高強度聚丙烯纖維泡沫混凝土的制備及抗蝕性能分析*

任大鵬

(大連海洋大學 應用技術學院,遼寧 大連 116300)

0 引 言

近年來,我國城鎮化的腳步和基礎建設的發展越來越快,截止2022年年底,我國建筑竣工面積累計值已超140億平方米[1-2]。隨著建筑數量的快速增加,建筑能耗也逐年增大,據統計,僅建筑能耗就占社會總能耗30%以上[3-4]。為了保證經濟的可持續發展,降低建筑能耗,發展節能建筑的任務迫在眉睫[5-7]。目前建筑領域常見的保溫材料主要有巖棉、泡沫陶瓷、泡沫混凝土和膨脹聚苯板等,通常為了要求建筑材料的保溫性,導熱系數一般都要低于0.12 W/(m·K)[8-11]。泡沫混凝土作為保溫建筑材料中的一種,是將水泥、外加劑和泡沫按照一定比例摻拌形成的,具有質量輕、保溫性能好和隔音性能強等優點[12-13]。泡沫混凝土也存在一定的缺點,例如強度偏低、耐久性不足[14]。為了獲得優異的耐久性和高強度的泡沫混凝土,通常會調整水灰比、加入玻璃纖維及不同種類的發泡劑等[15-16]。張磊等以自制微生物發泡劑為原材料制備了生土泡沫混凝土,研究發現泡沫摻雜量的增加改善了混凝土的強度,抗壓強度最高可達10.3 MPa,導熱系數最低為0.08 W/(m·K),具有較高的保溫性能和強度[17]。王晴等以礦渣和偏高嶺土為原料制備了地聚物基泡沫混凝土,發現水玻璃模數的增大可以提高混凝土的抗壓強度,礦渣比例的增大有助于提高泡沫混凝土的致密度,礦渣和偏高嶺土質量比為8∶2時致密度最高,28 d抗壓強度可達2.6 MPa[18]。聚丙烯纖維具有較高的強度和彈性模量,與水泥表面握裹力強,是近年來混凝土中常用的添加纖維[19-20]。為了獲得高強度和優異耐久性的泡沫混凝土,本文制備了聚丙烯纖維摻雜的泡沫混凝土,研究了聚丙烯纖維摻雜量對泡沫混凝土性能的影響,為拓展泡沫混凝土的實際應用提供實踐參考。

1 實 驗

1.1 實驗原材料與設備

海螺牌普通硅酸鹽水泥P.O 42.5：細度約為0.045 mm,化學成分如表1所示,山東誠開新型建材有限公司;發泡劑：K12十二烷基硫酸鈉,濟南道融化工有限公司;穩泡劑：十二醇,工業級,廣州市寶盛化工有限公司;聚丙烯纖維：形狀為單絲狀,密度為2.3 g/cm3,直徑在9～11 μm之間,抗拉強度為2 350 MPa,彈性模量為62 GPa,斷裂延伸率為2.35%,熔點為850 ℃,萊蕪晶凱工程材料有限公司;減水劑：聚羧酸減水劑,工業級,減水率為23%,山東潤躍化工有限公司;水：自來水。

表1 水泥的化學組成Table 1 Chemical composition of cement

水泥砂漿攪拌機：NJ-160B型,天津市中交路業工程儀器有限公司;冷場掃描電子顯微鏡：S-4800,日本日立公司;電子萬能試驗機：WDW-50,上海盛世慧科檢測設備有限公司;真空干燥箱：DHG-9023A,DZF-6020,上海靳瀾儀器制造有限公司;混凝土收縮變形測定儀：NES06,滄州中建精密儀器有限公司;導熱系數儀：DRPL-3B,北京航天偉創設備科技有限公司;標準恒溫恒濕養護箱：SHBY-40B型,河北大宏實驗儀器有限公司;混凝土氯離子擴散系數測定儀：RCM-6,上海魅宇試驗儀器有限公司。

