常用纖維對水工泡沫混凝土物理力學性能的影響研究

王丹薇

（朝陽市閻王鼻子水庫工程建設管理局，遼寧省朝陽市 122000）

1 研究背景

在我國高海拔地區(qū)的水利工程建設和運行過程中， 常規(guī)混凝土的凍融受損情況比較嚴重。 因此， 針對寒區(qū)惡劣條件下的防寒保溫材料和新型襯砌技術研究就顯得尤為重要[1]。 另一方面，混凝土作為水利工程建設的主要材料， 在應用過程中也存在原料消耗量大、污染嚴重等諸多問題。 泡沫混凝土具有抗變形能力強、質(zhì)輕多孔、保溫性能好等諸多優(yōu)勢，特別是在其中加入纖維材料之后，可以大幅提升其物理和力學性能[2]。 將泡沫混凝土應用于水利工程建設領域， 不僅可以有效減少大體積混凝土的材料用量， 還能夠減少對周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，具有廣泛的發(fā)展的和應用前景。

對于在泡沫混凝土中摻加纖維而言， 目前的研究主要集中于纖維摻量對泡沫混凝土性質(zhì)影響的影響方面[3]。 但是，目前作為水工混凝土摻加材料的纖維有多種，且主要為不同材質(zhì)的人工纖維，其中最常用的有聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維等。 由于不同纖維在材料屬性方面存在一定的差異， 因此其對泡沫混凝土性能的影響可能存在差異。 為了改善泡沫混凝土在強度、變形等方面的不足，此次研究選擇聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼纖維等4 種常用的纖維進行試驗研究，以獲取不同纖維種類、不同摻量水平下的泡沫混凝土導熱系數(shù)、抗壓強度和抗折強度，通過對試驗結果的對比分析， 獲得改善泡沫混凝土性能的最佳纖維種類和摻量水平， 以便為工程應用提供有益的支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 供試材料

2.1.1 常用纖維

試驗中使用的纖維有4 種， 分別為聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維。 其中，玻璃纖維為滄州玻璃纖維有限公司出品， 其長度為12mm、表觀密度為2.78g/cm3；聚丙烯纖維為上海華強玻纖公司出品， 其長度為6mm， 彈性模量為8.75GPa，抗拉強度為780MPa；玄武巖纖維為江蘇南通新港建材有限公司生產(chǎn)， 其彈性模量為90.1GPa，拉伸強度為2 750MPa；鋼纖維大連宏達建材有限公司出品，其彈性模量為200GPa，長度為10mm。

2.1.2 泡沫混凝土制作所需的材料

（1）水泥

水泥的種類是泡沫混凝土物理力學性質(zhì)的主要影響因素。 研究中選擇遼寧省遼陽市東方水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，經(jīng)測定其主要技術指標如表1 所示。 由表1 可以看出，其各項指標均滿足要求，可以用于試驗研究。

表1 水泥樣品技術指標測定結果

（2）粉煤灰

在泡沫混凝土中摻入適量的粉煤灰， 可以有效改善其表面結構， 同時還可以節(jié)約一定的工程成本。 此次研究選擇的是電廠Ⅰ級粉煤灰，其主要指標均滿足GB/T 1596 的技術指標要求。

（3）細骨料

試驗用細骨料為天然河砂，細度模數(shù)為2.35。

（4）發(fā)泡劑

試驗中使用的發(fā)泡劑為動物蛋白發(fā)泡劑，在使用中需要用1:5 的水稀釋，泡沫密度為50kg/m3；人工攪拌泡倍率為20 倍。

（5）水

試驗用水選擇普通自來水。 經(jīng)測定，試驗室的自來水的硬度小于100mg/L，因此水中的微量礦物質(zhì)不會對試驗結果產(chǎn)生明顯影響。

2.1.3 泡沫混凝土的制作

（1）泡沫混凝土

與普通混凝土相比， 泡沫混凝土的干密度相對較小，根據(jù)研究需要和試驗條件，此次研究選擇水工領域常用的B09 級泡沫混凝土進行試驗研究，其干密度為900kg/m3左右[4]。

（2）試件制作

此次試驗的試件尺寸為40mm×40mm×160mm。 在泡沫混凝土的制作過程中，采用的是預制泡沫混合法。 首先按照計算量稱量好發(fā)泡劑，并按照1:5 的比例均勻混合攪拌發(fā)泡。按照設定的配合比量取其余材料并加入攪拌機攪拌2min， 然后添加發(fā)泡材料后再攪拌1min。 將制作好的泡沫混凝土裝入試模成型， 在24h 后脫模編號并放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期[5]。

2.2 試驗設計

（1）配合比設計

在配合比設計方面， 將水泥和粉煤灰的總重設計為75%，水膠比確定為0.40，細砂量為25%。最終確定每立方米用水泥303kg、粉煤灰130kg、砂144kg、水231kg、發(fā)泡劑10kg。

（2）纖維摻量水平設計

根據(jù)試驗目的和相關研究成果， 各種常用纖維的摻量水平上并無明顯差異。 因此對每種纖維均設計了0%、0.5%、1%、1.5%、2%等5 種不同的纖維摻量水平。

（3）測試指標

鑒于保溫隔熱性能是泡沫混凝土的重要優(yōu)勢， 而抗壓強度和抗折強度是影響混凝土結構安全性和耐久性的重要指標。 此次研究中主要測定泡沫混凝土試件的導熱系數(shù)、 抗壓強度和抗折強度[6]。

