短切纖維超輕泡沫混凝土性能及機理研究

張鈺

（河南工業大學 漯河工學院，河南 漯河 462000）

0 引言

超輕泡沫混凝土具有自重小、比強度高、保溫性能好等優異性能，廣泛應用于復合墻體填充材料和外墻保溫材料[1-2]。然而，超輕泡沫混凝土其膠凝材料多以硫鋁酸鹽水泥為主，存在成本高、耐久性差、強度低等缺點。因此，探究保溫效果更好、導熱系數更小、質量更輕的泡沫混凝土材料[3-5]成為當今研究的熱門課題。Essam等[6]指出，水泥和密度在超輕泡沫混凝土制備過程起著重要的作用，并通過正交試驗得出各影響因素的最優配合比。張旭等[7]探究了聚丙烯纖維對超輕泡沫混凝土的改性作用，并提出了預測試件抗壓強度的數學模型。Mugahed等[8]分析了不同水膠比下混凝土的長期力學性能，發現玄武巖纖維能明顯改善輕骨料混凝土的疲勞壽命，同時對低水膠比試件力學性能增強的效果更好。

本文以短切纖維為增強材料，SiO2氣凝膠粉體為填充材料，制備了纖維超輕泡沫混凝土，探究了短切纖維類型及摻量對其性能的影響，同時分析了短切纖維的作用機理。

1 試驗

1.1 原材料與儀器設備

水泥：P·O42.5R，鄭州景昌建材有限公司；高效穩泡劑：ZQ型，廊坊晨坤化工建材有限公司；有機硅憎水劑：活性物含量50%，黏度12 mm2/s，德國瓦克；苯丙乳液：鄭州瑞利達化工產品有限公司；硬脂酸鈣：純度99%，濟南歐達鑄造材料有限公司；SiO2氣凝膠粉體（填充料）：密度110 kg/m3，導熱系數0.015 W（/m·K），孔隙率96%，平均粒徑0.237 nm，廊坊陶戈納米材料有限公司；增稠劑水溶液：將水與增稠劑混合并攪拌均勻，溶解時濃度控制在0.5%，使增稠劑完全溶解于水。玄武巖纖維（BF）：密度2.65 g/m3，斷裂強度＞1050 MPa，彈性模量＞35 GPa，山東浩森新材料有限公司；玻璃纖維（GF）：河間市潤達保溫材料公司；聚丙烯纖維（PF）：北京鵬洋新型建筑材料有限公司。短切纖維的物理力學性能見表1。

表1 短切纖維的物理性能

WDW-S20E型電子萬能試驗機，上海精密儀器儀表有限公司；DRX-I-RX型導熱系數測定儀，湘潭華辰儀器有限公司；40B型水泥試體恒溫恒濕養護箱，蘇州江凱機械設備有限公司；101型電熱鼓風干燥箱，上海政泓實業有限公司；JB-B型電子天平，諸暨市超澤衡器設備有限公司；CZB-C400型電子精密天平，安徽科冪儀器設備有限公司；B011型數碼顯微鏡，深圳超眼科技有限公司。

1.2 制備方法

依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》測試試件的氯離子擴散系數和電通量，試件齡期56 d，加工成100mm×50 mm的圓柱體。水泥用量分別為200、300 kg/m3，氣凝膠含量為10%，通過改變短切纖維類型和摻量探究纖維對輕泡沫混凝土試件性能的影響，各材料用量如表2所示。依照配合比稱取各組分物料，將氣凝膠粉體與水泥等進行干混，加入配制好的增稠水并攪拌20 s；緩慢加入短切纖維得到纖維氣凝膠混凝土漿體；將水與發泡劑倒入發泡機，采用機械加壓制備泡沫，將泡沫迅速加入纖維氣凝膠混凝土漿體中，攪拌均勻后倒入模具內，靜置24 h拆模，并置于養護箱中養護72 h，取出至25℃下自然養護至試驗齡期，得到短切纖維超輕泡沫混凝土試件。

表2 超輕泡沫混凝土的基本配合比

1.3 測試方法

通過壓力機對試樣施加均勻而連續地加載荷值，記錄破壞荷載F。將試件置于鼓風干燥箱內烘干48h，隨后冷卻至室溫，使用導熱系數測定儀對試件的導熱系數進行測試。測量試塊的邊長并稱其質量，計算試件干密度。稱量計算烘干后試件的質量和體積，將待測試件置于水箱底部浸泡2 h，用干毛巾和海綿吸去表面殘余水分，稱量試件的濕質量，計算試件的體積吸水率。

