纖維泡沫混凝土導(dǎo)熱特性試驗研究

劉曉賀，岳祖潤，周江濤，宋宏芳，狄啟光

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北石家莊 050043；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

泡沫混凝土是以水泥為主要膠凝材料，可摻加粉煤灰、細(xì)砂、礦粉、陶粒、硅灰、纖維等，各摻料按照一定的比例與水充分混合形成漿體，再混合由發(fā)泡劑溶液制備的均勻穩(wěn)定的氣泡形成易澆筑的泡沫流體，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后成型的一種輕質(zhì)微孔的工程材料［1］。該材料具有良好的保溫、隔熱、抗震、吸聲等性能，廣泛應(yīng)用于橋涵臺背回填［2］、公路拓寬改建及路堤防治［3-4］、寒區(qū)隧道保溫及隧道減震層［5-6］、鐵路路基施工及軟土地基處理［7-9］等工程領(lǐng)域。

隨著泡沫混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對泡沫混凝土的研究也逐漸深入。文獻(xiàn)［10］通過泡沫混凝土的碳化深度、抗凍融循環(huán)能力、干密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系分析了高性能泡沫混凝土的耐久性，總結(jié)了獲得高性能泡沫混凝土的技術(shù)方法，指出創(chuàng)造更耐用的泡沫混凝土材料可以提高材料的使用壽命，促進(jìn)自然資源的合理利用。纖維的摻加可以提高泡沫混凝土的抗壓、抗拉和抗劈裂強(qiáng)度，也可較好地改善其干縮性能［11-12］。文獻(xiàn)［13］研究了摻和料種類對泡沫混凝土性能的影響，得出在密度一定時，粉煤灰的增加可提高泡沫混凝土的強(qiáng)度。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于泡沫混凝土的工程應(yīng)用和試驗研究主要集中在低重度（密度＜1 000 kg/m3）泡沫混凝土的力學(xué)特性、耐久性和物理性能上，對大重度泡沫混凝土及其導(dǎo)熱特性的研究較少。為使泡沫混凝土的應(yīng)用更加廣泛，對其研究十分必要。

本文以優(yōu)選的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土為基礎(chǔ)，分別摻加聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，研究不同纖維種類的不同摻加方式對干密度恒為1 200 kg/m3泡沫混凝土導(dǎo)熱特性的影響，為工程建設(shè)尤其寒區(qū)鐵路工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 試驗過程及方法

1.1 原材料

水泥：河北某公司生產(chǎn)的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間142 min，終凝時間198 min。

粉煤灰：河北某電廠提供的Ⅰ級活性粉煤灰，細(xì)度7.7%，需水比88%，燒失量2.34%。

發(fā)泡劑：廣東某公司提供的高性能復(fù)合發(fā)泡劑。

聚丙烯纖維：上海某公司提供，直徑17.85 μm，抗拉強(qiáng)度780 MPa，彈性模量8.75 GPa。

玻璃纖維：取自鹽城市星輝玻纖廠，直徑9 μm，含水率2%。

玄武巖纖維：取自江蘇康達(dá)夫新材料科技有限公司，拉伸強(qiáng)度2.75×103MPa，拉伸彈性模量90.1 GPa，斷裂伸長率2.92%。

以上3種纖維的長度規(guī)格為6，9，12，15 mm。

1.2 試樣的制備

本試驗所采用的配合比設(shè)計體系方法為干表觀密度法［14-15］。試驗前將水泥、粉煤灰、水、發(fā)泡液、纖維等按設(shè)計體系方法及流程進(jìn)行充分混合均勻攪拌并澆筑成型，在標(biāo)準(zhǔn)試驗養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，具體的泡沫混凝土制備工藝如圖1所示。

圖1 泡沫混凝土制備工藝

2 粉煤灰泡沫混凝土最優(yōu)配比比選

為找出水泥與粉煤灰的最佳摻量比，依據(jù)配合比設(shè)計體系的干表觀密度法，設(shè)計干密度恒為1 200 kg/m3，取粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為0，20%，30%，40%，50%，60%，分別進(jìn)行6 種配合比的泡沫混凝土試驗，測試各配比養(yǎng)護(hù)齡期3，7，14，28 d 的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，并根據(jù)這2項指標(biāo)選出性能最優(yōu)的粉煤灰泡沫混凝土。粉煤灰摻量與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見圖2。

圖2 粉煤灰摻量與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖2（a）可知，隨著粉煤灰摻量的增加，不同齡期的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度呈緩慢降低趨勢；在養(yǎng)護(hù)齡期14，28 d，粉煤灰摻量不超過40%時，抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加，無明顯降低；當(dāng)粉煤灰摻量超過40%時，抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加迅速下降。因此，就抗壓強(qiáng)度而言，粉煤灰的最佳摻量為40%。

