三維間隔連體玻璃纖維織物增強(qiáng)泡沫混凝土的研究

張朋，朱雪峰，李清海，李東旭

（1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；

2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

三維間隔連體玻璃纖維織物增強(qiáng)泡沫混凝土的研究

張朋1，朱雪峰1，李清海2，李東旭1

（1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；

2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

研究了三維間隔連體玻璃纖維織物增強(qiáng)泡沫混凝土的彎曲強(qiáng)度、拉拔強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明：三維間隔連體玻璃纖維織物可以使泡沫混凝土的彎曲強(qiáng)度達(dá)到3.11 MPa，比空白對(duì)照組提高了12倍；拉拔強(qiáng)度達(dá)到0.185 MPa，比空白對(duì)照組提高了7倍；導(dǎo)熱系數(shù)為0.138 W/（m·K），仍具有很好的保溫隔熱性能。并對(duì)三維間隔連體玻璃纖維織物增強(qiáng)泡沫混凝土力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能變化機(jī)理進(jìn)行了研究。

泡沫混凝土；三維間隔連體玻璃纖維織物；彎曲強(qiáng)度；拉拔強(qiáng)度；導(dǎo)熱系數(shù)

泡沫混凝土具有價(jià)廉、保溫性能好和防火等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，但其脆性大、拉拔強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度低。隨著泡沫混凝土應(yīng)用的發(fā)展，在一些預(yù)制屋面保溫板的應(yīng)用中提出了提高抗彎強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度的硬性要求。本文通過(guò)三維間隔連體玻璃纖維織物（以下簡(jiǎn)稱3D織物，見(jiàn)圖1）來(lái)改善泡沫混凝土相應(yīng)的力學(xué)性能。3D織物是一種上下面層均由經(jīng)紗（X向）、緯紗（Y向）“十字”交叉編織而成，上下面層之間用芯柱紗線（Z向）進(jìn)行編織連接的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[1]。3D織物具有整體性、輕質(zhì)、可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)[2]。

圖13 D織物實(shí)物

關(guān)于3D織物增強(qiáng)泡沫材料的研究，現(xiàn)有文獻(xiàn)中以3D織物增強(qiáng)有機(jī)泡沫保溫材料[3-6]居多，如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫本文研究的3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土用于屋面保溫板中。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥，邢臺(tái)產(chǎn)，化學(xué)成分見(jiàn)表1，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，比表面積470 m2/kg；減水劑：CBMA萘系高效減水劑，減水率為18%；3D織物：用ZrO2含量為16.7%耐堿玻璃纖維紗編織而成，常州伯龍三維復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3；環(huán)氧樹脂：南通星辰合成材料有限公司生產(chǎn)；固化劑：天津市津?qū)幦突瘜W(xué)有限公司生產(chǎn)；雙氧水：50%濃度，市售；水：自來(lái)水；添加劑：主要成分為偏鋁酸鈉和氧化鈣等，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院生產(chǎn)。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分%

表2 快硬硫鋁酸鹽水泥的主要性能指標(biāo)

表3 3D織物的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件制備

將3D織物放入模具M(jìn)1（600 mm×400 mm×30 mm）中并固定，另一個(gè)相同模具M(jìn)2中不放3D織物，按表4配合比稱料。干料倒入攪拌桶后加水并攪拌，自加入水時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，先慢速攪拌12 s左右，再快速攪拌至3 min，倒入雙氧水溶液（倒入過(guò)程中一直攪拌），再攪拌8 s，立即將攪拌好的漿體倒入模具M(jìn)1、M2中，靜停發(fā)泡。4 h后脫模，在實(shí)驗(yàn)室自然養(yǎng)護(hù)至3 d，將制得的保溫板切割成試驗(yàn)所需的抗彎試驗(yàn)試塊（400 mm×100 mm×30 mm）、拉拔試驗(yàn)試塊（100 mm×100 mm×30 mm）、導(dǎo)熱試驗(yàn)試塊（300 mm×300 mm×30 mm）后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

表4 3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土配合比

1.2.2 四點(diǎn)彎曲測(cè)試

參考GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，跨距為300 mm，加載速度為5 mm/min。相關(guān)計(jì)算公式如

式（1）、式（2）所示。

式中：σLop——抗彎比例極限強(qiáng)度（即抗彎強(qiáng)度），MPa；

E——抗彎彈性模量，MPa；

P1——抗彎比例極限載荷，N；

L——跨距，mm；

b——試件寬度，mm；

δ——跨中撓度，mm；

h——試件厚度，mm。

1.2.3 拉拔強(qiáng)度測(cè)試

按照J(rèn)G 149—2003《膨脹聚苯板抹灰外墻保溫系統(tǒng)》附錄D進(jìn)行，每組5個(gè)試件，試件用環(huán)氧樹脂和固化劑按1∶0.2質(zhì)量比配制的膠粘劑與拉拔頭粘結(jié)，以（5±1）mm/min的速度拉拔。記錄最大拉拔力F，拉拔強(qiáng)度σmt=F/A，A為試件粘結(jié)面積。

