IPP 軟件對圖片的孔結構參數進行表征。

1.3 工藝流程

纖維泡沫混凝土有兩種制備工藝，分別為預制泡混合法和混合攪拌法[15]，本實驗采用預制泡混合法。工藝流程如圖1 所示，實驗用的配合比見表2、表3。

圖1 纖維泡沫混凝土的工藝流程圖

表2 每1m3 纖維泡沫混凝土的配合比

表3 每1m3 纖維泡沫混凝土的配合比

2 結果與討論

2.1 SEM 觀察法

聚丙烯纖維在泡沫混凝土中的局部分布如圖2 所示。由圖中的A 和B 看出：未摻入聚丙烯纖維時，孔在泡沫混凝土中的分布比較雜亂、孔徑相差比較大，而且存在部分連通孔。摻入聚丙烯纖維后，孔的分布明顯均勻，孔徑大小相對集中，且連通孔數量明顯減少。可能是泡沫混凝土在制備過程中，纖維對氣泡進行了有效的分割，使氣泡的孔徑更小、大小更接近、分布更均勻。由圖中的D 看出：聚丙烯纖維與漿體相容性良好，有一定的粘合度，纖維表面粘結有漿體材料。圖中的C 說明纖維呈單根狀分散在漿體中，互相搭接形成三維網絡分布的穩定結構，對漿體起到支撐作用，防止漿料坍塌，有效地保護氣泡在漿體硬化過程中不破裂，能夠形成封閉的氣孔，從而改善孔結構。

圖2 泡沫混凝土的SEM 圖

2.2 氣孔結構

2.2.1 圓度值

圓度值表示孔的形狀與圓的接近程度，若孔的形狀屬于規則的圓形，則圓度值為1。孔的圓度值越接近1，說明孔的形狀就越接近于圓形，孔受力就越均勻，對泡沫混凝土的性能就越有利。纖維泡沫混凝土的圓度值隨著纖維摻量、長度的變化情況如圖3、圖4 所示。

圖3 纖維摻量對圓度值的影響

圖4 纖維長度對圓度值的影響

根據圖3 看出，泡沫混凝土的圓度值主要集中在1.12～1.36 之間，達到總體的70%以上。摻入不同量的纖維后，圓度值在1.12～1.24 的孔結構所占的比例明顯上升，且在1.12～1.24 之間的孔結構和1.24～1.36之間的孔結構所占比例差距縮小，甚至在摻量為0.8～1.2 kg/m3時，出現了少許圓度值在1.00～1.12 之間的孔結構。說明摻入的纖維以及其摻量對孔結構的圓度值有一定的影響，能夠改善孔的結構。摻入纖維時，纖維可以對孔徑較大的泡沫進行切割，使整個泡沫混凝土中的氣泡孔徑分布得更均勻。當漿體中的纖維量增加到一定程度時，纖維之間相互搭接形成三維網絡分布，結構穩定，能夠很好地支撐漿體，減少漿體對泡沫的擠壓力，從而更好地保護泡沫，形成均勻、封閉的孔。當摻量繼續增多時，可能因纖維過多，造成攪拌、分散困難，使泡沫混凝土局部破壞嚴重，進而影響整個孔的分布，使泡沫混凝土的性能受到影響。當纖維摻量在1.4㎏/m3時，圓度值為1.12～1.36 的孔結構所占的比例開始減少，大于1.36 的孔結構比例增多，1.00～1.12 的孔結構消失。由此可知：制備泡沫混凝土時，纖維的摻量并非越多，孔的結構就越好。從圖3 看出，當摻量為1.0㎏/m3時，孔的結構最佳。

根據圖4 看出，摻入不同長度的纖維后，圓度值在1.12～1.24 之間的孔結構所占的比例上升，同樣1.12～1.24 之間的孔結構和1.24～1.36 之間的孔結構所占比例差距縮小；在纖維長度為9mm 時，出現圓度值在1.00～1.12 之間的孔結構。說明纖維長度也能夠影響泡沫混凝土中孔結構的圓度值。摻入纖維，當纖維長度較短時，纖維切割孔徑大的泡沫，使泡沫的大小分布均勻，即圓度值在1.12～1.36 之間的孔結構所占的比例的差距減小。隨著纖維長度的增加，纖維可以首尾搭接，形成穩定的三維網絡結構，支撐整個漿體，防止泡沫在泡沫混凝土硬化過程中，因受到擠壓而遭到破壞，從而改善了孔結構。當纖維長度過長時，纖維之間相互纏繞，分散性降低，造成局部孔結構嚴重受損，影響整個孔結構的分布，進而影響泡沫混凝土的整個性能。當纖維長度為19mm 時，由于纖維長度過長，使局部孔結構受損，導致1.48～1.72 之間的孔結構所占的比例明顯增多。從圖4 看出，當纖維長度為9mm 時，泡沫混凝土的孔結構最佳，而并非長度越長，孔結構就越好。

2.2.2 長寬比

孔的長寬比是表示孔的長向和短向尺寸之間的一個比值，比值越接近1，說明長向與短向的尺寸越接近。即孔的形狀越圓滑，受力越均勻，對泡沫混凝土各性能越有利。

纖維泡沫混凝土的長寬比隨著纖維摻量、長度的變化情況如圖5、圖6 所示。

圖5 纖維摻量對長寬比的影響

圖6 纖維長度對長寬比的影響

由圖5、圖6 看出，泡沫混凝土中孔結構的長寬比主要集中在1.45 以下，所占比例達到總體的80%以上，其中1.15～1.30 之間的孔結構所占比例最大。摻入纖維后，不管是纖維摻量的變化還是纖維長度的變化，泡沫混凝土中孔結構的長寬比在各個階段所占的比例變化不大，說明制備泡沫混凝土時，漿體中孔結構的長寬比不受摻入纖維的影響。

3 結論

⑴泡沫混凝土制備過程中，纖維能夠有效地分割氣泡，使氣泡的孔徑更小、分布更均勻。

⑵泡沫混凝土硬化過程中，纖維能夠保護氣泡形成封閉的氣孔，改善孔結構。

⑶纖維與漿體有良好的相容性，單根狀分散在漿體中，形成三維網絡分布，對漿體起到支撐作用，防止漿料坍塌。

⑷制備泡沫混凝土時，纖維的最佳摻量與最佳長度分別為1.0㎏/m3和9mm，此時對孔的圓度值影響最佳。

⑸纖維的摻入對孔的長寬比影響不大。