混雜纖維對(duì)泡沫混凝土收縮開(kāi)裂的影響

詹炳根, 李建勛, 林 濤

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前,我國(guó)墻體工程不斷取得進(jìn)步,作為無(wú)機(jī)的新型保溫材料,水泥基泡沫混凝土由于其良好的保溫功能,在墻體材料中得到廣泛應(yīng)用。不過(guò)近幾年來(lái),人們?cè)谑褂门菽炷恋倪^(guò)程中發(fā)現(xiàn),其作為墻體時(shí)仍然存在部分缺陷[1-2]，包括由于本身收縮變形、干濕交替循環(huán)和基體結(jié)構(gòu)疏松而導(dǎo)致泡沫混凝土的開(kāi)裂現(xiàn)象。因此需要在泡沫混凝土中添加一些物質(zhì)來(lái)減少試件的收縮開(kāi)裂。纖維是不錯(cuò)的選擇,它可以改善泡沫混凝土材料的力學(xué)性能和變形能力,減少收縮開(kāi)裂對(duì)試件的影響,主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:一方面,纖維在漿體中均勻分散約束漿體的應(yīng)力和應(yīng)變,對(duì)泡沫混凝土開(kāi)裂有良好的抑制作用；另一方面,不同纖維之間的混雜作用也能起到控制裂縫發(fā)展的作用。因此,纖維的摻量、混雜作用是纖維需要研究的重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外研究纖維泡沫混凝土抗裂性能一般是通過(guò)強(qiáng)度和干燥收縮性能獲得的,但是對(duì)于混雜纖維摻入泡沫混凝土中的早期收縮和抗裂試驗(yàn)研究相對(duì)較少。

文獻(xiàn)[3]探討了在漿體中加入聚丙烯纖維、耐堿玻璃纖維以及PVA纖維,通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)配制出混雜纖維增強(qiáng)泡沫混凝土,研究其整體性能,試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)纖維在泡沫混凝土的漿體中均勻分布能有效地減少混凝土的干燥開(kāi)裂,提高了漿體的限縮能力,達(dá)到了抑制其收縮的效果；文獻(xiàn)[4]研究了2種纖維混雜之后對(duì)水泥基材料的收縮開(kāi)裂影響,得出微細(xì)鋼纖維以及中等直徑鋼纖維混雜之后有效改善了泡沫混凝土的收縮性能,并提出不同直徑纖維摻雜能夠明顯增強(qiáng)水泥基材料的斷裂能和彎曲韌性；文獻(xiàn)[5]研究表明混雜纖維長(zhǎng)徑比、體積分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫混凝土基本性能的影響規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果表明,纖維與基體之間的接觸面變廣,當(dāng)受到外界力的作用時(shí),混雜纖維的延伸性能對(duì)外界的能量大量吸收,最終達(dá)到抑制基材中裂縫發(fā)展的效果；文獻(xiàn)[6]指出聚乙烯醇纖維在不同長(zhǎng)度、摻量條件下對(duì)泡沫混凝土干燥收縮率以及開(kāi)裂的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明,該種纖維能顯著提高泡沫混凝土的抗裂性能,其中當(dāng)纖維的長(zhǎng)徑比為12 mm、摻量的體積分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí),對(duì)泡沫混凝土的早期收縮以及收縮過(guò)程中的開(kāi)裂起到有效的抑制作用；文獻(xiàn)[7]在泡沫混凝土中摻入合適數(shù)量的抗堿玻璃纖維后,研究其收縮性能變化的大致規(guī)律，試驗(yàn)證明,適量的抗堿玻璃纖維能使泡沫混凝土的干燥收縮明顯受到抑制；文獻(xiàn)[8]探討了鋼纖維、玻璃纖維混雜之后對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土收縮應(yīng)力的影響,混雜纖維能夠更好控制泡沫混凝土的早期收縮；文獻(xiàn)[9]指出了長(zhǎng)徑比不同的PVA纖維組合對(duì)早期收縮以及裂縫的影響,主要結(jié)果是泡沫混凝土的早期收縮和延性通過(guò)添加混雜纖維可以得到明顯改善,實(shí)現(xiàn)對(duì)早期收縮變形和后期開(kāi)裂的有效控制。

