纖維聚合物水泥基復合材料性能及機理研究

黃 波 管 濤

（信陽職業技術學院，河南 信陽 464000）

1 引言

高性能纖維增強的水泥基復合材料是一種新型、改良而成的復合材料。相較于水泥混凝土而言，高性能纖維改性水泥基復合材料具有可塑性高、耐久時間長、裂縫寬度小、可自我調節空隙等優點，在抗震等級性能和抗拉強度方面表現突出。同時，從混凝土結構來看，混凝土的延性開裂還可以有效解決工程建筑中鋼筋混凝土抗壓強度和持久性不足的問題。近年來，隨著我國對建筑施工的愈加重視與關注，混凝土結構的理論力學性能和應用性能作為工程建筑的基礎性能也必須具備更高的水準。目前，國內新型墻板、墻體理論力學性能較差，安裝后墻板易開裂，實際保溫效果不好。而作為一種輕質多孔結構的無機材料，泡沫混凝土以其隔熱、隔音、防火、降噪等特性，在復合墻板的應用中更占據優勢。通過全面了解水泥基復合材料和高性能纖維改良發泡水泥的性能與特點，研發設計了一種新型的復合墻板，該復合墻板由內部結構混凝土澆注到發泡混凝土中所制成，同時，科學研究分析高性能纖維，進而有效提高水泥基復合材料的理論力學性能和墻體制品的保溫性能。

2 試驗概況

2.1 主要原材料

（1）混凝土：鄂盛砼集團的P·O42.5R級混凝土，比表面積為350m2/kg。（2）硅灰石粉：半加密存儲的硅灰石粉。（3）粉煤灰：四川宜賓電廠的一級粉煤灰。（4）粉煤灰玻璃微珠：安徽友盛建材裝飾新科技集團有限公司生產，以自制減水率為35%、固含量為50%的聚羧酸高性能減水劑產品為基礎的玻璃微珠減水劑產品。（5）有機硅消泡劑：山藥醇型有機硅消泡劑。（6）纖維素醚：羥丙基羥纖維素（HPMC）。（7）纖維：四川維尼綸廠生產的 PVA短纖維，直徑為39μm，長度為6mm，伸長率為8%，塑性為35.0GPa，抗壓強度為1 430MPa，相對密度為1.3g/cm3。

2.2 復合墻板的結構構成及制作方法

墻板的組成部分見表1，構造形式如圖1所示。

表1 墻板的組成部分

圖1 空心率≥65%的空心墻板橫截面構造尺寸（單位：mm）

2.3 檢測與表征方法

在高性能纖維的作用下，水泥復合材料與擋土墻的理論力學和流變性能不斷提高。試驗以《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》（JC/T 2461-2018）和《水泥砂漿強度試驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）為模型對樣本進行抗壓和抗壓強度的測試，40mm×40mm×160mm為規格型號，各試樣參數為延性試樣尺寸300mm×100mm×100mm、理論力學性能和吸水率試樣尺寸為100mm×100mm×160mm、傳熱系數試樣尺寸為300mm×300mm×30mm，依據《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）對泡沫混凝土細木工板性能進行試驗。同時，按《建筑材料穩定導熱系數的測量與校準》（GB/T 13475-2008）中的熱箱法“安全防護”準則，選用尺寸為 1 400mm×1 400mm×100mm 的 WTRZ-1212產品型穩定對流換熱性能測試儀來測試墻體的導熱系數。

3 試驗結果與分析

3.1 高性能纖維增強水泥基復合材料基材的性能

經試驗，混凝土水灰比為0.20時，高性能纖維提高了水泥基復合材料的理論力學性能（抗拉強度≥80MPa、抗壓強度≥20MPa），其流動性能優異。在設計方案中，纖維組分分別為1.0%、1.5%和2.0%，這樣是為了更好地明確最佳纖維的用量。表2為高性能纖維改性水泥基復合材料混凝土配合比，試驗混凝土的混凝土水灰比為0.2。

表2 高性能纖維增強水泥基復合材料的配合比（kg/m3）

3.1.1 纖維摻量對新拌漿體流變性能的影響

在漿料折疊過程中，ICAR PLUS混凝土流變儀用于測量其剪切應力和黏度。結果表明：隨著纖維含量從1.0%增加到2.0%，纖維黏度也呈現出先減小后增大的趨勢。同時，屈服應力逐漸增大，這是因為在攪拌過程中，自身的折中剪應力和纖維與水泥漿體所形成的摩擦效應都需要水泥漿體進行處理。在纖維含量較低（1.5%以內）時，攪拌對料漿流動性的現實意義遠高于纖維所產生的壓力，漿料黏度的危害較小；在纖維含量超過1.5%時，纖維產生的漿料壓力降低漿料的流動性，黏度緩慢上升。另外，在纖維含量不斷增加的同時，水泥基漿料所需要的抗拉強度也在不斷攀升，整個管理信息系統的破壞剪應力隨之也越大。