2 結果與分析

2.1 泡沫混凝土性能對比

3種泡沫混凝土的孔徑分布見圖1，孔結構參數見表3。

圖1 3種泡沫混凝土的孔徑分布

由圖1可以看出，3種試件的孔徑分布存在較大差異，其中，氣凝膠泡沫混凝土和普通泡沫混凝土的孔徑分布峰值分別在100～150μm和50～100μm，而玻璃纖維超輕泡沫混凝土試件孔徑尺寸在150～400μm相對比較集中，且孔徑分布更加均勻。

表3 3種泡沫混凝土的孔結構參數

由表3可以看出，玻璃纖維超輕泡沫混凝土平均孔徑大于普通泡沫混凝土和氣凝膠泡沫混凝土，但孔隙率小于其他2種泡沫混凝土。主要是由于氣凝膠為輕質材料，其內部為納米多孔結構，孔隙尺寸較小；短切纖維摻入試件中填充了部分孔隙。

3種泡沫混凝土的抗壓強度、導熱系數和密度如表4所示，其中2#和4#試件發生塌模現象。

表4 3種泡沫混凝土的密度、導熱系數及抗壓強度

由表4可以看出，摻入氣凝膠粉體能夠降低試件的導熱系數和密度，與氣凝膠泡沫混凝土相比，玻璃纖維超輕泡沫混凝土試件能夠在低的密度（200 kg/m3）下成型，主要是由于纖維會降低輻射換熱，使試件的有效導熱系數下降。對于抗壓強度而言，在水泥用量為300 kg/m3條件下，玻璃纖維超輕泡沫混凝土的抗壓強度比普通泡沫混凝土和氣凝膠泡沫混凝土試件分別提高了3.50%和13.44%。

2.2 纖維種類對超輕泡沫混凝土性能的影響

按表2中的5#配合比，改變纖維種類及摻量對試件抗壓強度的影響如圖2所示。

圖2 纖維種類及摻量對超輕泡沫混凝土抗壓強度的影響

由圖2可以看出，玻璃纖維超輕泡沫混凝土試件的抗壓強度略高于聚丙烯纖維和玄武巖纖維試件。摻量為1.2%的玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維泡沫混凝土試件的3 d抗壓強度較空白組分別提高20.96%、15.19%和9.03%，抗壓強度顯著提高。試件的28 d抗壓強度隨著纖維摻量的增加先提高后降低。其中，玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維泡沫混凝土試件的抗壓強度最大值分別為0.5767、0.5474和0.5325 MPa；玻璃纖維超輕泡沫混凝土試件的最大抗壓強度比玄武巖纖維和聚丙烯纖維試件分別提高5.35%和8.30%。主要是因為纖維摻量過少時對試件的抗壓強度的提升并不明顯，易受操作中偶然性因素的影響。纖維摻量增多使得試件中的纖維密集度逐漸增大，約束了試件中裂紋的產生與發展[9]，能夠承托骨料起到加強內部集料的作用。切割試件發現，內部氣孔尺寸相近、孔徑小、分布均勻，且纖維分布均勻。纖維摻量較高時出現了結團現象，且周圍的氣孔尺寸極不均勻，由此推測纖維摻量大于0.9%時纖維的實際利用率降低，試件內部產生結團現象，同時纖維的比表面積較大，無法有效提高試件的抗壓強度。

纖維種類及體積摻量對超輕泡沫混凝土導熱系數的影響如圖3所示。

圖3 纖維種類及摻量對超輕泡沫混凝土導熱系數的影響

由圖3可以看出，試件的導熱系數隨著纖維摻量增加均有所降低，其中短切玻璃纖維試件的導熱系數下降趨勢更加明顯。對比發現，空白組試件的導熱系數為0.050 W（/m·K），纖維摻量為1.2%時，玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維泡沫混凝土試件的導熱系數分別為0.044、0.045和0.046 W（/m·K），比空白組分別降低了12%、10%和8%。固相材料的孔隙率、體積密度等因素對試件的導熱系數有較大影響，熱量在試件中通過振動實現傳導，摻入纖維后試件內部的孔道形貌發生改變，平均孔徑和密度逐漸減小，空氣介質小于固體介質傳熱，使得試件的導熱系數略有降低，熱工性能得到改善。

