玄武巖纖維摻量對泡沫混凝土性能的影響

楊瑞環(huán) 霍冀川 趙 星

(西南科技大學四川省非金屬復合與功能材料重點實驗室 四川綿陽 621010)

改革開放以來，我國對創(chuàng)建“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”國家的力度不斷加大，節(jié)能材料受到人們的青睞［1］。在我國的能源消耗中，建筑業(yè)耗能已經(jīng)成為三大“耗能大戶”之一［2］。因此，研制耗能低的建筑材料，特別是高效保溫隔熱材料，具有十分重要的意義。我國建設部全面實施推進建筑節(jié)能，使建筑保溫(隔熱)材料成為建筑領域研究的第一熱點。泡沫混凝土作為一種防火安全性無機保溫材料，得到了全社會越來越廣泛的認知和重視，使其在各個領域中得到廣泛應用［3］。

泡沫混凝土通常是用機械方法將發(fā)泡劑水溶液制成泡沫，將泡沫加入到由含有外加劑、纖維、水及硅、鈣等材料制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌制成泡沫料漿，然后澆注成型或現(xiàn)場澆注養(yǎng)護形成的一種輕質(zhì)微孔材料［4－6］。由于成型方法的特殊性，泡沫混凝土具有輕質(zhì)、熱工性能優(yōu)越、隔音耐火性能良好［7－8］、可泵送性能好、防水能力強和沖擊能量吸收性能好等優(yōu)點［9］。但是，由于泡沫混凝土內(nèi)部含有許多氣孔，故其性能也存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)為強度嚴重偏低、吸水率較大、開裂問題［10］等。為了改善這些性能，人們試圖在泡沫混凝土中添加纖維來改變這種現(xiàn)狀。

纖維在水泥基材料中具有增強、阻裂和增韌等作用［11－13］。在泡沫混凝土中加入玻璃纖維可以使抗折強度大大提高［14］。聚丙烯纖維可以增強泡沫混凝土的可塑性和抗拉強度［15］。玄武巖纖維具有化學穩(wěn)定性強、吸濕性較低、抗酸堿能力強、與水泥相容性良好等特點，能夠在水泥基材料中呈三維空間亂向分布，改變泡沫混凝土內(nèi)部孔結構，從而改善其性能。

本文主要通過單因素試驗法對泡沫混凝土的性能進行試驗，考察了玄武巖纖維的摻量對泡沫混凝土的物理性能、力學性能、變形性能及熱工性能的影響以及玄武巖纖維與泡沫混凝土界面的結合情況。

1 實驗

1.1 實驗原料

(1)水泥:42.5R級普通硅酸鹽水泥，密度為3.15 kg/m3，其各項性能指標均符合 GB 175－2007(通用硅酸鹽水泥)標準。

(2)發(fā)泡劑:鞏義市世邦泡沫混凝土工程有限公司，稀釋倍數(shù) 20，發(fā)泡倍數(shù)為 28，穩(wěn)泡時間15.6 h。

(3)玄武巖纖維(BF):上海某公司提供，其有關性能見表1。

(4)水:普通自來水。

表1 玄武巖纖維的物理性能Table 1 The physical properties of basalt fibers

圖1 泡沫混凝土制備流程圖Fig.1 The flow diagram of foam concrete preparation

1.2 工藝流程

泡沫混凝土的制備工藝分為兩種，一種是預制泡混合法，另一種是混合攪拌法。本試驗采用的方法為預制泡混合法。具體工藝流程如圖1所示，試驗用泡沫混凝土配合比見表2。

表2 每1 m3泡沫混凝土的配合比Table 2 The mixture ratio of foam concrete for per m3

1.3 泡沫混凝土的性能測試

(1)吸水率與含水率采用尺寸為 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm 的試件，依照 GB/T 11970 －1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗方法》及GB/T 50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測定。