1.2 聚丙烯纖維泡沫混凝土的制備

表2為聚丙烯纖維泡沫混凝土的配比。首先,將發泡劑和水按照質量比1∶70的比例放入發泡機中,以1 000 r/min的轉速均勻攪拌5 min;其次,按照表2的配比稱取水泥、聚丙烯纖維、減水劑等原料混合均勻攪拌,水灰比固定為0.49,減水劑用量為水泥質量分數的0.3%,發泡劑用量為水泥質量分數的0.15%,穩泡劑用量為水泥質量分數的0.05%;接著,將制備好的泡沫加入到水泥漿料中,混合攪拌3 min;隨后倒入模具中,放置24 h后拆模,拆模后放入恒溫恒濕的養護箱中養護3 d,再取出在常溫環境下自然養護,養護期間間隔2 d對試樣表面進行噴水,保證試樣表面濕潤,養護至28 d后,即得聚丙烯纖維泡沫混凝土試樣,然后對樣品進行性能測試。

表2 聚丙烯纖維泡沫混凝土的配比Table 2 Proportioning of polypropylene fiber foam concrete

1.3 樣品的性能測試

利用S-4800型冷場掃描電子顯微鏡對纖維泡沫混凝土的微觀形貌進行測試;按照JG/T 266-2011《泡沫混凝土》在WDW-50型電子萬能試驗機上對纖維泡沫混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度進行測試,加載速率為10 mm/min,測試結果精確至0.01 MPa;按照GB/T 11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗方法》對纖維泡沫混凝土的吸水率進行測試;按照GB/T 50082-2008《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》所規定的非接觸法進行混凝土收縮試驗,將試樣制備成300 mm×300 mm×30 mm的尺寸;利用導熱系數儀DRPL-3B對試樣的導熱系數進行測試;按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中快速氯離子遷移系數法(RCM法)對纖維泡沫混凝土的抗氯離子滲透性能進行測試[21]。

2 結果與討論

2.1 孔結構分析

圖1為養護28 d的聚丙烯纖維泡沫混凝土的光學顯微鏡圖。從圖1可以看出,所有試樣的氣孔孔徑分布約為0.25～0.95 mm,外形為橢圓形。從圖1(a)可以看出,未摻雜聚丙烯纖維的泡沫混凝土氣孔分布均勻性較差,孔壁較薄且粗糙,有明顯的連通孔和大孔存在。從圖1(b)-(e)可以看出,隨著聚丙烯纖維摻雜量的增多,泡沫混凝土的氣孔分布均勻性逐漸改善,氣孔尺寸變小,連通孔和大孔數量減少。當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,孔壁輪廓最為清晰,氣孔的完整度和封閉性較高,圓形度接近于1;當聚丙烯纖維的摻雜量增加到1.2%(質量分數)時,在局部又出現了連通孔。綜合分析可知,當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的孔徑形態最為均勻完整。

圖1 聚丙烯纖維泡沫混凝土的光學顯微鏡圖：(a)聚丙烯纖維的摻雜量為0;(b)聚丙烯纖維的摻雜量為0.3%(質量分數);(c)聚丙烯纖維的摻雜量為0.6%(質量分數);(d)聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數);(e)聚丙烯纖維的摻雜量為1.2%(質量分數)Fig.1 Optical microscope diagram of polypropylene fiber foam concrete with different doping amount of polypropylene fiber：(a) 0;(b) 0.3 wt%;(c) 0.6 wt%;(d) 0.9 wt%;(e) 1.2 wt%

2.2 SEM分析

圖2為養護28 d的聚丙烯纖維泡沫混凝土的SEM圖。從圖2(a)可以看出,未摻雜聚丙烯纖維的泡沫混凝土水化產物之間的結合較為疏松。從圖2(b)-(e)可以看出,聚丙纖維穿插于混凝土水化產物之間,聚丙烯纖維與漿體粘接較為牢固。隨著聚丙烯纖維摻雜量的增多,泡沫混凝土水化產物之間的結合更為緊密,聚丙烯纖維的存在產生了束縛作用,有效抑制了混凝土的開裂和收縮,使泡沫混凝土的結構更為致密。當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,氣孔尺寸顯著減小,自由水不易揮發,干燥收縮發生的概率降低;當聚丙烯纖維的摻雜量增加到1.2%(質量分數)時,局部出現了纖維脫落的現象,有明顯的大尺寸氣孔存在,這是因為過量的聚丙烯纖維分布不均出現聚集,使得纖維和水化產物的粘接不牢,導致在水化階段后期泡沫混凝土發生收縮后纖維被拔出。

