纖維增強氣凝膠泡沫混凝土保溫材料傳熱性能的研究

黃杰超 朱永甫

(閩南理工學(xué)院 福建 石獅 362700)

1 纖維/氣凝膠泡沫混凝土的制備

1.1 配合比

本實驗配比是根據(jù)規(guī)范CJJ/T177-2012氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程進行的,在設(shè)計水泥用量為300kg/m3、200 kg/m3基礎(chǔ)上,摻入氣凝膠粉體、玻璃纖維等材料來探究超輕泡沫混凝土的配比及性能。實驗固定氣凝膠含量為10%質(zhì)量比,來改變玻璃纖維的含量。

1.2 制備方法

超輕泡沫混凝土工藝制備流程如圖1所示,其具體制備步驟如下:

圖1 預(yù)制泡混合法制備纖維/氣凝膠泡沫混凝土工藝流程圖

(1)配料。首先配制增稠水,將水與增稠劑按一定的質(zhì)量比混合并攪拌均勻,從而使增稠劑完全溶解于水;再依照配合比分別稱取相應(yīng)量的材料,將水泥等膠凝材料與氣凝膠粉體進行干混。

(2)制漿。將配制好的增稠水加入至步驟(1)中的混合料中,攪拌均勻,然后緩慢加入分散狀的玻璃纖維絲,即可得到纖維/氣凝膠混凝土的漿體。

(3)發(fā)泡。采用機械加壓發(fā)泡,按質(zhì)量比1∶80的比例將發(fā)泡劑與水倒入發(fā)泡機中制備泡沫,同時需要注意發(fā)泡機的壓力,制備出的泡沫需立刻加入纖維/氣凝膠混凝土漿體中,混合攪拌均勻,得到纖維/氣凝膠泡沫混凝土漿體,然后倒入預(yù)先制好的模具內(nèi),并蓋上保鮮膜,得到纖維/氣凝膠泡沫混凝土。

(4)養(yǎng)護。靜置1天后脫模,將纖維/氣凝膠泡沫混凝土小心脫去模具后立刻放入混凝土恒溫養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至試驗規(guī)定齡期(28 天),取出試樣并進行測試[2]。

2 樣品性能測試與表征

采用場發(fā)式掃描電鏡(型號為JSM-7001F,日本電子株式會社)對纖維氣凝膠泡沫混凝土樣品斷面的微觀形貌進行掃描拍攝。由于氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)電性不好,防止樣品上產(chǎn)生電荷累積而影響觀察及拍攝圖像,在掃描前需對樣品進行5 min噴金處理。

圖2 三種泡沫混凝土是SEM 圖

密度測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11969-2008蒸壓加氣混凝土性能試驗方法,將試樣放入2X-9246MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),在(65±5)℃下保溫24h,然后在(85±5)℃下保溫24h,再在(105±5)℃下烘至恒重(前后質(zhì)量差不超過試件質(zhì)量的0.5%)。按照以下公式計算樣品的干密度:

式中:ρ為試樣干密度,單位為kg/m3;M 為試樣在(105±5)℃下的恒定質(zhì)量;V 為試樣體積,mm3。

導(dǎo)熱系數(shù)測試采用瑞典Disk 公司生產(chǎn)的Hot Disk2500S導(dǎo)熱系數(shù)儀測試樣品導(dǎo)熱系數(shù),測試方法為瞬變熱源法,測試條件為低密度高絕緣,測試溫度25℃,功率30m W,探測深度為8mm。

抗壓強度測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11969-2008蒸壓加氣混凝土性能試驗方法,先測定試樣尺寸,精確至1mm,并計算試樣的受壓面積S,再采用WD-100KE電子式萬能試驗機以5mm/min 的速度連續(xù)而均勻地對試樣進行加荷,直至破壞,記錄破壞荷載P,精確至10N。按式(2)計算樣品的抗壓強度,精確至0.01MPa。

式中:P為試樣破裂時的荷載單位(N);A 為受壓面積單位(mm2);σ為抗壓強度單位(MPa)。

3 實驗結(jié)果

3.1 纖維/氣凝膠泡沫混凝土性能對比

通過實驗制備過程可以發(fā)現(xiàn):在表1的九組輕質(zhì)泡沫混凝土中,其中2#和4#制備出的泡沫混凝土未能成型,出現(xiàn)塌模現(xiàn)象。其余各組泡沫混凝土樣品均成型,經(jīng)過一段時間(28d)的恒溫恒濕環(huán)境養(yǎng)護后,對其余七組輕質(zhì)泡沫混凝土進行了基本性能(抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù))測試,測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 三種泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