纖維種類及體積摻量對超輕泡沫混凝土吸水率的影響見圖4。

圖4 纖維種類及摻量對超輕泡沫混凝土吸水率的影響

由圖4可以看出，隨著纖維摻量增加，試件吸水率先增大后減小然后再增大，說明不同纖維的摻量對混凝土的吸水率有不同的影響。

纖維種類及摻量對超輕泡沫混凝土抗氯離子滲透性能的影響如圖5所示。

圖5 纖維種類及摻量對超輕泡沫混凝土抗氯離子滲透性能的影響

由圖5可以看出，試件的電通量和氯離子擴散系數隨著纖維摻量的增加均不斷降低，表明增大纖維摻量有利于提升試件的抗滲性能，且玻璃纖維的改善作用大于玄武巖纖維和聚丙烯纖維。纖維摻量為1.2%時，玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維泡沫混凝土試件的電通量比空白組分別降低了18.68%、11.21%和8.88%，氯離子擴散系數分別降低了22.39%、8.77%和7.67%。主要是由于網狀分布的短切纖維優化了孔徑結構，細化了孔徑尺寸，有效地填充混凝土的大孔隙，提高混凝土的密實度[10]。此外，玻璃纖維在基體中的亂向分布，阻斷了氯離子遷移通道，減少基體內部連通裂縫的數量。

2.3 機理分析

理想情況下短切纖維在混凝土基體中有效分散，且呈單絲狀隨機分布。纖維較長、纖維摻量較大時，會發生成團、成束等分布不均勻現象[見圖6（a）]，在漿體中的分散性變差。受到荷載作用時，纖維團在混凝土基體中屬于薄弱環節，該部位應力相對集中，會對試件強度產生不利的影響。當纖維摻量較低、纖維較短時，短切纖維試件的斷面中存在很多的孔洞，纖維自身未發生形變，說明試件破壞的過程中，玄武巖纖維和玻璃纖維自身具有較高的抗拉強度，纖維和基體的粘接界面成為試件的薄弱位置。短切纖維摻量提高后，發生了明顯的受拉變形[見圖6（b）]，短切纖維和基體界面粘接力大于纖維自身抗拉強度，此時主要以纖維拉斷失效為主。

圖6 短切纖維超輕泡沫混凝土的SEM照片

摻加1.2%不同短切纖維超輕泡沫混凝土試件的荷載-變形曲線如圖7所示。

圖7 摻加不同短切纖維超輕泡沫混凝土試件的荷載-變形曲線

由圖7可以看出，摻入短切纖維可以將超輕泡沫混凝土的脆性破壞轉變為延性破壞，當基體發生斷裂后短切纖維能夠承擔一定應力，使得超輕泡沫混凝土試件的彎曲韌性增強。

短切纖維超輕泡沫混凝土試件破壞分為3個階段：第1階段，主要是超輕泡沫混凝土基體受力極易產生微裂縫，而短切纖維大量分布于試件內部，緩和了裂縫尖端的應力集中，阻止微裂縫的進一步產生和擴展，從而提高了試件的抗折強度。第2階段：此階段短切纖維受力，超輕泡沫混凝土試件產生了可見裂縫，基體已經開裂，纖維承擔荷載產生拉伸形變，延緩了斷裂的速率，改變了基體脆性斷裂特征。第3階段：短切纖維不斷發生斷裂，或者短切纖維與基體材料脫粘試件徹底破壞。短切纖維橋接裂縫示意如圖8所示。3種短切纖維的抗拉強度均遠高于超輕泡沫混凝土基體，在短切纖維超輕泡沫混凝土材料中，適量的短切纖維一方面承擔荷載的作用，橋接可見裂縫提高了試件的抗折強度[9-10]；另一方面，能夠延緩微裂縫的出現和發展，受壓時纖維會約束材料的橫向變形，試件的抗壓強度明顯提高。

圖8 短切纖維橋接裂縫示意

3 結論

制備了短切纖維超輕泡沫混凝土，并對其進行宏觀性能測試與微觀結構表征，摻入0.9%體積摻量的玻璃纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維均能提高超輕泡沫混凝土的抗壓強度，且玻璃纖維的增強效果更好。短切纖維的摻加能夠提高混凝土的密實度，改善混凝土的薄弱部位。纖維體積摻量為1.2%時，玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維泡沫混凝土試件的導熱系數比空白組分別降低了12%、10%和8%；電通量較空白組分別降低了18.68%、11.21%和8.88%，氯離子擴散系數較空白組分別降低了22.39%、8.77%和7.67%。