由圖2（b）可知，隨著粉煤灰摻量的增加，各養(yǎng)護(hù)齡期泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)曲線呈平穩(wěn)趨勢，即導(dǎo)熱系數(shù)受粉煤灰的摻量變化影響較小。由于粉煤灰呈細(xì)微球形顆粒，具有火山灰效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)［16］，可以配合水泥顆粒將氣泡均勻穩(wěn)定地包裹在混合漿料里，而不影響氣泡的分布和存在狀態(tài)，所以粉煤灰摻量對泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響較小。

綜上所述，干密度為1 200 kg/m3的泡沫混凝土粉煤灰最佳摻量為40%。圖3為粉煤灰摻量為40%的泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。

圖3 40%粉煤灰的泡沫混凝土齡期與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖3可知，導(dǎo)熱系數(shù)隨齡期的增長呈對數(shù)下降，相關(guān)系數(shù)為0.944 7。以此為最優(yōu)配比進(jìn)行不同種類纖維不同摻加方式的泡沫混凝土導(dǎo)熱特性試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 聚丙烯纖維對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4為摻加聚丙烯纖維的泡沫混凝土在纖維含量一定的情況下，隨著聚丙烯纖維的長度變化，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期7，28 d時導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線。

圖4 不同含量聚丙烯纖維的長度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖4可知，養(yǎng)護(hù)齡期7 d 時，含量為0.15%的聚丙烯纖維對泡沫混凝土的保溫性能改善效果最佳；養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時，聚丙烯纖維的含量、長度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響變化趨勢與養(yǎng)護(hù)齡期7 d 時接近，當(dāng)聚丙烯纖維含量為0.15%，長度為9 mm 時，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值0.217 4 W/（m·K），比不摻加纖維時導(dǎo)熱系數(shù)降低26.2%。

聚丙烯纖維可以使泡沫混凝土的孔壁及孔間隙中的空洞、裂縫等缺陷數(shù)量減少，內(nèi)部氣孔數(shù)量增多，平均氣孔孔徑變?。?7］，使氣孔結(jié)構(gòu)得到改善，進(jìn)而提高泡沫混凝土的孔隙率。孔隙率是影響導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素。孔隙率越高，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)越低。所以不同含量不同長度聚丙烯纖維的摻加有利于改善泡沫混凝土熱工性能，提高其保溫隔熱性能。

3.2 玻璃纖維對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖5為摻加特定含量玻璃纖維的泡沫混凝土，隨著纖維長度的變化，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期7，28 d 導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線。

圖5 不同含量玻璃纖維的長度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖5可知：養(yǎng)護(hù)齡期7 d時，含量0.10%的各長度玻璃纖維對泡沫混凝土熱工性能的改善效果最佳，含量0.15%的玻璃纖維次之；養(yǎng)護(hù)齡期28 d時，各含量各長度的玻璃纖維對導(dǎo)熱系數(shù)的影響趨勢接近齡期7 d時的情況；含量0.10%、長度為12 mm的玻璃纖維使泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值0.228 5 W/（m·K），比不摻加纖維的導(dǎo)熱系數(shù)降低22.4%。玻璃纖維可以提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性，減小孔徑，改善孔的形貌［18］，這樣可使氣泡的破壞率下降，提高孔隙率，進(jìn)而降低導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3 玄武巖纖維對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖6為不同含量玄武巖纖維的長度變化對養(yǎng)護(hù)齡期7，28 d的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響關(guān)系曲線。

圖6 不同含量玄武巖纖維的長度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖6可知，含量0.05%的各玄武巖纖維長度變化對泡沫混凝土熱工性能的改善效果最佳，各含量下的玄武巖纖維長度均為9 mm 時，導(dǎo)熱系數(shù)值達(dá)到最??；養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時，含量0.05%、長度為9 mm 的玄武巖纖維使泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值0.239 3 W/（m·K），比不加纖維泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低18.8%。玄武巖纖維在泡沫混凝土中以束狀的形式分布，且與泡沫混凝土的界面結(jié)合不緊密，對性能的改善不顯著［19］。隨著玄武巖纖維含量的增加，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，可知高含量的玄武巖不利于改善其熱工性能。

4 結(jié)論

1）通過對比分析不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)，得出粉煤灰的最佳摻量為40%，粉煤灰摻量40%的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨齡期的增長按照y=-0.171lnx+0.829 7 呈對數(shù)降低，相關(guān)系數(shù)為0.944 7。

2）以優(yōu)選的粉煤灰泡沫混凝土為基礎(chǔ)，聚丙烯纖維的最佳含量、長度為0.15%、9 mm，對應(yīng)的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.217 4 W/（m·K），比不加纖維泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低26.2%；玻璃纖維的最佳含量、長度分別為0.10%、12 mm，對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.228 5 W/（m·K），比不加纖維泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低22.4%；玄武巖纖維的最佳含量、長度：0.05%、9 mm，對應(yīng)的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.239 3 W/（m·K），比不加纖維的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低18.8%。

3）在本試驗設(shè)計的參數(shù)變量范圍內(nèi)，含量0.15%、長度9 mm的聚丙烯纖維對泡沫混凝土的熱工性能改善效果最佳，為大重度改性保溫泡沫混凝土的配制及工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。