纖維種類(lèi)對(duì)微孔混凝土干縮性能的影響研究

曹萬(wàn)智，代佳，葉騏瑞，高瀟

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730030；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730124）

0 引 言

微孔混凝土[1]是通過(guò)空氣壓縮網(wǎng)孔阻滯制泡技術(shù)，將泡沫加入由快硬低收縮復(fù)合膠凝材料、膨脹珍珠巖、水、短切纖維、各種礦物摻合料及化學(xué)外加劑混合拌制而成的料漿中，經(jīng)過(guò)攪拌、澆筑、成型和養(yǎng)護(hù)而制成的多孔混凝土，含有0.2 mm 左右均勻分布的微孔，導(dǎo)熱系數(shù)為0.01～0.14 W/（m·K）。目前，微孔混凝土主要用于保溫結(jié)構(gòu)一體化復(fù)合墻體制品的生產(chǎn)。相對(duì)于普通多孔混凝土，微孔混凝土具有吸水率低、干縮小、隔熱保溫和防火性能好的特點(diǎn)，其中干縮性能的改善，添加纖維是主要原因之一。

研究表明，玻璃纖維（GF）的摻入能降低微孔混凝土早期收縮變形，GF 彈性模量大，能承擔(dān)微孔混凝土收縮時(shí)的擠壓應(yīng)力，從而抑制微孔混凝土收縮；聚丙烯纖維（PPF）的摻入在微孔混凝土結(jié)構(gòu)中形成一種均勻、亂向的三維支撐體系，阻隔微孔混凝土內(nèi)部水分溢出的通道，改善微孔混凝土的均勻性和微觀(guān)結(jié)構(gòu)，抑制混凝土的干燥收縮[2-3]。本文選取800、1000、1200 kg/m3表觀(guān)密度的微孔混凝土為基本對(duì)象，以纖維摻量為1.5 kg/m3進(jìn)行2 種纖維單摻以及GF 與PPF 按1∶2、1∶1、2∶1 質(zhì)量比復(fù)摻（復(fù)摻時(shí)未考慮2 種纖維體積密度對(duì)體積摻量和質(zhì)量摻量的影響），對(duì)比單摻纖維和復(fù)摻纖維對(duì)微孔混凝土干縮性能的影響，通過(guò)性能試驗(yàn)尋找規(guī)律，持續(xù)提高和優(yōu)化微孔混凝土的性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）快硬低收縮復(fù)合膠凝材料：由P·O42.5 水泥（OPC，蘭州祁連山水泥集團(tuán)）、SAC42.5 低堿度硫鋁酸鹽水泥（SAC，鄭州市王樓水泥工業(yè)有限公司）、粉煤灰（Ⅱ級(jí)，甘肅宏大投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司）等礦物摻合料及化學(xué)外加劑復(fù)配而成（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合膠凝材料）[4]。復(fù)合膠凝材料中水泥的化學(xué)成分如表1所示，復(fù)合膠凝材料主要技術(shù)性能如表2 所示。

表1 復(fù)合膠凝材料中水泥的化學(xué)成分%

表2 復(fù)合膠凝材料的主要技術(shù)性能

（3）輕骨料：膨脹珍珠巖，蘭州市榆中定遠(yuǎn)保溫材料廠(chǎng)，其主要性能如表3 所示。

表3 膨脹珍珠巖的主要性能

（4）纖維：聚丙烯纖維（PPF）、玻璃纖維（GF），其主要性能如表4 所示。

表4 PPF 和GF 的主要性能

1.2 試驗(yàn)方案

（1）配合比設(shè)計(jì)（見(jiàn)表5）

表5 微孔混凝土配合比

采用0.55 的水灰比和30%粉煤灰摻量，進(jìn)行纖維單摻及復(fù)摻對(duì)微孔混凝土形成的獨(dú)立微孔具有一定的影響，在保證試件制作過(guò)程中漿體和易性較好的情況下，摻加1.5 kg/m3纖維，12%體積摻量的膨脹珍珠巖。膨脹珍珠巖在微孔混凝土中充當(dāng)骨料作用，并且能改善泡沫的引入效果，節(jié)約水泥用量，降低制造成本，緩解混凝土中泡沫的上浮和改善纖維的分布。

