納米纖維增韌泡沫混凝土的機(jī)理研究

邱軍付，孫桂芳，王永魁，羅淑湘

納米纖維增韌泡沫混凝土的機(jī)理研究

邱軍付，孫桂芳，王永魁，羅淑湘

（北京建筑技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司，北京100055）

用普通硅酸鹽水泥為原料，制備了干表觀密度低于180 kg/m3的泡沫混凝土制品。采用納米纖維與聚丙烯纖維復(fù)合對泡沫混凝土制品進(jìn)行增韌；通過XRD和SEM等對制品微觀結(jié)構(gòu)和增韌機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，納米纖維與聚丙烯纖維的復(fù)合能夠有效提高泡沫混凝土制品的抗裂性能。

泡沫混凝土；納米纖維；增韌；機(jī)理

0　引言

泡沫混凝土制品因其含有大量均勻分布的封閉氣孔而具有輕質(zhì)、防潮、防火、隔聲及良好的保溫隔熱功能，尤其適用于建筑外墻保溫工程［1-4］。但是水泥基制品通常具有脆性大、韌性差、易開裂等缺陷；而泡沫混凝土制品由于強(qiáng)度性能遠(yuǎn)低于常規(guī)的混凝土制品，所以泡沫混凝土制品的內(nèi)部裂紋對其性能的影響也更為顯著；尤其是對干表觀密度低于180 kg/m3的泡沫混凝土，即使是制品內(nèi)部少量的裂紋也足以嚴(yán)重影響該產(chǎn)品的工程應(yīng)用質(zhì)量。

現(xiàn)代混凝土常用纖維來實(shí)現(xiàn)混凝土制品的增韌阻裂，不同纖維對制品的增韌效果也有較大差異［5-8］，但是以往對混凝土制品的增韌研究主要集中在加入毫米級的纖維實(shí)現(xiàn)增韌阻裂，很少有報(bào)導(dǎo)采用納米纖維與毫米級纖維復(fù)合增韌的研究。本文擬通過在泡沫混凝土中摻入適量的納米纖維，利用納米纖維和毫米級纖維復(fù)合增韌技術(shù)，充分發(fā)揮2種不同維度纖維材料在抑制裂紋擴(kuò)展方面的優(yōu)勢，有效解決泡沫混凝土制品的開裂問題。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥，唐山冀東水泥廠；粉煤灰：Ⅱ級，京能熱電有限公司；雙氧水發(fā)泡劑：濃度35%，北京中遠(yuǎn)華盾科貿(mào)有限公司；聚丙烯纖維：長6～9 mm，北京安順達(dá)裝飾有限公司；外加劑：工業(yè)級元明粉與生石灰按質(zhì)量比1∶1混合而成，市售；納米纖維：主要成分是硅鋁化合物，市售。

1.2試驗(yàn)方法

利用普通硅酸鹽水泥作膠凝材料、雙氧水作發(fā)泡劑，采用化學(xué)發(fā)泡的方法制備泡沫混凝土保溫板。普通硅酸鹽水泥基泡沫混凝土的基礎(chǔ)配方為：水膠比0.5、粉煤灰摻量為水泥的30%～35%，雙氧水摻量為固體粉料的5%，外加劑摻量8%。試驗(yàn)時(shí)先稱取原料，再將干粉預(yù)混均勻，然后加入水，攪拌均勻，再加入發(fā)泡劑，攪拌均勻后快速澆注入模具，靜停，切割、養(yǎng)護(hù)。

1.3測試方法

混凝土凈漿流動度參照GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)》進(jìn)行測試；強(qiáng)度參照GB/T 5486—2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

2　結(jié)果與討論

2.1納米纖維對凈漿流動度的影響

泡沫混凝土凈漿的流動度對其發(fā)泡、漿體初凝、孔結(jié)構(gòu)等均有較大的影響，合理的凈漿流動度是制備高性能泡沫混凝土制品的關(guān)鍵因素之一。固定水膠比為0.5，用納米纖維等量取代水泥，其對凈漿流動度的影響如圖1所示。