3.1.2 纖維摻量對高性能纖維增強水泥基復合材料力學性能的影響

實驗結果表明：水泥基復合材料的理論力學性能在高性能纖維的作用下得以改善，隨著纖維含量的增加，試樣的3d、7d、28d抗折強度明顯提高。當纖維含量為2.0%時，抗折強度均可達到20MPa以上。隨著纖維含量的增加，試樣的3d、7d和28d抗壓強度均呈現先變大后減小的發展趨勢，說明纖維含量過高會導致抗壓強度被破壞。當纖維含量為1.5%時，抗壓強度最高。隨著纖維含量的增加，樣品韌性多態性的生長和進展速率降低，這說明韌性的多態性受纖維含量的影響較小。由于水泥基復合材料的性能可以被高性能纖維改善，因此，1.5%是PVA纖維的最佳摻量。多數情況下，泡沫混凝土密度等級與28d抗拉強度和傳熱系數成正比，與體積吸水率成反比。隨著泡沫混凝土密度等級的降低，其28d抗拉強度和傳熱系數也降低，而體積吸水率則升高。由此可見，鑒于其邊際效益和保溫性能，活性炭纖維復合墻板的原料選用低密度的泡沫混凝土更合適。本文采用的現澆箱梁墻填充細工板為市場上泡沫混凝土，密度為200kg/m3，詳細參數見表3。

表3 泡沫混凝土的基本性能測試結果

3.2 高性能纖維增強水泥基復合墻板性能研究

3.2.1 力學性能

在所有應用中必須考慮墻體材料的抗拉強度和抗拉能力。因此，本文對空心墻板和復合墻板的28d拉伸強度和彎曲性能進行了測試。

①抗壓性能。在坍落度試驗中，熱應力法分為表面熱應力和垂直熱應力。坍落度試驗結果見表4。損傷部位的面力和側向力分別在控制面板和肋條的交界處，損傷間隙沿家具板的規格和方向發展。復合墻板和中空墻板具有抗壓能力。承重受損部分也是如此，說明這部分是承重部分，是家具控制面板施工中的薄弱環節。以JF2組為例，已知墻板的抗拉強度遠小于家具板，面層的抗拉強度約為家具板抗拉強度的14%，垂直角抗拉抗壓強度約為家具板抗拉強度的14%，表4為不同類型墻板的抗壓強度。

表4 不同類型墻板的抗壓強度（MPa）

②抗彎性能。表5為全過程的抗彎強度測試效果。當活性炭纖維原料為泡沫混凝土，相對密度為200kg/m3時，復合墻板的極限均布抗彎荷載為5 000N/m2，板中最大撓度為5.13mm，極限抗彎荷載指數為8.0，彎曲性能良好。可見，復合墻板的極限對稱彎曲荷載略低于空心墻板。

表5 抗彎試驗結果

3.2.2 熱工性能

工程建筑的彎鋼框架結構自始至終受到室內外塞貝克效應的影響，熱量根據彎鋼框架結構不斷傳遞。當季節更替時，外部熱效率、內部結構的溫度和彎曲結構的加熱都隨著時間的變化而變化。墻體作為建筑工程的外弧形鋼框架，與室外地形接觸較多，保溫性尤為關鍵，能直接危及工程建筑的能耗問題。因此，本文對復合墻板傳熱的全過程和統計分析方法下的兩個方面進行了深度地研究，運用兩種或兩種以上的計算方法進一步分析原材料復合墻板的傳熱性能。

①測試結果分析：中空墻板和復合墻板的導熱系數數據測試表明，中空墻板的導熱系數為3.08W/m·K。相比之下，復合墻板的導熱系數急劇下降至0.75W/m·K。依據《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）來看，當復合墻板厚度為100mm時，冬季冷熱地區公共建筑外墻的導熱系數就可被調節。

②計算結果：依據墻板保溫基礎知識的計算，評價墻板保溫性能的關鍵參數為傳熱群R0和傳熱系數K值。傳熱系數K是一個標量，具體指在評估墻板本身或其中一層材料所出現的特性阻抗傳熱能力。本分析選取由兩種或兩種以上原材料構成的空心墻板和復合墻板本。另外，參照《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176-2016）對不同原材料的傳熱摩擦阻力R進行取用，依據式（1）對平均傳熱系數進行計算：

式中：——平均熱阻，m2·K/W；

F0——與熱流方向垂直的總傳熱面積，m2；

F1、F2……Fn——按平行方向與熱流方向劃分的各個傳熱面積，m2；

R0.1、R0.2……R0.n——各個傳熱面積部位的傳熱阻，m2·K/W；

Ri——內表面換熱阻取0.11m2·K/W；

Re——外表面換熱阻取0.04m2·K/W。

根據式（2）計算整個墻板的傳熱阻R0：

評價墻板保溫性能的重要指標是傳熱系數。依據式（3）計算空心墻板和復合墻板的傳熱系數K：

由墻板傳熱系數指標值可見，中空墻板的傳熱摩擦阻力為0.163m2·K/W，摩擦阻力值不及墻板傳熱摩擦阻力的1/6。中空墻板的傳熱系數較復合墻板的傳熱系數高，前者為3.21W/m·K，后者為0.83W/m·K。實驗結果表明：墻體的保溫性能在泡沫混凝土填充空心后，在墻板的傳熱摩擦作用下，其性能會顯著提高。墻板傳熱系數的測試與計算結果基本一致，表明可以利用傳熱系數計算方法準確地測量復合墻板的傳熱系數。

4 結語

（1）當PVA化纖的用量越來越多時，環氧樹脂水泥復合材料的3d、7d、28d抗壓強度在高性能化纖的作用下，其抗壓強度也在不斷提高，其中，7d、28d抗拉強度可達到20MPa以上，PVA化纖的最佳摻量為1.5%。鑒于墻體的成本和保溫性能，復合墻體材料建議采用泡沫混凝土，相對密度為200kg/m3。

（2）復合墻板的極限彎曲荷載指數為9.0，縱向抗拉強度≥15MPa，綜合理論力學性能良好。

（3）采用標準傳熱系數計算方法，可立即計算出復合墻板的傳熱系數，實驗結果與墻板傳熱系數的指標值基本吻合。