本文擬采用玄武巖纖維和PVA纖維以1∶1組合成混雜纖維,結(jié)合早期收縮試驗(yàn)和環(huán)形約束試驗(yàn)系統(tǒng)研究混雜纖維對(duì)泡沫混凝土收縮和抗裂性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)

1.1 原材料

該試驗(yàn)中用到的主要原材料如下:硅酸鹽水泥、動(dòng)物蛋白類(lèi)發(fā)泡劑、玄武巖纖維、PVA纖維、拌合水等。

(1) 水泥。42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥,安徽大江股份有限公司生產(chǎn),化學(xué)組成成分見(jiàn)表1所列。

(2) 發(fā)泡劑。本試驗(yàn)中所使用的發(fā)泡劑采用物理發(fā)泡,物理發(fā)泡具有較高的穩(wěn)定性和發(fā)泡倍數(shù)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)泌水量較少。該發(fā)泡劑外觀呈現(xiàn)為淡黃色,密度1.02 g/cm3,固含量37%,pH值為9～10。

(3) 玄武巖纖維。本試驗(yàn)使用的玄武巖纖維由合肥新河公司生產(chǎn),其主要的物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2所列。

(4) PVA纖維。本試驗(yàn)研究所采用的PVA纖維是安徽皖維高新材料有限公司提供的,主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2所列。

(5) 拌合水。自來(lái)水。

表1 硅酸鹽水泥的各項(xiàng)指標(biāo)

表2 玄武巖纖維和PVA纖維的物理性能

1.2 試驗(yàn)方法

理法配制泡沫混凝土,把發(fā)泡劑和水按照所需要的比例進(jìn)行混合,倒入發(fā)泡機(jī)中進(jìn)行發(fā)泡并靜置5 min,與此同時(shí)取滿足水灰比的水泥和水在攪拌鍋中攪拌1 min后,加入纖維再攪拌3 min,隨后在漿體中加入泡沫并拌合均勻,等試件成型之后繼續(xù)下一步試驗(yàn)。本試驗(yàn)利用物理發(fā)泡法制備出密度在700～800 kg/m3范圍內(nèi)的泡沫混凝土,再對(duì)試件進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)試,研究混雜纖維對(duì)泡沫混凝土收縮開(kāi)裂的影響。試驗(yàn)將泡沫混凝土收縮變形分為早期收縮變形和干燥收縮變形2個(gè)階段。早期收縮變形主要通過(guò)非接觸式收縮變形儀器測(cè)試泡沫混凝土從澆筑至50 h以?xún)?nèi)的各個(gè)時(shí)間段的收縮值,干燥收縮變形主要通過(guò)比長(zhǎng)儀測(cè)試硬化3 d以后泡沫混凝土各個(gè)時(shí)間段的收縮率。試驗(yàn)通過(guò)改進(jìn)的環(huán)形約束試驗(yàn)觀察試件開(kāi)裂時(shí)間、裂縫寬度、裂縫條數(shù)、裂縫位置。

1.3 混雜纖維試驗(yàn)配合比

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上繼續(xù)研究玄武巖纖維與PVA纖維混雜效應(yīng)。本文實(shí)驗(yàn)中混雜纖維分別設(shè)置5 、10 、15 mm 3種不同長(zhǎng)度。每種長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)0.15%、0.30%、0.45% 3種不同的體積摻量;每組混雜纖維中2種纖維摻量比例為1∶1,暫不考慮不同長(zhǎng)度纖維混雜效應(yīng)。

2 混雜纖維對(duì)泡沫混凝土的影響

2.1 混雜纖維對(duì)泡沫混凝土收縮的影響

混雜纖維泡沫混凝土50 h早期收縮與60 d干燥收縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4所列,混雜纖維對(duì)早期收縮、干燥收縮的影響如圖1所示。

表3 混雜纖維早期收縮試驗(yàn)結(jié)果 μm

注：A08為泡沫混凝土基體；xBP系列表示采用玄武巖纖維/PVA纖維泡沫混凝土，其中x表示1 m3泡沫混凝土的纖維摻量；B為玄武巖纖維，P為PVA纖維，下標(biāo)為纖維長(zhǎng)度。下同。