圖1　納米纖維摻量對凈漿流動度的影響

由圖1可見，當(dāng)納米纖維摻量不大于0.5%時(shí)，水泥凈漿流動度隨著納米纖維摻量的增加而增大，在納米纖維摻量超過0.5%時(shí)，流動度隨納米纖維摻量的增加而下降。因此，對于水泥凈漿流動度來說納米纖維存在一個最佳摻量，即當(dāng)摻量為0.5%時(shí)，水泥凈漿流動度最大為169 mm。

2.2納米纖維對制品強(qiáng)度的影響

用納米纖維對無機(jī)材料進(jìn)行增韌是一種較為有效的技術(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)對裂紋擴(kuò)展的有效抑制［9-11］。本文在泡沫混凝土制品中引入納米纖維，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后試樣的抗壓和抗拉強(qiáng)度如圖2所示。制品的干表觀密度為（170±10）kg/m3，試樣1為空白試樣，試樣2摻入0.5%的9 mm聚丙烯纖維，試樣3摻入0.5%的納米纖維，試樣4為摻入0.25%的納米纖維+ 0.25%的9 mm聚丙烯纖維。

圖2　纖維摻量對制品強(qiáng)度的影響

從圖2可知，在泡沫混凝土制品中摻入聚丙烯纖維和納米纖維均能提高制品的抗壓和抗拉強(qiáng)度，而納米纖維對制品強(qiáng)度提升的幅度大于聚丙烯纖維。單摻聚丙烯纖維的制品的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較空白試樣分別增長了60%和52.4%；單摻納米纖維的制品抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較空白試樣分別增長了93%和78.6%；而摻入復(fù)合纖維的制品抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較空白試樣分別增長了180%和169%。

從宏觀角度分析，在泡沫混凝土體系中，聚丙烯纖維與水泥漿料有極強(qiáng)的結(jié)合力，在制品中形成三維不定向網(wǎng)狀支撐體系抑制裂紋的擴(kuò)散，起到增強(qiáng)增韌作用；從微觀角度分析，由于泡沫混凝土的骨架結(jié)構(gòu)是由未水化的水泥顆粒、水化產(chǎn)物及毛細(xì)孔等組成，毛細(xì)孔由泡沫混凝土中未被水化顆粒及水化產(chǎn)物所填滿［11］。當(dāng)制品中摻入納米纖維時(shí)，納米纖維能夠均勻填充在毛細(xì)孔之間，減小毛細(xì)管孔隙，因此，這部分空間越小，泡沫混凝土越密實(shí)，強(qiáng)度也越高。此外，納米纖維還能夠防止和減少后期的干縮微裂縫及溫度變化引起的裂縫，提高了泡沫混凝土的韌性。

2.3機(jī)理分析

在混凝土制品中摻入納米材料時(shí)，納米粒子因較大的表面能，可以發(fā)揮“晶種”的功效，使水化產(chǎn)物特別是氫氧化鈣迅速聚集在“現(xiàn)成晶核”表面，減少氫氧化鈣的取向度，加速水化進(jìn)程。使水泥水化過程直接跳過“形成CSH穩(wěn)定晶核”的過程，即CSH直接在納米材料提供的“現(xiàn)成晶核”表面繼續(xù)生長，而不是吸附于未水化水泥顆粒表面。CSH凝膠的巨大表面能很容易吸附其它離子，水泥顆粒表面就不會有厚的保護(hù)層阻礙水化的進(jìn)行，從而影響水泥水化的速度和深度。此外，“現(xiàn)成晶核”除了中心質(zhì)效應(yīng)外，還可以填充混凝土空隙，密實(shí)混凝土，進(jìn)一步強(qiáng)化界面結(jié)構(gòu)，起到結(jié)構(gòu)增韌的效果。

