纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的性能試驗(yàn)研究

馬曉寧，王 娟

( 榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西榆林 719000)

泡沫混凝土由于具有輕質(zhì)、保溫和隔熱耐火等特性而在現(xiàn)代化建筑中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。然而，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的泡沫混凝土還存在韌性較差、強(qiáng)度較低以及在極端環(huán)境下的抗凍性能較差等問(wèn)題［3-5］。本文擬選取熔點(diǎn)較低的聚乙烯醇纖維為原料，考察其添加量對(duì)于聚乙烯醇纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的力學(xué)性能、干縮性能和抗凍性能的影響，結(jié)果有助于新型泡沫混凝土的開(kāi)發(fā)，并有助于推廣其在現(xiàn)代化建筑工程中應(yīng)用。

1 材料與試件制備

以P.O 42.5 水泥( 比表面積400.8m2/kg，密度2.99 g/cm3，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為98min 和158min，28d 抗壓強(qiáng)度為53.8MPa）、硅灰（粒徑0.8 微米的占比82%，二氧化硅含量95.6%)、DN-10 發(fā)泡劑(pH=8，1h沉降距和泌水率分別為43mm 和60%）和聚乙烯醇纖維（直徑15mm，抗拉強(qiáng)度960MPa，斷后伸長(zhǎng)率6%，密度1.29g/cm3）為原料制備纖維增強(qiáng)泡沫混凝土。

根據(jù)JGJ/T 341-2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，按照表1 的聚乙烯醇纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的配合比制備試件，最后加入泡沫攪拌均勻后倒入模具中，刮平處理后用保鮮膜覆蓋進(jìn)行24h 硬化處理，然后轉(zhuǎn)入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)處理。

表1 聚乙烯醇纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的配合比Table 1 Mixture ratio of PVA fiber reinforced foam concrete

根據(jù)JG/T 266-2011《泡沫混凝土》測(cè)試泡沫混凝土的干密度、吸水率和室溫抗壓強(qiáng)度；根據(jù)GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)試泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度；根據(jù)GB/T 11973-1997《加氣混凝土抗凍性試驗(yàn)方法》進(jìn)行抗凍性能測(cè)試；根據(jù)GB/T 11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行干縮收縮測(cè)試；根據(jù)GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 防護(hù)熱板法》進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定；采用Zeiss-Sigma 500 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)顯微形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及討論

表2 為不同聚乙烯醇纖維含量的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、干密度、吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于A 組、B 組、C 組試件，隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，泡沫混凝土試件的28d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小特征，干密度、吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，A3、B3、C3 試件分別具有最大的28d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗折強(qiáng)度。可見(jiàn)，三組試件的28d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗折強(qiáng)度，以及干密度、吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)隨著聚乙烯醇纖維含量增加的變化趨勢(shì)相同。在聚乙烯醇纖維增強(qiáng)泡沫混凝土制備過(guò)程中，其干密度主要與孔隙率有關(guān)［6］，A3 試件具有較小的干密度和較小的孔隙率，而繼續(xù)添加聚乙烯醇纖維含量會(huì)在一定程度上限制泡沫在混凝土中的膨脹與上浮，從而減少了泡沫在混凝土中的分布［7］，因此孔隙數(shù)量并不會(huì)繼續(xù)發(fā)生大的變化，且此時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度會(huì)有一定程度的降低。此外，從28d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果來(lái)看，C3 試件＞B3 試件＞A3 試件，且C3 試件具有更小的吸水率和更大的導(dǎo)熱系數(shù)。

表2 聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能和保溫性能Table 2 Mechanical properties and thermal insulation properties of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete

表3 為不同聚乙烯醇纖維含量泡沫混凝土的干燥收縮值測(cè)量結(jié)果。無(wú)論是A 組、B 組還是C 組試件，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的干燥收縮值都會(huì)隨著齡期延長(zhǎng)而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，28d 試件的干燥收縮值要明顯高于其它試件；在相同齡期下，隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的干燥收縮值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，A3、B3 和C3 試件都具有該組最小的干縮收縮值。此外，對(duì)比分析可見(jiàn)，在相同齡期下(1～28 d)，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的干燥收縮值從大至小順序?yàn)锳3 試件＞B3 試件＞C3 試件，即C3 試件具有最小的干燥收縮值。

表3 聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的干燥收縮值（單位：10-6m)Table 3 Drying shrinkage value of PVA fiber reinforced concrete