圖2 聚丙烯纖維泡沫混凝土的SEM圖 ：(a)聚丙烯纖維的摻雜量為0;(b)聚丙烯纖維的摻雜量為0.3%(質量分數);(c)聚丙烯纖維的摻雜量為0.6%(質量分數);(d)聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數);(e)聚丙烯纖維的摻雜量為1.2%(質量分數)Fig.2 SEM images of polypropylene fiber foam concrete with different doping amount of polypropylene fiber：(a) 0;(b) 0.3 wt%;(c) 0.6 wt%;(d) 0.9 wt%;(e) 1.2 wt%

2.3 力學性能測試

圖3為養護3,7和28 d齡期的聚丙烯纖維泡沫混凝土的抗壓強度。從圖3可以看出,隨著聚丙烯纖維摻雜量的增加,泡沫混凝土的抗壓強度先緩慢增加后輕微降低。養護28 d齡期下,當聚丙烯纖維的摻雜量為0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(質量分數)時,泡沫混凝土的抗壓強度分別為3.89,4.06,4.22,4.49和4.37 MPa。當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的抗壓強度最大,相比未摻雜聚丙烯纖維的試樣,抗壓強度提高了15.42%。這是因為聚丙烯纖維自身具有較高的抗壓強度,適量纖維的存在能夠在泡沫混凝土中形成致密均勻的網格體系,發揮出骨架作用,另外,聚丙烯纖維的直徑在9～11 μm之間,能夠有效填充到泡沫混凝土的孔壁中,提高了孔壁的強度和密實度,有助于改善氣孔的圓整度,從而改善泡沫混凝土的強度。當聚丙烯纖維的摻雜量增加到1.2%(質量分數)時,纖維泡沫混凝土的抗壓強度出現了輕微降低。這是因為摻入過量聚丙烯纖維后,在砂漿攪拌時可以明顯觀察到纖維的團聚現象,在混凝土硬化過程中團聚部位易發生連通孔和大孔,氣孔破裂發生的概率大大增加,從而降低了泡沫混凝土的氣孔穩定性,因此抗壓強度出現了降低。

圖3 聚丙烯纖維泡沫混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive Strength of polypropylene fiber foam concrete

圖4為養護3,7和28 d齡期的聚丙烯纖維泡沫混凝土的抗折強度。從圖4可以看出,養護28 d齡期下,當聚丙烯纖維的摻雜量為0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(質量分數)時,泡沫混凝土的抗折強度分別為1.16,1.28,1.39,1.53和1.50 MPa,泡沫混凝土的抗折強度隨聚丙烯纖維摻雜量的增大表現出先增大后輕微降低的趨勢。當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的抗折強度最大,相比未摻雜聚丙烯纖維的試樣,抗折強度提高了31.90%。這是因為聚丙烯纖維自身的彈性模量高達60 GPa以上,適量纖維的摻雜能夠與漿體有效結合,強化了泡沫混凝土各區域之間的結合強度,裂紋和縫隙的生成難度增大,當混凝土受外力時,纖維會承擔部分應力,當混凝土內部出現裂紋時,纖維在混凝土中形成的致密網格會提高混凝土的抗變形能力,當混凝土要發生斷裂時需要克服纖維和漿體之間的結合力,所以抗折強度顯著增加。

