聚丙烯纖維摻量對堿礦渣泡沫混凝土砌塊性能影響的研究

江旋，季韜，徐維，梁詠寧

（福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108）

0 引言

堿礦渣水泥能充分合理地利用工業礦渣，達到變廢為寶的目的；將其推廣應用，既有助于節能環保，又符合可持續發展的戰略[1-2]。與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，堿礦渣水泥混凝土有很多優點，如抗壓強度高、快硬早強、耐久性好等[3-4]。采用普通硅酸鹽水泥制備泡沫混凝土砌塊，存在硬化慢、強度低等缺點，堿礦渣水泥可以克服這些缺點，更適用于制備泡沫混凝土砌塊[5]。

目前，針對堿激發水泥泡沫混凝土的研究還較少。Lidija和Vilma[6]使用過硼酸鈉作為發泡劑，十二烷基硫酸鈉作為穩定劑，粉煤灰作為膠凝材料制備堿激發水泥泡沫混凝土，這大幅度提高了泡沫混凝土的抗壓強度，但與傳統的泡沫混凝土相比，堿激發水泥泡沫混凝土的收縮較大。目前有大量研究表明[7-13]，聚丙烯纖維（PP 纖維）可以均勻地分布在泡沫混凝土中形成網狀結構，將其作為增強材料應用于泡沫混凝土中可以有效改善泡沫混凝土的收縮和抗裂性能、孔結構和力學性能。但目前PP 纖維對堿礦渣泡沫混凝土砌塊（AFC）的抗壓強度、干密度、吸水率、干燥收縮、裂紋長度率和孔結構等性能的影響研究較少。堿礦渣水泥的收縮大于普通硅酸鹽水泥，摻入PP 纖維預期會有更好的效果。本文選擇水玻璃作為激發劑，以鋁粉作為發泡劑，研究PP 纖維摻量對AFC 性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）礦渣：泰宇混凝土廠提供，堿度系數1.10，活度系數0.20，其主要化學成分如表1所示。

表1 礦渣的主要化學組成 %

（2）氫氧化鈉：天津市恒興化學試劑制造有限公司生產，顆粒狀，純度大于96.0%。

（3）粉煤灰：福州雙騰建材有限公司提供，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求。

（4）水玻璃：品杰儀器有限責任公司提供，Na2SiO3固體含量為36.0%，水玻璃模數為3.2，采用氫氧化鈉將水玻璃模數調整為1.5。

（5）鎂粉：遼寧海城市群利礦業有限公司經過一次煅燒生產，平均粒徑為33.292 μm，表觀密度為3503 kg/m3，主要組成見表2。

表2 鎂粉的化學組成 %

（6）水：自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》要求。

（7）發泡劑：從江蘇淮安采購，為水劑型鋁粉膏，基本性能符合JC/T 407—2008《加氣混凝土用鋁粉膏》要求。

（8）聚丙烯（PP）纖維：河北廊坊市昊軒建材廠生產，主要指標見表3。

表3 PP 纖維主要指標

1.2 配合比

已有的堿礦渣泡沫混凝土配合比為礦渣1736.01 g，粉煤灰193.10 g，氧化鎂80.37 g，水玻璃（固體成分）284.20 g，鋁粉3 g，水333.90 g，編為空白組。分別按照激發劑、礦渣、粉煤灰、氧化鎂和水的總質量的百分比外摻0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的聚丙烯纖維，分別編為PPS1～5 組，研究PP 纖維的摻量對AFC 性能的影響。

1.3 試件成型工藝

1.3.1 攪拌工藝

按1.2 中的配合比稱量礦渣、粉煤灰、氧化鎂和PP 纖維，將其倒入凈漿攪拌機中干拌3 min，加入水玻璃激發劑迅速攪拌，先低速攪拌1 min，再高速攪拌1 min，然后倒入鋁粉高速攪拌30 s，將攪拌均勻的漿體倒至100 mm×100 mm×100 mm的塑料模具高度的1/2，然后靜停發氣。