圖1 為凍融循環(huán)15 次后A 組試件的表面形貌。對(duì)比分析可知，雖然在循環(huán)15 次凍融試驗(yàn)后，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土試件表面都存在不同程度的損傷，但是添加聚乙烯醇纖維的混凝土試件的表面剝落［8］現(xiàn)象明顯要低于未添加聚乙烯醇纖維的A0 試件，且A3 試件的表面質(zhì)量相對(duì)較好。

圖1 凍融循環(huán) 15 次后A 組試件的表面形貌Fig.1 Surface morphology of group A samples after 15 freeze-thaw cycles

表4 為不同聚乙烯醇纖維含量的泡沫混凝土的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率測(cè)試結(jié)果，分別列出了循環(huán)凍融5次、10 次和15 次后試件的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率［9］。根據(jù)JC/T 2357-2016《泡沫混凝土制品性能試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，循環(huán)凍融試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土試件的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失越大，抗凍性能越差［10］。從表4 的測(cè)試結(jié)果可知，無(wú)論是A 組、B 組還是C 組試件，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率都會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且添加聚乙烯醇纖維的混凝土的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率都要小于未添加聚乙烯醇纖維的混凝土，這也說(shuō)明聚乙烯醇纖維的添加有助于提升泡沫混凝土的抗凍性能。此外，對(duì)比A 組、B 組和C 組試件的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率可知，相同聚乙烯醇纖維含量的C 組試件的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率最小，具有相對(duì)更好的抗凍性能，但是聚乙烯醇纖維添加量并不是越多越好，在聚乙烯醇纖維含量超過(guò)1.2%時(shí)，試件的強(qiáng)度損失率反而會(huì)有所增大，這可能與此時(shí)聚乙烯醇纖維含量過(guò)高，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)［11］。另外，值得說(shuō)明的是，由于泡沫混凝土試件在循環(huán)凍融試驗(yàn)前期會(huì)出現(xiàn)外部水溶液滲透進(jìn)混凝土試件中的現(xiàn)象，因此凍融循環(huán)5 次時(shí)出現(xiàn)了質(zhì)量損失為負(fù)數(shù)的現(xiàn)象。

表4 聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of mass loss rate and strength loss rate of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete

圖2 為聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土A3 試件循環(huán)凍融試驗(yàn)后的界面粘結(jié)形貌。可見(jiàn)，在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)前，聚乙烯醇纖維能夠增加泡沫混凝土的均勻性并減少應(yīng)力集中現(xiàn)象；在進(jìn)行5 次循環(huán)凍融試驗(yàn)后，聚乙烯醇纖維的存在可以一定程度上抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，并且此時(shí)泡沫混凝土試件的吸水率會(huì)減少并降低水凍產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力［12］；繼續(xù)增加凍融循環(huán)次數(shù)，聚乙烯醇纖維與基體之間的粘結(jié)界面會(huì)逐漸產(chǎn)生裂紋，但是聚乙烯醇纖維的存在可以很大程度上抑制裂紋擴(kuò)展，從而取得相對(duì)未添加聚乙烯醇纖維的泡沫混凝土更好的抗凍性能。

圖2 聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土循環(huán)凍融試驗(yàn)后的界面粘結(jié)形貌Fig.2 Interface bonding morphology of PVA fiber reinforced concrete after cyclic freeze-thaw test

3 結(jié)論

（1）三組試件的28d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗折強(qiáng)度、以及干密度、吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)隨著聚乙烯醇纖維含量增加的變化趨勢(shì)相同。從28d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果來(lái)看，C3 試件＞B3 試件＞A3 試件，且C3 試件具有更小的吸水率和更大的導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）在相同齡期下(1～28 d)，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的干燥收縮值從大至小順序?yàn)锳3 試件＞B3 試件＞C3 試件，即C3 試件具有最小的干燥收縮值。

（3）無(wú)論是A 組、B 組還是C 組試件，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)混凝土的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率都會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且添加聚乙烯醇纖維的混凝土的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率都要小于未添加聚乙烯醇纖維的混凝土；相同聚乙烯醇纖維含量的C 組試件的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率最小，具有相對(duì)更好的抗凍性能，但是聚乙烯醇纖維含量超過(guò)1.2%時(shí)，試件的強(qiáng)度損失率反而會(huì)有所增大。