（2）施工工藝

根據(jù)表5 配合比先將水、膨脹珍珠巖、纖維進(jìn)行第1 次機(jī)械攪拌，時(shí)間控制在5 s 左右（防止攪拌時(shí)膨脹珍珠巖破壞），接著放入復(fù)合膠凝材料進(jìn)行第2 次機(jī)械攪拌，時(shí)間控制在20 s 左右。2 次機(jī)械攪拌目的是使纖維均勻分散在膠凝材料內(nèi)。微孔混凝土料漿拌制完成后倒入準(zhǔn)備好的模具，蓋上保鮮膜進(jìn)行室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

（3）試件制作及養(yǎng)護(hù)

試塊的制備按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。測(cè)試試驗(yàn)組28 d 的干燥收縮率，每組3 個(gè)試塊取平均值。試件澆筑成型后放入室內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)1 d，第2 d 拆模試件繼續(xù)放入室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度（25±5）%]至28 d 齡期。拆模養(yǎng)護(hù)2 d 后測(cè)試其初始數(shù)值。

上述基于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障識(shí)別方法均是結(jié)合電壓互感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和故障特征，通過(guò)分析某一個(gè)電壓互感器的量測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別故障。這些方法僅適用于特定類(lèi)型、特定結(jié)構(gòu)的電壓互感器，普適性較差。下面提出了一種基于多維量測(cè)數(shù)據(jù)序列的電壓互感器故障識(shí)別方法，屬于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障識(shí)別方法。該方法通過(guò)在線(xiàn)分析多個(gè)電壓互感器的量測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別故障，無(wú)需利用電壓互感器的結(jié)構(gòu)特征，適用于所有類(lèi)型的電壓互感器。首先，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)電壓互感器量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，消除噪音干擾；其次，利用時(shí)間序列分層聚類(lèi)法對(duì)多維電壓互感器量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別電壓互感器故障位置。

（4）試件編號(hào)

將800、1000、1200 kg/m3三種表觀(guān)密度微孔混凝土未摻纖維組（空白組）編號(hào)為A0、B0、C0。纖維種類(lèi)分為單摻GF、PPF以及按m（GF）∶m（PPF）=1∶2、1∶1、2∶1 復(fù)摻，如表6 所示。

表6 試驗(yàn)組編號(hào)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)步驟

采用的干縮試驗(yàn)為接觸法。采用HSP-540 型混凝土收縮膨脹儀器（如圖1），試件兩端埋入Φ6×25 mm 銅釘。始終把有標(biāo)記的一頭放置在儀器固定端進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，每1 d 記錄1次百分表讀數(shù)并同時(shí)記錄室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度[室內(nèi)平均溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為（20±5）%）]，總齡期為28 d。試驗(yàn)完成后將試塊放回原位繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。將測(cè)試數(shù)據(jù)按GB/T 50082—2009 計(jì)算干燥收縮率。

圖1 混凝土收縮膨脹儀

2.2 干縮機(jī)理

纖維抑制微孔混凝土收縮開(kāi)裂的機(jī)理主要在于纖維均勻分散于漿體中，約束了漿體應(yīng)力和應(yīng)變，從而提高微孔混凝土的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)受到外界力作用時(shí)，纖維能夠吸收大量外界能量，進(jìn)而抑制收縮[5]。

2.3 干燥收縮率

不同表觀(guān)密度微孔混凝土干縮率如圖2 所示。

圖2 不同表觀(guān)密度微孔混凝土的干縮率

由圖2 可知，微孔混凝土中摻入纖維[m（GF）∶m（PPF）]后的干縮率以最小值為最優(yōu)組的規(guī)律排序?yàn)椋?∶1＞1∶1＞1∶2＞1∶0＞0∶1。隨著微孔混凝土表觀(guān)密度的增加，其空白組干縮率逐漸大于纖維組。

表觀(guān)密度800 kg/m3微孔混凝土中，A0 的28 d 干縮率為7.87%。纖維的摻入使得微孔混凝土的干縮率增大，摻纖維組中A1 的干縮率最大，28 d 干縮率為9.57%，較A0 提高了21.6%；A5 的28 d 干縮率最小，為8.09%，較A0 提高了2.8%，較A1降低了15.8%。

表觀(guān)密度1000 kg/m3微孔混凝土中，B0 的28 d 干縮率為8.43%。纖維以適當(dāng)?shù)姆绞綋饺肟山档臀⒖谆炷恋母煽s率，摻纖維組中B1 的干縮率最大，為9.54%，較B0 提高了13.2%；B5 的干縮率最小，為4.38%，較B0 降低了48.0%，較B1 降低了54.1%。