表4 混雜纖維干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果

從表3和圖1a中可以看出,摻入混雜纖維后,泡沫混凝土早期收縮值在不同的齡期有著不同的表現(xiàn)情況。試件在5 h左右時(shí),隨著纖維用量不斷地提高,從表中的數(shù)據(jù)得出泡沫混凝土早期收縮值也會(huì)提高,對(duì)比于基準(zhǔn)組,摻入混雜纖維的泡沫混凝土收縮值提高了155%～229%,這是由于纖維在水泥漿體作用下更易造成泡沫破裂,從而加快收縮。第2階段為5～10 h,未添纖維標(biāo)準(zhǔn)組的膨脹數(shù)值達(dá)到了495 μm,摻入纖維之后,膨脹值最多降低了44%,這是由于混雜纖維在混凝土漿體中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到了維穩(wěn)的作用。隨著泡沫混凝土水化反應(yīng)的繼續(xù),泡沫在漿體中的液膜[10]逐漸消失,形成很多的孔壁結(jié)構(gòu)。泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)會(huì)使內(nèi)部的水分移動(dòng)和消散,由此造成的收縮效應(yīng)開(kāi)始體現(xiàn)出來(lái)。本文試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)徑比相同,不同纖維摻量下對(duì)混凝土的收縮影響不顯著。長(zhǎng)度為5 mm,纖維摻量0.30%的試件,其15 h收縮值是摻量為0.15%的91.6%,降低值為8.4%。摻量為0.45%的試件是0.15%的90.8%,降低值為9.2%。其他長(zhǎng)度相同條件下,不同齡期范圍內(nèi),收縮值變化不大。

從表4和圖1b可看出，混雜纖維對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的影響規(guī)律非常明顯。泡沫混凝土干燥收縮在前3～7 d發(fā)展速度緩慢,主要原因是早期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中漿體中大部分水分已經(jīng)遷移和散失,體積變化到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。但隨著時(shí)間向前推進(jìn),7～14 d時(shí)間段干燥收縮變得十分明顯,收縮率上升了75.1%。養(yǎng)護(hù)14 d后,泡沫混凝土內(nèi)部水分遷移有所增加,但是其幅度并不是很大。

當(dāng)養(yǎng)護(hù)的時(shí)間達(dá)到60 d后,長(zhǎng)度為5 mm的混雜纖維的收縮值是14 d的1.54倍,但是長(zhǎng)度為10、15 mm的纖維收縮值幾乎沒(méi)有變化,這是由于加入較長(zhǎng)混雜纖維后對(duì)水分遷移或者散失的通道有阻斷作用,同時(shí)也使得水分遷移通道的曲折性擴(kuò)大,最終導(dǎo)致試件中水分散失的數(shù)量減少以及增加了較大毛細(xì)孔比例。

圖1 混雜纖維對(duì)早期收縮和干燥收縮影響

與基準(zhǔn)組相比,在漿體中摻入混雜纖維對(duì)泡沫混凝土干燥收縮影響更為顯著,當(dāng)混雜纖維摻入數(shù)量為0.30%、長(zhǎng)度為5 mm時(shí),60 d干燥收縮值只有普通泡沫混凝土的65.6%,而長(zhǎng)度為10、15 mm混凝土的收縮值只有普通混凝土的43%左右。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),泡沫混凝由于早期養(yǎng)護(hù)過(guò)程時(shí)漿體內(nèi)部的水分極易散失,進(jìn)而出現(xiàn)混凝土收縮變形的現(xiàn)象。玄武巖纖維與PVA纖維兩者混雜后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),會(huì)對(duì)混凝土漿體中的氣泡起著類(lèi)似“承托”的作用,這在一定程度上阻止了漿體自重下的沉降,泡沫混凝土的流動(dòng)性減少,進(jìn)而流動(dòng)性的下降隨之減少。而后期的干燥收縮,較長(zhǎng)的混雜纖維能夠有效地阻止水分在通道中的散失,對(duì)泡沫混凝土的干燥收縮性能有所改善。

2.2 混雜纖維對(duì)泡沫混凝土開(kāi)裂性能的影響

在泡沫混凝土試驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)行2種纖維的混雜,分別測(cè)出各組泡沫混凝土的開(kāi)裂時(shí)間、裂縫寬度、裂縫條數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所列。

混雜纖維對(duì)開(kāi)裂時(shí)間和裂縫寬度的影響如圖2所示。

表5 混雜纖維抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2 混雜纖維對(duì)開(kāi)裂時(shí)間和裂縫寬度的影響