1.3.2 養護工藝

試塊在標準養護條件下[養護溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%]帶模養護1 d 后拆模，并繼續在養護間養護至規定齡期。

1.4 性能測試方法

（1）抗壓強度、干密度和吸水率：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，測試齡期為28 d，試件數3 個，參照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行測試。

（2）干燥收縮：試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，測試齡期為28 d，試件數3 個，參照JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行測試。

（3）裂紋長度率：利用Stemi508 型掃描電子顯微鏡拍攝泡沫混凝土側面照片，使用放大40 倍的刻度放大鏡測量裂紋長度。利用體視顯微鏡隨機拍攝的4 張照片，測量其裂紋長度，取其平均值，計算裂紋長度率。裂紋長度率為裂紋長度除以選取照片的面積（50 mm×50 mm），測試齡期為28 d，試件數為3 個。

（4）孔結構試驗：利用Stemi508 型掃描電子顯微鏡拍攝泡沫混凝土斷面照片，然后應用計算機圖像處理軟件Image Pro Plus 對照片進行處理，得到其孔圓度值、孔隙率、孔徑分布、平均孔徑[14]。

2 試驗結果

2.1 PP 纖維摻量對AFC 抗壓強度和干、濕密度的影響（見圖1）

圖1 PP 纖維摻量對AFC 28 d 抗壓強度和干、濕密度的影響

由圖1 可知，隨著PP 纖維摻量的增加，AFC 的抗壓強度和干、濕密度下降。纖維摻量從0 增加到0.6%時，AFC 的抗壓強度從3.96 MPa 下降至3.41 MPa，下降了13.9%；濕密度從648 kg/m3下降至612 kg/m3，下降了5.6%；干密度從575 kg/m3下降至540 kg/m3，下降了6.1%。當PP 纖維摻量為0.6%時，AFC 抗壓強度、濕密度和干密度達到最低值，分別為3.41 MPa、612 kg/m3和540 kg/m3，但最低強度仍能符合JG/T 266—2011 中C3 等級的要求。

2.2 PP 纖維摻量對AFC 吸水率的影響（見表4）

表4 PP 纖維摻量對AFC 吸水率的影響

由表4 可知，隨著PP 纖維摻量的增加，AFC 吸水率呈上升趨勢。摻量為0.6%時，其吸水率最大，相較于未摻PP 纖維的AFC，其吸水率上升了18.9%；當摻量在0.4%～0.6%時，AFC 吸水率上升速度加快。將PP 纖維摻入AFC 中，PP 纖維會穿插分布在AFC 漿體中，使內部連通孔和貫穿孔的數量增多，AFC 吸水率也增大。

2.3 PP 纖維摻量對AFC 干燥收縮的影響（見圖2）

圖2 PP 纖維摻量對AFC 干燥收縮的影響

由圖2 可知，隨著PP 纖維摻量的增加，干燥收縮在每個齡期均下降。當PP 纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%時，相較于未摻纖維的AFC3 d 干燥收縮分別降低了10.13%、15.27%、18.34%、20.93%和22.48%，56 d 干燥收縮分別降低了4.88%、7.01%、9.95%、10.82%和12.29%。

由于PP 纖維的直徑較小，可以均勻地分布在AFC 漿體內部；當漿體發氣后，纖維在AFC 內部形成了亂向支撐；當AFC 漿體干燥收縮產生應力時，PP 纖維就會承受拉應力，消耗部分內應力，使得AFC 干燥收縮減小。