1.2.4 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

按照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，試件在（65±2）℃烘干至恒重，升溫與降溫速率控制在10℃/h以內(nèi)。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀冷板溫度設(shè)定為15℃，熱板溫度為35℃，預(yù)熱時(shí)間30 min，測(cè)試并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

有3D織物增強(qiáng)的和無(wú)織物增強(qiáng)的空白對(duì)照組泡沫混凝土性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 泡沫混凝土的性能測(cè)試結(jié)果

2.1 抗彎強(qiáng)度分析

由表5可見(jiàn)，有3D織物增強(qiáng)的A1組泡沫混凝土試件抗彎強(qiáng)度σLop達(dá)到3.11 MPa，相比于空白對(duì)照組A2提高了近12倍；抗彎彈性模量E達(dá)到78.9 MPa，相比于A2組提高了16.7倍。A1組試件抗彎試驗(yàn)破壞情況見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，A1組試件在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中經(jīng)受最大彎曲荷載后依然能保持很好的形態(tài)，而無(wú)3D織物增強(qiáng)的泡沫混凝土試件則完全折斷?？梢?jiàn)3D織物可以有效改善泡沫混凝土的抗彎性能。

圖2 A1組試件抗彎試驗(yàn)破壞情況

A1組、A2組試件彎曲荷載隨撓度的變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 彎曲荷載隨撓度的變化曲線

由圖3可以看出，在撓度-彎曲荷載曲線的前期，都會(huì)出現(xiàn)一段近似的斜線。這一階段，由于有3D織物增強(qiáng)的A1組泡沫混凝土試件下表面經(jīng)紗承受了部分彎曲荷載以及3D織物和泡沫混凝土協(xié)同受彎，也就是說(shuō)這一段曲線對(duì)應(yīng)的彎曲試驗(yàn)過(guò)程中A1組試件3D織物和泡沫混凝土同時(shí)在承受彎曲荷載，而A2組試件只有泡沫混凝土承受彎曲荷載，使得A1組試件承受的最大彎曲荷載遠(yuǎn)大于A2組試件，計(jì)算得到的抗彎彈性模量也遠(yuǎn)大于A2組試件。

圖3（a）中，隨著彎曲試驗(yàn)進(jìn)行，彎曲荷載變大。當(dāng)彎曲荷載變大到一定值時(shí)，即達(dá)到抗彎比例極限荷載P1時(shí)，彎曲荷載隨之降低，曲線呈現(xiàn)非線性變化。這時(shí)，如果沒(méi)有3D織物增強(qiáng)，試件將完全斷裂脫離壓頭，四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)?shù)酱私Y(jié)束。但是3D織物在經(jīng)受抗彎比例極限荷載時(shí)并未斷裂，由于3D織物的斷裂伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)大于泡沫混凝土，所以A1組試件在經(jīng)歷抗彎比例極限荷載以后，其下表面經(jīng)紗依然在承受彎曲荷載。并且由于3D織物的拉伸斷裂強(qiáng)度較高，故經(jīng)過(guò)一段的下降趨勢(shì)后，彎曲荷載又逐漸上升，并最終維持在較高值。

A1組試件在整個(gè)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中，上表面的泡沫混凝土受到擠壓，下表面的3D織物經(jīng)紗一直受到拉伸。由于3D織物經(jīng)紗、緯紗和芯柱相互交織網(wǎng)絡(luò)整個(gè)試件，使得下表面受到的彎曲荷載通過(guò)紗線傳遞、分散，并傳遞到泡沫混凝土內(nèi)部最終，A1組試件整體協(xié)同承受彎曲荷載和經(jīng)紗的拉伸阻止作用使得泡沫混凝土的斷裂大大延遲。由于3D織物本身具有較高的抗拉強(qiáng)度，從而使得最終3D織物在泡沫混凝土板斷裂后仍能承受一定時(shí)間的較高彎曲荷載。

在本次四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后期A1組試件嚴(yán)重變形，雖然能維持彎曲荷載在較高值，但基層已經(jīng)嚴(yán)重破壞，失去了使用價(jià)值。

2.2 拉拔強(qiáng)度分析

由表5可見(jiàn)，有3D織物增強(qiáng)的A1組泡沫混凝土試件拉拔強(qiáng)度為0.185 MPa，相比于沒(méi)有織物增強(qiáng)的空白對(duì)照組A2提高了7倍。原因有以下2點(diǎn)：

（1）在拉拔試驗(yàn)中，A1組試件的3D織物和泡沫混凝土同時(shí)通過(guò)環(huán)氧樹脂與拉拔頭粘結(jié)，A2組試件僅泡沫混凝土與拉拔頭粘結(jié)。并且，3D織物與拉拔頭的粘結(jié)相較于泡沫混凝土與拉拔頭的粘結(jié)更加牢固，故A1組試件的拉拔強(qiáng)度會(huì)更高。