(2)抗壓抗折強度采用40 mm×40 mm×160 mm的成型試件，標準養(yǎng)護28 d后，在無錫建儀儀器機械有限公司生產(chǎn)的DZK－6000水泥抗折試驗機上進行抗折強度的測試;標準養(yǎng)護后試件放入溫度為60±5℃ 干燥箱內(nèi)烘干至前后兩次相隔4 h質(zhì)量相差不大于1 g的恒質(zhì)量時，在深圳市新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)的 CMT5105微機控制電子萬能試驗機上進行抗壓強度測試。

(3)導熱系數(shù)采用300 mm×300 mm×30 mm的成型試件，標準養(yǎng)護28 d后放入溫度為105±5℃ 的智能型電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干至恒重，然后在干燥器內(nèi)冷卻至室溫，用JW －III熱流計式導熱儀進行測試。

(4)線性收縮采用25 mm×25 mm×280 mm的成型試件，脫模后放在溫度為20±5℃、濕度為99%的環(huán)境中養(yǎng)護，分別測試試塊在3 d，7 d，14 d，21 d和28 d的收縮值。

(5)在日立公司生產(chǎn)的 TM－1000微觀掃面電鏡上觀察玄武巖纖維與泡沫混凝土的界面結合情況。

2 結果與討論

2.1 纖維對泡沫混凝土物理性能的影響

泡沫混凝土的含水率、吸水率對其耐久性能和保溫隔熱性能的影響較大。泡沫混凝土吸水主要包括毛細孔滲透和連通孔滲透兩種形式［16］。毛細孔是泡沫混凝土在水化硬化過程中產(chǎn)生的孔，而連通孔是因水灰比過大，泌水和泡沫液膜使泡沫產(chǎn)生缺陷造成的。本實驗所得的試塊從斷面處看，內(nèi)部孔分布均勻，無大孔且連通孔較少，說明本試驗的泡沫混凝土試塊的吸水主要是通過毛細孔滲透來實現(xiàn)的。由圖2可以看出:加入玄武巖纖維后，泡沫混凝土的含水率與空白樣相比基本不變，幾乎都在接近20% 處，說明纖維對泡沫混凝土的含水率影響不大。而泡沫混凝土的吸水率與空白樣相比，則都在40% 處出現(xiàn)很小的浮動，可能是由于誤差造成的。由此可以得出，玄武巖纖維對泡沫混凝土的含水率、吸水率影響不大。

圖2 玄武巖纖維摻量對泡沫混凝土含水率、吸水率的影響Fig.2 The influence of basalt fiber dosage on the moisture content and the moisture absorption rate of foam concrete

2.2 纖維對泡沫混凝土力學性能的影響

泡沫混凝土的強度來源主要是膠凝材料，當其內(nèi)部的孔徑越小、孔分布越均勻、孔的形態(tài)越好時，強度越高。由圖3可以看出，加入玄武巖纖維后，泡沫混凝土28 d的強度與空白樣相比均有所變化。摻量為0.4 kg/m3時，泡沫混凝土中加入纖維不但沒有起到增強作用，反而使強度降低，可能是因為纖維摻加量較少，不能在泡沫混凝土內(nèi)部形成三維網(wǎng)絡結構用以支撐整個漿體材料，反而破壞了漿體中的泡沫結構。摻量為0.8 kg/m3時，基體內(nèi)部單位體積的纖維量增加，使纖維在內(nèi)部局部形成三維網(wǎng)絡分布，起到支撐漿體的作用。但是，由于玄武巖纖維本身存在黏結現(xiàn)象，使纖維在泡沫混凝土內(nèi)部分布不均勻，造成內(nèi)部部分空隙增加，故整體表現(xiàn)為纖維對泡沫混凝土強度增強效果不好。摻量增加到1.2 kg/m3時，三維網(wǎng)絡結構趨于穩(wěn)固，能更好支撐整個漿體，且纖維增加了泡沫混凝土的韌性，抑制了其微細裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，故抗壓抗折強度比空白組提高，分別達到 7.75%，9.56%。摻量大于 1.2 kg/m3時，強度呈現(xiàn)下降趨勢，因為漿體中纖維的摻量太多，導致纖維在漿體中的分散性不好，嚴重破壞了漿體的內(nèi)部結構，使內(nèi)部空隙增加，強度下降。因此，摻量為1.2 kg/m3時，纖維對泡沫混凝土的力學性能改善效果達到最佳。