2.4 PP 纖維摻量對AFC 裂紋長度率的影響（見表5）

表5 PP 纖維摻量對AFC 裂紋長度率的影響

如表5所示，隨著6 mm 纖維摻量的增加，裂紋長度率呈大幅度下降趨勢。摻入0.6%PP 纖維時，AFC 裂紋長度率最低；相較于未摻纖維的AFC，其裂紋長度率下降了97.4%。細長的纖維橫跨AFC 微裂縫，抵消掉因收縮而產生的拉應力，限制裂紋的發展。當PP 纖維摻量在0～0.3%時，裂紋長度率減少最明顯。這是因為當PP 纖維的摻量較多時，纖維在AFC 內部容易分布不均勻，導致其對裂紋發展的限制作用沒有小摻量的好。因此，當纖維摻量在0.3%～0.6%時，裂紋長度率下降的趨勢沒有摻量在0～0.3%時的明顯。

2.5 PP 纖維摻量對孔結構的影響（見表6）

表6 纖維摻量對堿礦渣泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率的影響

由表6 可以看出，隨著PP 纖維摻量的增多，AFC 的平均孔徑呈減小的趨勢，孔隙率呈增大的趨勢。當纖維摻量為0.6%時，相較于未摻纖維的AFC，其平均孔徑減少了24.8%，孔隙率增大了13.6%。孔隙率的增大導致了AFC 干密度、濕密度和抗壓強度的下降。不同PP 纖維摻量AFC 的孔徑與孔圓度值分布見圖3。

由圖3 可以看出，隨著PP 纖維摻量的增加，AFC 大孔減少，小孔的比例增多，AFC 孔的圓度值逐漸得到改善。圓度值用來描述孔形貌特征，孔越圓，則圓度值越接近1，孔形貌特征越好。從圖3（b）可以看出，在未摻PP 纖維的空白組中，AFC 孔圓度值在1.0～1.8 之間的數量占52.9%，而圓度值超過1.8 的占47.1%。隨著PP 纖維摻量的增多，圓度值大于1.8 的孔有一定程度的減少，孔的形貌特征得到改善。雖然孔的形貌特征得到一定程度的改善，但是由于影響抗壓強度的主導因素是孔隙率，所以抗壓強度還是會隨著孔隙率的增加而下降。

圖3 PP 纖維摻量對AFC 孔結構的影響

2.6 SEM 分析

不同摻量PP 纖維堿礦渣泡沫混凝土砌塊的氣孔結構見圖4。

圖4 不同PP 纖維摻量AFC 的氣孔結構

由圖4 可知，未摻PP 纖維的AFC 存在一些微小的孔洞和微裂紋。隨著PP 纖維摻量的增加，微裂紋逐漸減少，當摻入0.4%和0.6%的PP 纖維后，堿礦渣泡沫混凝土的內部幾乎看不到微裂紋的存在。PP 纖維可以抵抗堿礦渣泡沫混凝土裂紋的擴展，減小裂紋長度率。相較于未摻纖維的空白組，摻入PP 纖維AFC 的連通孔和貫穿孔數量增多，使摻入PP 纖維的AFC 吸水率增加。不同PP 纖維摻量AFC 中纖維與硬化漿體的交接面見圖5。

圖5 不同PP 纖維摻量AFC 中纖維與硬化漿體的交接面

由圖5 可以看出，硬化漿體對PP 纖維的包裹性也較好，在纖維與漿體接觸面幾乎看不到微裂紋的存在，纖維與硬化漿體粘結效果較好，所以當PP 纖維承受拉應力的同時，PP 纖維不易松動，這證明了摻入PP 纖維可以減小干燥收縮和裂紋長度率。

3 結論

（1）隨著PP 纖維摻量增加（0～0.6%），堿礦渣泡沫混凝土砌塊（AFC）孔徑大小分布、孔圓度值得到了改善，但由于孔隙率的增加是主導因素，AFC 吸水率上升，其抗壓強度和干、濕密度減小。

（2）隨著PP 纖維摻量的增加，硬化漿體對PP 纖維的包裹性也較好，在纖維與漿體接觸面幾乎看不到微裂紋的存在，由于PP 纖維與硬化漿體粘結效果較好，AFC 干燥收縮和裂紋長度率均下降。