（2）30 mm厚度的A1組試件中3D織物芯柱非直線型而是呈“Ω”型，也就是說(shuō)在芯柱受拉過(guò)程中，需要先“伸直”才能承受最大的拉拔力。芯柱在“伸直”過(guò)程中需要克服泡沫混凝土對(duì)其的束縛，這個(gè)過(guò)程泡沫混凝土和芯柱同時(shí)受到拉拔極大提高了A1組試件的拉拔強(qiáng)度。

3D織物增強(qiáng)后的泡沫混凝土A1試件的拉拔強(qiáng)度相較于A2組得到了很大提高，這為泡沫混凝土作為預(yù)制保溫板的設(shè)計(jì)提供了新思路：3D織物可以使得屋面保溫板上下面板通過(guò)芯柱連接，通過(guò)控制芯柱的粗細(xì)，以適應(yīng)上下面板互相牽制所需的拉拔力。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)分析

由表5可見(jiàn)，有3D織物增強(qiáng)的A1組泡沫混凝土試件干密度為406.2kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.138W（/m·K）。沒(méi)有3D織物增強(qiáng)的A2組試件干密度為335 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.083 W/ （m·K）。A1組試件干密度相較于A2組增大了21.3%，這是由于3D織物占據(jù)了原本屬于泡沫混凝土的空間，并且3D織物的干密度比泡沫混凝土大；另外，3D織物“阻隔”發(fā)泡過(guò)程導(dǎo)致“破泡”，也增大了A1組試件的干密度。A1組試件導(dǎo)熱系數(shù)較A2組增大了66.3%，說(shuō)明3D織物的復(fù)合導(dǎo)致泡沫混凝土隔熱性能下降，原因有2點(diǎn)：（1）在泡沫混凝土發(fā)泡過(guò)程中，3D織物摻加導(dǎo)致密度上升，同時(shí)氣孔率下降；（2）玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)[7]為1.09 W/（m·K），也就是說(shuō)玻璃纖維編織的3D織物導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣和泡沫混凝土，并且3D織物芯柱是連通了上下面板，這也會(huì)形成一定意義上的“熱橋”，促進(jìn)了上下面板的熱量傳導(dǎo)，從而使保溫板的隔熱性能下降。

干密度為406.2 kg/m3的3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土試件，導(dǎo)熱系數(shù)為0.138 W/（m·K），仍然具有很好的保溫隔熱性能。

3 結(jié)論

（1）3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土試件的彎曲強(qiáng)度達(dá)到3.11 MPa，比空白對(duì)照組提高了12倍。這是由于試件下表面3D織物中的經(jīng)紗承受了部分彎曲荷載，同時(shí)經(jīng)紗、緯紗和芯柱與泡沫混凝土協(xié)同受彎、整體增強(qiáng)所致。

（2）3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土試件拉拔強(qiáng)度達(dá)到0.185 MPa，比空白對(duì)照組提高了7倍。這是因?yàn)?D織物與拉拔頭的粘結(jié)相較于泡沫混凝土與拉拔頭的粘結(jié)更牢固，同時(shí)3D織物芯柱的拉拔強(qiáng)度高。

（3）3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土試件干密度為406.2 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.138 W/（m·K）。干密度較空白對(duì)照組增大了21.3%，這是由于3D織物占據(jù)了原本屬于泡沫混凝土的空間，同時(shí)3D織物“阻隔”發(fā)泡過(guò)程，導(dǎo)致“破泡”，也增大了試件的密度。隔熱性能較空白對(duì)照組降低了67%，這是由于3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土干密度增大，以及上下板連通的3D織物芯柱形成的“熱橋”效應(yīng)所致。但3D織物增強(qiáng)泡沫混凝土保溫板仍然具有良好的保溫隔熱性能。

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Study on foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric

ZHANG Peng1，ZHU Xuefeng1，LI Qinghai2，LI Dongxu1
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China；
2.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

Bending strength，tensile strength and thermal conductivity of foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric were studied.The experimental results show that 3D glass fiber spacer fabric can significantly increase the bending strength of foam concrete to 3.11 MPa，increased 12 times.Tensile strength reached to 0.185 MPa，increased 7 times.Thermal conductivity is 0.138 W/（m·K），which still has very good thermal insulation property.The mechanical properties of foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric and the change mechanisms of foam concrete thermal conductivity were also studied.

foam concrete，3D glass fiber spacer fabric，bending strength，tensile strength，thermal conductivity

TU528.2

A

1001-702X（2016）09-0091-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAL03B04）

2016-02-29

張朋，男，1989年生，河南沈丘人，碩士，主要研究方向?yàn)榻ㄖ夭牧稀?/p>