圖4 三種泡沫混凝土抗壓強度測試結(jié)果

泡沫混凝土抗壓強度和其密度有著很強的相關(guān)性,圖5為三種不同泡沫混凝土的抗壓強度比較,同密度等級下氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強度要高于其它兩種泡沫混凝土,并且隨著密度增大氣凝膠泡沫混凝土抗壓強度增加越快。在500的密度等級下氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強度要比鐵尾礦泡沫混凝土高出31.5%,比沙、粉煤灰泡沫混凝土高出45%,在700的密度等級下氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強度比鐵尾礦泡沫混凝土高出60%。如圖4所示氣凝膠泡沫混凝土抗壓強度測試值,整體上抗壓強度隨干體積密度的增大而增大。根據(jù)中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T266-2011泡沫混凝土規(guī)定的泡沫混凝土的干體積密度與抗壓強度的大致關(guān)系如圖中陰影部分。如圖6中陰影部分為規(guī)范中規(guī)定的抗壓強度范圍,可以看出氣凝膠泡沫混凝土不同的密度等級下均滿足規(guī)定抗壓強度范圍,而且有一部分在相應(yīng)的密度等級下已經(jīng)遠遠超出規(guī)范所規(guī)定的抗壓強度范圍,在密度500～1000kg/m3的試樣的抗壓強度已經(jīng)遠遠大于所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[3]。氣凝膠作為泡沫混凝土填料時不僅滿足了泡沫混凝土抗壓強度的要求,而且還能大大的降低泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),提高其隔熱保溫性能,氣凝膠泡沫混凝土作為一種高性能的泡沫混凝土有很大的發(fā)展前景。

圖5 不同種類混凝土的抗壓強度

圖6 氣凝膠泡沫混凝土抗壓強度隨密度的變化

3.1.1 抗壓強度對比

圖5表示的是三種泡沫混凝土抗壓強度對比。從測試結(jié)果可以得出:與普通泡沫混凝土和氣凝膠泡沫混凝土相比,纖維/氣凝膠泡沫混凝土抗壓強度最大。在設(shè)計密度為300 kg/m3時,5#(纖維/氣凝膠泡沫混凝土)比3#(氣凝膠泡沫混凝土)和1#(普通泡沫混凝土)的抗壓強度分別增加了9.3%和2.5%;在設(shè)計密度為200kg/m3時,4#(氣凝膠泡沫混凝土)與2#(普通泡沫混凝土)都難以成型。而6#(纖維/氣凝膠泡沫混凝土)的抗壓強度為0.20 MPa。

3.1.2 導(dǎo)熱系數(shù)對比

圖6表示的是三種泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對比,從測試結(jié)果可以得出:與普通泡沫混凝土相比,摻人氣凝膠粉體可以有效地減少泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),如在設(shè)計密度為300 kg/m3時,3#(氣凝膠泡沫混凝土)比1#(普通泡沫混凝土)的導(dǎo)熱系數(shù)降低了11.1%。在設(shè)計密度為200 kg/m3時,4#(氣凝膠泡沫混凝土)與2#(普通泡沫混凝土)都難以成型;與氣凝膠泡沫混凝土相比,摻人玻璃纖維的氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)相對升高,這是由于纖維不僅存在導(dǎo)熱,同時還會提高其輻射換熱,從而導(dǎo)致泡沫混凝土有效熱導(dǎo)率變高,但從實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)上升較小[4]。

3.2 纖維對氣凝膠泡沫混凝土性能的影響

玻璃纖維摻入泡沫混凝土中,其目的是增強泡沫混凝土的抗壓強度以及成型率。圖7表示的是纖維含量從0.6%(質(zhì)量比,下同)增加至1.5%時對泡沫混凝土基本性能的影響。圖7(a)表示的是不同纖維含量下泡沫混凝土密度變化情況,從圖中可以看出:在纖維含量大于1.5%時,泡沫混凝土砌塊難以成型,當(dāng)纖維含量在0.6%時,樣品密度出現(xiàn)最小值,其密度最小可達到191kg/m3左右,遠低于普通泡沫混凝土的密度(300～1600kg/m3)[5]。隨著纖維含量的增加,泡沫混凝土的密度逐漸增大,但增長率并不大。當(dāng)纖維含量大于1.5%時,泡沫混凝土砌塊卻難以成型;從圖7(b)可得出隨著纖維含量的增加,泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大,當(dāng)纖維含量在0.9%時,其導(dǎo)熱系數(shù)最小值為0.058W/(m·K),較普通泡沫混凝土0.08—0.25W/(m·K)減少了27.5%;圖7(C)反映了自變量纖維含量對超輕泡沫混凝土抗壓強度的影響。當(dāng)纖維含量為0.9%時,其28 天抗壓強度出現(xiàn)最大值,達0.32MPa,完全符合泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)JG/T 266—20ll中A03級抗壓強度的要求。

圖7 纖維含量對氣凝膠泡沫混凝土性能的影響

綜合圖7中數(shù)據(jù)分析,可以得出:在玻璃纖維含量為0.9%左右時,超輕泡沫混凝土的綜合性能最好,其密度為205 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.058 W/(m·K),抗壓強度在0.32 MPa左右。

4 結(jié)語

實驗采用預(yù)制泡混合法成功制備了一種低密度、低導(dǎo)熱性能的新型超輕泡沫混凝土,主要得出以下結(jié)論:

(1)與普通泡沫混凝土和氣凝膠泡沫混凝土相比,在超輕泡沫混凝土中加入玻璃纖維在其成型中起到至關(guān)重要的作用。

(2)當(dāng)玻璃纖維含量為0.9%時,超輕泡沫混凝土的綜合性能最好,其密度為205 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/(m·K),抗壓強度在0.32 MPa。遠低于普通泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)(0.08～0.25 W/(m·K))與密度(300～1600 kg/m3),且抗壓強度完全符合泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)JG/T266—2011 中A03 級抗壓強度的要求。