2.4XRD和SEM分析

圖3為摻入復(fù)合纖維的泡沫混凝土試樣（試樣4）和空白試樣（試樣1）水化產(chǎn)物的XRD圖譜，圖4為試樣4和試樣1水化產(chǎn)物的SEM照片。

圖3　試樣4和試樣1水化產(chǎn)物的XRD圖譜

圖4　試樣4與試樣1水化產(chǎn)物的SEM照片

從圖3可以看出，摻復(fù)合纖維的試樣與空白試樣相比，水泥水化產(chǎn)物種類并沒有發(fā)生顯著的變化，但水化程度和水化產(chǎn)物的量都有所增大。試樣4的主要水化產(chǎn)物衍射特征峰強(qiáng)度較強(qiáng)，晶格參數(shù)略有位移變化。根據(jù)X射線衍射中各種物相的含量與其衍射峰峰強(qiáng)成正比的半定量原理可知，在試樣4中水化產(chǎn)物鈣礬石AFt和CSH的含量較多，泡沫混凝土的水化程度高。即納米纖維的摻入可以促進(jìn)泡沫混凝土早期水化，有利于提高泡沫混凝土制品的早期強(qiáng)度。

從圖4可以看出，水化產(chǎn)物中的高硫型水化硫鋁酸鈣（鈣礬石AFt）為柱狀或針狀晶體，溶解度小，在水化初期可起骨架作用，有助于提高混凝土制品的早期強(qiáng)度［11］。試樣4的水化產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)有大量的相互交叉咬合的纖維狀、柱狀水化產(chǎn)物，外形完整，結(jié)合XRD分析證明是AFt相，說明試樣4中生成了大量的鈣礬石AFt，這有利于提高泡沫混凝土的早期強(qiáng)度。而試樣1的水化產(chǎn)物中有較多凝膠狀物質(zhì)和六方板狀晶體，即單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），而AFm的溶解度比AFt大，體積增加小，強(qiáng)度不大，結(jié)構(gòu)較松散，這些分散性的結(jié)構(gòu)將會大大降低泡沫混凝土制品的強(qiáng)度性能，因此試樣4具有比試樣1更高的7 d強(qiáng)度。

因此，當(dāng)采用毫米級纖維與納米纖維復(fù)合摻入后，2種增韌材料均勻分散在水化產(chǎn)物中，與水泥水化產(chǎn)物大量原位咬合，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成以納米纖維為核心、毫米級纖維互相交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效地降低泡沫混凝土的早期塑性收縮速率，抑制裂紋的形成和擴(kuò)展，大大削弱了制品內(nèi)部的集中應(yīng)力，減少離析裂縫的出現(xiàn)和延伸，大幅度提高制品的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)增韌、防開裂的效果。

3　結(jié)論

（1）合理的凈漿流動度是制備高性能泡沫混凝土制品的關(guān)鍵因素之一，納米纖維的摻入對凈漿流動度有一定的影響，當(dāng)摻加0.5%納米纖維時(shí)，凈漿流動度最大為169 mm。

（2）納米纖維可以促進(jìn)泡沫混凝土早期水化程度，提高泡沫混凝土保溫板的早期強(qiáng)度。

（3）在泡沫混凝土制品中摻入聚丙烯纖維和納米纖維均能提高制品的抗壓和抗拉強(qiáng)度，而納米纖維對制品強(qiáng)度提升的幅度大于聚丙烯纖維。

（4）納米纖維與宏觀纖維材料的復(fù)合可有效解決泡沫混凝土保溫板的開裂問題。

（5）復(fù)合纖維與水泥水化產(chǎn)物大量原位咬合，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成以納米纖維為核心、宏觀纖維互相交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)增韌、防開裂的效果。

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Study on toughening mechanism of foam concrete with nano-fiber

QIU Junfu，SUN Guifang，WANG Yongkui，LUO Shuxiang
（Beijing Building Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100055，China）

Foam concrete with density less than 180 kg/m3was prepared by using ordinary Portland cement as the raw material，toughen the foam concrete with composite fiber（nano-fiber and polypropylene fiber），XRD and SEM were used to analyze the mechanism of reinforcing and toughening on the foam concrete.The results showed that the composite fiber can effectively increase the strength and anti-cracking ability.

foam concrete，nano-fiber，toughening，mechanism

TU528

A

1001-702X（2015）12-0037-03

2015-07-27；

2015-09-22

邱軍付，男，1977年生，江西上饒人，博士，從事綠色建材開發(fā)。