2.2.1 對(duì)開(kāi)裂時(shí)間的影響

由表5和圖2a可知,3種長(zhǎng)徑比的混雜纖維的摻量低于0.15%時(shí),開(kāi)裂的時(shí)間隨著纖維摻量的提高而不斷增長(zhǎng),但是總體的增長(zhǎng)幅度不是很大,由于摻量較低,纖維在混凝土中的作用不是很明顯。當(dāng)長(zhǎng)度不同的3種纖維由0.15%增加至0.30%時(shí),開(kāi)裂的時(shí)間有了很大的提高,最多提高了63.2%,這說(shuō)明起著“橋架”于裂縫間的纖維開(kāi)始工作,對(duì)裂縫的發(fā)展有一定的阻礙作用。因?yàn)槔w維從泡沫混凝土基體中間拔出時(shí)需要消耗較大的變形能,所以與基準(zhǔn)泡沫混凝土試件相對(duì)比,消耗能量越多的泡沫混凝土裂縫寬度越小。繼續(xù)把纖維的摻量由0.30%增加至0.45%,此時(shí)3種長(zhǎng)度纖維的表現(xiàn)有差異,5 mm纖維的開(kāi)裂時(shí)間繼續(xù)大幅度上升,提高了36.4%;10 mm纖維增長(zhǎng)幅度有所放緩,只提高了7%;而15 mm纖維的開(kāi)裂時(shí)間反而降低了22.6%。從這3種纖維差異的表現(xiàn)中可以看出,長(zhǎng)度為15 mm、摻量為0.30%時(shí)對(duì)混凝土的阻裂效果最佳。

2.2.2 對(duì)開(kāi)裂寬度的影響

由表5和圖2b可知混雜纖維對(duì)泡沫混凝土裂縫寬度的影響情況,相對(duì)空白組,纖維能夠減少裂縫寬度,不同長(zhǎng)徑比的纖維抗裂效果也不盡相同。纖維摻量處于0～0.30%時(shí),無(wú)論摻入何種長(zhǎng)度的纖維,寬度都明顯減小,其中長(zhǎng)度為15 mm的混雜纖維抗裂效果最佳,裂縫寬度僅為0.5 mm。超過(guò)0.30%時(shí),裂縫寬度處于相對(duì)恒定的范圍內(nèi),其數(shù)值不會(huì)減小,反而會(huì)有所回彈,15 mm的混雜纖維反彈最為明顯,由0.5 mm增長(zhǎng)到1.0 mm。由此可以得出,在合適摻量范圍內(nèi),長(zhǎng)度較大的纖維更易阻止泡沫混凝土的開(kāi)裂,由于纖維從泡沫混凝土漿體中間拉拔出時(shí)需要消耗較大的變形能,而且長(zhǎng)纖維相比于短纖維,在水泥基體材料之間的黏結(jié)作用更為優(yōu)良,體現(xiàn)出纖維具有“橋接”的特性。但是對(duì)于短纖維則需要長(zhǎng)度超過(guò)要求的臨界值才能更好的發(fā)揮作用,當(dāng)比臨界值低時(shí),一旦纖維泡沫混凝土受到外力作用并且破壞,長(zhǎng)度較短的纖維首先被拔出水泥漿體且未被拉斷,大幅度降低抗裂的效果。另外,混雜纖維接觸面跟泡沫混凝土的黏結(jié)性能也存在相應(yīng)的關(guān)系,纖維越長(zhǎng)則接觸面相應(yīng)增大,較大的接觸面帶來(lái)的抗拉力也有所增大,因此與水泥基體的黏結(jié)效果越好。不同纖維泡沫混凝土都存在相應(yīng)臨界體積率,只有在臨界值范圍內(nèi),其抗裂性能才會(huì)明顯得增加。超過(guò)或者低于臨界值時(shí),混雜纖維的作用效果不理想。