2.3 性能指標測定

在測試過程中， 首先將制作好的試件放入烘干箱，在105℃的條件下烘干至恒重，待試件冷卻至室溫之后， 利用ISOMET 型熱特性分析儀對其導熱系數(shù)進行測定[7]。 對于泡沫混凝土的力學指標，試驗中參考JG/T266-2011《泡沫混凝土》進行抗壓強度和抗折強度的測定[8]。

3 試驗結果與分析

3.1 導熱系數(shù)

對摻加不同纖維種類、不同摻量水平的7 天和28 天齡期泡沫混凝土試件進行導熱性能試驗，根據(jù)試驗結果計算出導熱系數(shù)，并繪制出如圖1 所示的泡沫混凝土導熱系數(shù)隨纖維摻量的變化曲線。

圖1 泡沫混凝土導熱系數(shù)隨纖維摻量的變化曲線

由圖可以看出， 隨著聚丙烯纖維和玄武巖纖維摻量的增加， 泡沫混凝土的導熱系數(shù)呈現(xiàn)出先減后增大的變化趨勢；隨著玻璃纖維摻量的增大，泡沫混凝土的導熱系數(shù)呈現(xiàn)出波動變化的特點；隨著鋼纖維摻量的增加， 泡沫混凝土的導熱系數(shù)呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點。 總體來看，在泡沫混凝土中摻加合適數(shù)量的聚丙烯纖維、 玻璃纖維和玄武巖纖維， 均可以在不同程度上降低泡沫混凝土的導熱系數(shù)，提高其保溫能力。 摻加鋼纖維則不利于提高泡沫混凝土的保溫能力， 這可能與鋼纖維本身的材料性質(zhì)有關。 從不同纖維種類的對比來看， 當玄武巖纖維摻量為0.05%時的28 天齡期導熱系數(shù)最小，可以獲得最佳的保溫能力。 而玻璃纖維和聚丙烯纖維摻量在0.15%時的28 天齡期導熱系數(shù)最小，可以獲得最佳保溫能力。

3.2 抗壓強度試驗結果與分析

對摻加不同纖維種類、 不同摻量水平的泡沫混凝土試件進行齡期為7 天和28 天齡期抗壓強度測試試驗。 根據(jù)試驗結果，繪制出如圖2 所示的泡沫混凝土抗壓強度隨纖維摻量的變化曲線。

由圖可以看出，在摻加玻璃纖維的情況下，泡沫混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出波動上升的變化特征。 除此之外，在摻加聚丙烯纖維、玄武巖纖維和鋼纖維的情況下，泡沫混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加， 均呈現(xiàn)出穩(wěn)步增大的變化特點。 由此可見，在泡沫混凝土中摻加各種纖維，均可以明顯提升泡沫混凝土的抗壓強度，這對于提高泡沫混凝土結構的承載力和耐久性是有利的。 從不同纖維種類的對比結果來看，摻加聚丙烯纖維的泡沫混凝土在28 天齡期的抗壓強度提升最明顯，其次是玄武巖纖維和玻璃纖維，對泡沫混凝土強度改善作用最差的是鋼纖維， 這可能與鋼纖維的柔韌度較差， 會受到混凝土內(nèi)部泡沫的較大影響有關[9]。

3.3 抗折強度

對摻加不同纖維種類、 不同摻量水平的泡沫混凝土試件進行7 天和28 天齡期的抗折強度測試試驗。 根據(jù)試驗結果繪制出如圖3 所示的泡沫混凝土抗折強度隨纖維摻量的變化曲線。

圖3 泡沫混凝土抗折強度隨纖維摻量的變化曲線

由圖3 可以看出，除了個別點位之外，無論是7 天齡期還是28 天齡期， 泡沫混凝土的抗折強度均隨著纖維摻量的增加而增加， 這說明摻入纖維可以顯著提高泡沫混凝土抗折強度。 從不同纖維種類的試驗結果來看， 不同纖維對泡沫混凝土抗折強度的影響規(guī)律也有所不同。 具體來看，在選擇的4 種常見纖維種類中， 對泡沫混凝土抗折強度提升作用最明顯的是聚丙烯纖維。 在28 天齡期條件下，當摻入量為0.15%時的抗折強度值最大。 其次是玻璃纖維，再次是玄武巖纖維混凝土，效果最差的是鋼纖維混凝土。

4 結論

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式， 探討了聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼纖維等4 種常用的纖維進行試驗。 根據(jù)試驗結果，展開各種纖維對泡沫混凝土物理力學性能的影響的對比和評價研究。

從試驗結果來看，4 種纖維均可以起到改善水工泡沫混凝土物理力學性能的作用， 但是在改善效果方面存在自身的特點和差異性。 其中，聚丙烯纖維在提高泡沫混凝土的抗壓和抗折強度方面比較突出，但是在隔熱性能改善方面表現(xiàn)一般，其最佳摻量為0.15%；玻璃纖維改善泡沫混凝土的抗折強度效果較好， 但是在提高抗壓強度和改善隔熱性能方面表現(xiàn)一般，其最佳摻量為1%；玄武巖纖維在提高抗壓強度方面比較突出， 但是在提高抗折強度和隔熱性方面表現(xiàn)一般， 其最佳摻量為2%；鋼纖維在各方面性能改善方面表現(xiàn)均不理想，不推薦在制作泡沫混凝土時摻加。

總體來看， 聚丙烯纖維在改善泡沫混凝土物理力學性能方面具有優(yōu)勢， 推薦在工程設計中選用。 但是在實際工程應用中，除了考慮纖維種類，還應該注意結合工程需求以及經(jīng)濟性等其它因素的影響。 □