表觀(guān)密度1200 kg/m3微孔混凝土中，C0 的28 d 干縮率為9.21%。隨著表觀(guān)密度的提高，纖維單摻及復(fù)摻的干縮率開(kāi)始逐漸低于C0 組。C1 的干縮率最大，為9.79%，較C0 提高了6.3%；C5 的干縮率最小，為4.51%，較C0 降低了51.0%，較C1降低了53.9%。

綜上分析可知：

（1）圖2 中，1~3 d 干縮率有負(fù)值存在，是因?yàn)閺?fù)合膠凝材料水化產(chǎn)物中有鈣礬石產(chǎn)生所導(dǎo)致。而3~7 d 干縮率較大，是因?yàn)槭覂?nèi)濕度低，水分蒸發(fā)較快；這種現(xiàn)象持續(xù)1 周左右開(kāi)始減緩。說(shuō)明環(huán)境因素對(duì)微孔混凝土干縮性能的影響。

（2）通過(guò)不同表觀(guān)密度空白組的干縮率可知，微孔混凝土隨著表觀(guān)密度的增長(zhǎng)，干縮率呈上升趨勢(shì)。是因?yàn)楦弑碛^(guān)密度微孔混凝土試件單位體積內(nèi)的膠凝材料和水分含量較多，水化速度快，消耗了大量的水分，從而應(yīng)力增大，導(dǎo)致干縮率增大產(chǎn)生為裂縫[6]。

（3）纖維的摻入能影響微孔混凝土的干縮率。在低表觀(guān)密度時(shí)，纖維的摻入增大了其干縮率。原因是表觀(guān)密度越低，內(nèi)部的孔隙就越多，而纖維均勻分散在其中，起到孔隙與孔隙之間的橋接作用，使孔與孔連接在一起?；炷劣鏊畷?huì)膨脹，微孔混凝土表觀(guān)密度越低，內(nèi)部孔隙越多，孔洞水分消失后微孔混凝土干縮率變化就較大。隨著微孔混凝土表觀(guān)密度的提高，孔隙變少纖維在微孔混凝土中形成了一種相互交織的支撐體系，在干縮過(guò)程中會(huì)受到纖維的抑制作用，減小了其收縮力，阻止其進(jìn)一步收縮，從而提高了混凝土的抗縮能力，達(dá)到抑制微孔混凝土自身的收縮作用。纖維在微孔混凝土的漿體中均勻分布能有效減少混凝土的干燥開(kāi)裂，減小收縮效果。

（4）纖維復(fù)摻[7-8]在微孔混凝土中多維分布，纖維與微孔混凝土漿體有良好的相容性，纖維可單根分散在漿體中，水泥水化產(chǎn)物附著于纖維表面，把纖維緊緊地包覆住，最終形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此，微孔混凝土收縮時(shí)會(huì)受到纖維的阻礙，干燥收縮長(zhǎng)會(huì)降低。復(fù)摻纖維對(duì)降低干縮率效果較單摻明顯。這是因?yàn)椋? 種纖維由于彈性模量不同，能更好地分散微孔混凝土內(nèi)部的收縮應(yīng)力，減少微孔混凝土內(nèi)部的缺陷，從而一定程度上抑制了收縮的產(chǎn)生和發(fā)展。GF 因其彈性模量大，對(duì)微孔混凝土干燥收縮的抑制效果大于PPF，所以復(fù)摻纖維組中隨著質(zhì)量比變大，GF 摻量增加，抑制微孔混凝土干燥收縮性能效果更好。

3 結(jié) 論

（1）3 種不同表觀(guān)密度的微孔混凝土中摻入纖維[m（GF）∶m（PPF）]后的干縮率以最小值為最優(yōu)組的規(guī)律排序?yàn)椋?∶1＞1∶1＞1∶2＞1∶0＞0∶1。

（2）單摻和復(fù)摻纖維組中，微孔混凝土均是隨著表觀(guān)密度的增長(zhǎng)，干縮率呈上升趨勢(shì)。

（3）綜合分析可知，表觀(guān)密度800 kg/m3微孔混凝土干縮率以空白組最佳；表觀(guān)密度1000 kg/m3微孔混凝土干縮率以B5 最佳；表觀(guān)密度1200 kg/m3微孔混凝土干縮率以C5 最佳。