圖3 玄武巖纖維摻量對泡沫混凝土抗壓抗折強度的影響Fig.3 The influence of basalt fiber dosage on the compressive and flexural strengths of foam concrete

2.3 纖維對泡沫混凝土線性收縮的影響

線性收縮容易導致泡沫混凝土表面開裂，影響其應用。由圖4看出:未摻加纖維時，泡沫混凝土的線性收縮值隨著時間的延長呈增加趨勢，但是28 d的收縮值卻小于21 d的收縮值，可能是因為21 d后外界環(huán)境中濕度的變化引起的。

加入玄武巖纖維后，泡沫混凝土 3 d，7 d，14 d和21 d時的線性收縮值均降低，說明纖維能有效抑制泡沫混凝土線性收縮，且摻量為1.2 kg/m3時，抑制效果最為顯著。因為纖維的三維亂向分布使泡沫混凝土在干燥收縮的過程中必然受到其阻擋。摻量小于1.2 kg/m3時，纖維在泡沫混凝土中破壞了其內(nèi)部孔結構，形成連通孔，不能支撐漿體，所以收縮較大。摻量大于1.2 kg/m3時，因纖維量太多，使其不能均勻分散，容易結團，同樣增大內(nèi)部的部分孔隙，增加線性收縮。泡沫混凝土養(yǎng)護28 d時，收縮值表現(xiàn)為加入纖維的試樣大于空白樣，可能是由于水化后期，纖維與漿體的界面不斷老化，使兩者之間的黏接強度降低，結構疏松，故收縮增大。但是，線性收縮值的變化規(guī)律還是與早期收縮規(guī)律相符合的。綜上，摻量為1.2 kg/m3時，纖維對泡沫混凝土的收縮抑制作用最強。

圖4 纖維摻量對泡沫混凝土線性收縮的影響Fig.4 The influence of fiber dosage on the linear shrinkage of foam concrete

2.4 纖維對泡沫混凝土導熱性能的影響

導熱系數(shù)的大小是衡量墻體保溫材料保溫性能的主要標志。泡沫混凝土之所以具有較低的導熱系數(shù)，主要是氣相起到了降低的作用，因此，導熱系數(shù)主要取決于孔隙率和孔的形態(tài)。

由圖5可知，加入玄武巖纖維后，泡沫混凝土的導熱系數(shù)明顯比空白樣的導熱系數(shù)小。隨著纖維摻量的增加，導熱系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢?？梢娎w維對泡沫混凝土的孔結構起到了一定的改善作用。纖維摻量在1.2 kg/m3時，泡沫混凝土的孔隙率最大，故導熱系數(shù)最小，即保溫效果最好。

2.5 纖維與泡沫混凝土的結合界面

由纖維對泡沫混凝土性能的影響結果可以得出，玄武巖纖維對其性能有一定的改善作用，但是作用并不顯著。由圖6可以看出，一方面可能是由于玄武巖纖維在泡沫混凝土中以束狀的形式分布，不易分散，另一方面可能是由于纖維與泡沫混凝土界面發(fā)生老化造成的纖維與泡沫混凝土的界面結合不緊密，存在縫隙。

圖5 纖維摻量對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響Fig.5 The influence of fiber dosage on the heat conductivity coefficient of foam concrete

圖6 纖維與泡沫混凝土的結合界面Fig.6 The bonding interface between basalt fiber and foam concrete

3 結論

(1)纖維對泡沫混凝土的性能有一定的改善作用，但是對泡沫混凝土的含水率、吸水率影響不大。(2)纖維摻量為1.2 kg/m3時，纖維對泡沫混凝土的性能改善最為顯著，其中抗壓抗折強度分別提高7.75%，9.56%，收縮性能和保溫性能都達到最佳。(3)纖維在泡沫混凝土中以束狀形式分布且兩者的結合界面存在著一定的縫隙是造成纖維對泡沫混凝土改善作用不顯著的原因。

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