圖4 聚丙烯纖維泡沫混凝土的抗折強度Fig.4 Flexural strength of polypropylene fiber foam concrete

圖5為養護3,7和28 d齡期的聚丙烯纖維泡沫混凝土的劈裂抗拉強度。從圖5可以看出,與抗折強度的變化趨勢相似,隨著聚丙烯纖維摻雜量的增加,泡沫混凝土的劈裂抗拉強度表現出先增大后輕微降低的趨勢。養護28 d齡期下,當聚丙烯纖維的摻雜量為0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(質量分數)時,泡沫混凝土的劈裂抗拉強度分別為0.61,0.77,0.89,1.03和1.00 MPa,當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的劈裂抗拉強度最大,相比未摻雜聚丙烯纖維的試樣,劈裂抗拉強度提高了68.85%。劈裂抗拉強度的提高主要得益于聚丙烯纖維形成的網格結構,纖維網格的存在對于骨料和漿料都產生了“束縛”和“牽連”作用,試樣在受力過程中不易被劈裂,從而提高了泡沫混凝土的抗裂性能。

圖5 聚丙烯纖維泡沫混凝土的劈裂抗拉強度Fig.5 Splitting tensile strength of polypropylene fiber foam concrete

2.4 吸水率測試

圖6為養護28 d齡期的聚丙烯纖維泡沫混凝土的吸水率測試結果。從圖6可以看出,當聚丙烯纖維的摻雜量為0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(質量分數)時,泡沫混凝土的吸水率分別為0.3148%,0.3142%,0.3093%,0.2841%和0.2925%。泡沫混凝土的吸水率整體變化率幅度為0.03%,變化幅度較小,吸水率隨聚丙烯摻雜量的增大表現出先降低后升高的趨勢。當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的吸水率達到最低值,這是因為摻入適量的聚丙烯纖維后,泡沫混凝土的孔徑分布得到了改善,連通孔和大氣孔數量減少,吸水率降低。此外,由于聚丙烯纖維自身的吸濕能力較弱,24 h的吸水率不足0.02%,因此泡沫混凝土吸水率的變化可以認為主要是和混凝土自身的孔隙結構有關。泡沫混凝土的吸水主要由毛細孔滲透和連通孔滲透這兩種方式組成,其中毛細孔滲透主要依賴水化前期生成的毛細孔進行滲透。連通孔滲透與自身的孔結構有直接關系,對于泡沫混凝土而言,孔徑尺寸分布不均、存在過多的連通孔和有害孔都會形成泌水通道,導致吸水率增大[22]。

圖6 聚丙烯纖維泡沫混凝土的吸水率測試Fig.6 Water absorption test of polypropylene fiber foam concrete

2.5 收縮性能測試

混凝土在硬化過程中,隨著水化反應的進行內部水和表面水開始蒸發減少,混凝土會發生收縮,此時混凝土的內部和表面容易產生裂紋,裂紋的生成數量隨著水化反應的進行逐漸增多,收縮率越小,表明混凝土產生裂紋和應力的概率越低。圖7為養護3～28 d齡期的聚丙烯纖維泡沫混凝土的收縮率測試結果。從圖7可以看出,隨著水化時間的進行,收縮率持續增加,這主要是因為泡沫混凝土孔隙中的水分蒸發產生了毛細管張力,造成了混凝土的收縮。養護28 d齡期下,當聚丙烯纖維的摻雜量為0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(質量分數)時,泡沫混凝土的收縮率分別為1.291%,1.202%,1.163%,1.121%和1.130%。隨著聚丙烯纖維摻雜量的增加,泡沫混凝土的收縮率先減小后增大,當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的收縮率最小,相比未摻雜聚丙烯纖維的試樣,收縮率降低了13.17%。這是因為摻入適量的聚丙烯纖維后,在混凝土中形成了網格結構,使得混凝土的收縮需要克服聚丙烯纖維對漿體的粘接作用力;其次,摻入的纖維改善了泡沫混凝土的孔結構,提高了各部分的結合強度,使混凝土發生收縮的難度增大。