對(duì)于大多數(shù)的泡沫混凝土而言,試件在遭受外力作用時(shí)很容易發(fā)生脆性破壞?？瞻捉M和摻混雜纖維組開(kāi)裂試驗(yàn)如圖3所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn),泡沫混凝土摻入合適數(shù)量和長(zhǎng)度的混雜纖維后,在產(chǎn)生裂縫時(shí),連接在裂縫之間的混雜纖維發(fā)揮黏結(jié)作用,阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展,對(duì)泡沫混凝土減小裂縫極為有用。因此,與普通泡沫混凝土試件對(duì)比,其破壞形式發(fā)生了比較大的變化。破壞時(shí)會(huì)聽(tīng)到的聲音相比于不加入纖維時(shí)較為微弱。破壞后,纖維泡沫混凝土還依然保持原來(lái)的整體性,裂縫周邊出現(xiàn)許多微裂紋,散渣分散較少。

圖3 空白組和摻混雜纖維組開(kāi)裂試驗(yàn)

3 混雜纖維對(duì)收縮開(kāi)裂的機(jī)理分析

本文試驗(yàn)表明,混雜纖維對(duì)減少泡沫混凝土的開(kāi)裂收縮極為有效，纖維泡沫混凝土的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)照片如圖4所示，從圖4可以看出，在聚乙烯醇和玄武巖纖維的周?chē)写罅康乃a(chǎn)物附著在上面,把纖維包裹在其中。泥雜纖維拔斷時(shí)的SEM照片如圖5所示。從圖5可以看出,在外力作用下纖維被拔斷,其表面仍然匯聚了大量的水化產(chǎn)物,由此得出這些水化產(chǎn)物與纖維表面牢固的結(jié)合在一起,而當(dāng)泡沫混凝土凝結(jié)硬化后,混雜纖維與泡沫混凝土構(gòu)成了一個(gè)整體,相互配合協(xié)同作用,從而對(duì)纖維混凝土開(kāi)裂收縮的改善有很好的作用和效果。

混雜纖維對(duì)泡沫混凝土的作用機(jī)理通過(guò)復(fù)合材料力學(xué)理論和纖維間距理論[11]能夠?qū)υ撛囼?yàn)的結(jié)果進(jìn)行很好地解釋。當(dāng)混雜纖維泡沫混凝土的收縮開(kāi)裂破壞裂縫出現(xiàn)以后,“橋架”于混凝土裂縫之間的玄武巖纖維和PVA纖維立刻產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)力,阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。另外,由于2種纖維拔出時(shí)需要吸收大量的能量,通過(guò)與基準(zhǔn)組混凝土對(duì)比之后發(fā)現(xiàn),其破壞形態(tài)發(fā)生了明顯的變化。表現(xiàn)為破壞時(shí)摻有纖維的試件裂縫很微小,并且泡沫混凝土雖然有裂縫但是沒(méi)有碎裂。玄武巖纖維和PVA纖維在不同階段對(duì)試件的作用也會(huì)有所差別,大量的細(xì)小玄武巖纖維在泡沫混凝土硬化初期能夠抑制或減少其干縮裂縫,而且非常容易散開(kāi)到泡沫混凝土內(nèi)部的各個(gè)地方,玄武巖纖維相互之間的間距小,“橋接”泡沫混凝土內(nèi)部裂縫的機(jī)率也大幅度提高,從微觀上來(lái)說(shuō)對(duì)泡沫混凝上整體性能起到了改善作用,而PVA纖維又能很好地抑制泡沫混凝土的宏觀裂縫擴(kuò)展。因此,2種纖維混合之后對(duì)泡沫混凝土的開(kāi)裂起到了較強(qiáng)的抑制作用,延遲了泡沫混凝土的脆性破壞。

圖4 纖維泡沫混凝土SEM照片

圖5 混雜纖維拔斷時(shí)的SEM照片

4 結(jié) 論

(1) 泡沫混凝土早期收縮時(shí),長(zhǎng)度為10 mm、摻量為0.45%的混雜纖維對(duì)基體的收縮值影響最為顯著。

(2) 纖維能有效降低泡沫混凝土的干燥收縮,并且隨著齡期的增長(zhǎng),摻量為0.30%,長(zhǎng)度為15 mm的混雜纖維收縮值只有基準(zhǔn)組的43%左右。

(3) 泡沫混凝土開(kāi)裂時(shí)間、裂縫寬度隨著混雜纖維體積摻量和長(zhǎng)度改變而改變。混雜纖維摻量為0.30%、長(zhǎng)度為10 mm時(shí)能夠有效降低泡沫混凝土的收縮開(kāi)裂。