2.6 導熱性能測試

平均溫度不高于350 ℃時導熱系數不大于0.12 W/(m·K)的材料稱為保溫材料,導熱系數能夠直觀表征纖維泡沫混凝土的保溫性能[23]。圖8為養護28 d齡期的聚丙烯纖維泡沫混凝土的導熱系數。從圖8可以看出,當聚丙烯纖維的摻雜量為0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(質量分數)時,泡沫混凝土的導熱系數分別為0.119,0.116,0.110,0.103和0.105 W/(m·K),所有泡沫混凝土的導熱系數均小于0.12 W/(m·K),具有較高的保溫性能。隨著聚丙烯纖維摻雜量的增加,泡沫混凝土的導熱系數表現出先降低后升高的現象。導熱系數的變化與泡沫混凝土的微觀形貌所對應,摻入適量的纖維后改善了泡沫混凝土的孔結構,其氣孔的完整度和均勻性得到改善,從而使導熱系數降低,保溫性能提升;當纖維摻雜量過多時,纖維在泡沫混凝土中的分布均勻性變差,團聚現象增多,出現了穿孔現象,有害孔數量增多,從而使導熱系數升高,保溫性能變差。

圖8 聚丙烯纖維泡沫混凝土的導熱系數Fig.8 Thermal conductivity of polypropylene fiber foam concrete

2.7 抗氯離子侵蝕性能測試

混凝土的抗蝕性能是反映其耐久性能差異的主要指標,氯離子的遷移通常會以水分子的傳輸表現出來,泡沫混凝土中裂紋和孔隙數量越多,氯離子遷移系數越大,混凝土受到侵蝕導致力學性能發生破壞的概率越高,耐久性越差。圖9為為養護28 d齡期的聚丙烯纖維泡沫混凝土的氯離子遷移系數。從圖9可以看出,當聚丙烯纖維的摻雜量為0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(質量分數)時,泡沫混凝土的氯離子遷移系數分別為9.1×10,8.5×10,8.3×10,8.1×10和8.2×10-12m2/s,未摻雜聚丙烯纖維的泡沫混凝土的氯離子遷移系數最大。結合圖2分析可知,這是由于泡沫混凝土自身孔壁封閉性較差,連通孔及孔間壁缺陷過多等導致了氯離子更容易發生遷移,氯離子遷移系數最大,抗氯離子侵蝕能力最低。隨著聚丙烯纖維摻雜量的增加,泡沫混凝土的氯離子遷移系數先降低后增大,抗氯離子侵蝕能力先增大后降低。當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的抗蝕性能最強。這是因為摻入適量的纖維后,增強了泡沫混凝土漿體過渡區的強度,使氣孔的輪廓更為完整,孔壁變厚,孔壁封閉性提高,孔徑更為均勻,大孔、連通孔等有害孔的數量減少,從而增強了泡沫混凝土的抗蝕性能。

圖9 聚丙烯纖維泡沫混凝土的氯離子遷移系數Fig.9 Chloride ion migration coefficient of polypropylene fiber foam concrete

3 結 論

(1)適量聚丙烯纖維的摻雜改善了泡沫混凝土的氣孔分布均勻性,當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的孔徑形態最為均勻完整。

(2)適量聚丙烯纖維的摻雜有效抑制了泡沫混凝土的開裂和收縮,使泡沫混凝土的結構更為致密。隨著纖維摻雜量的增加,泡沫混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度均先增大后減小,吸水率則先降低后升高。養護28 d齡期下,當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的抗壓強度最大為4.49 MPa,抗折強度最大為1.53 MPa,劈裂抗拉強度最大為1.03 MPa,吸水率最低為0.2841%。

(3)適量聚丙烯纖維摻雜后能夠與泡沫混凝土漿體緊密結合,提高了各水化產物的連接強度,形成的網格結構阻礙了混凝土的開裂收縮。養護28 d齡期下,當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的收縮率最低為1.121%。

(4)聚丙烯纖維泡沫混凝土具有較高的保溫性能和抗蝕性能,適量纖維的摻雜改善了氣孔的完整度和均勻性,降低了導熱系數,增強了抗蝕性能。當聚丙烯纖維的摻雜量為0.9%(質量分數)時,泡沫混凝土的導熱系數最低為0.103 W/(m·K),氯離子遷移系數最低為8.1×10-12m2/s。