纖維聚合物水泥基復(fù)合材料性能及機(jī)理研究

黃 波 管 濤

（信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

1 引言

高性能纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料是一種新型、改良而成的復(fù)合材料。相較于水泥混凝土而言，高性能纖維改性水泥基復(fù)合材料具有可塑性高、耐久時(shí)間長(zhǎng)、裂縫寬度小、可自我調(diào)節(jié)空隙等優(yōu)點(diǎn)，在抗震等級(jí)性能和抗拉強(qiáng)度方面表現(xiàn)突出。同時(shí)，從混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)看，混凝土的延性開(kāi)裂還可以有效解決工程建筑中鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度和持久性不足的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)建筑施工的愈加重視與關(guān)注，混凝土結(jié)構(gòu)的理論力學(xué)性能和應(yīng)用性能作為工程建筑的基礎(chǔ)性能也必須具備更高的水準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)新型墻板、墻體理論力學(xué)性能較差，安裝后墻板易開(kāi)裂，實(shí)際保溫效果不好。而作為一種輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料，泡沫混凝土以其隔熱、隔音、防火、降噪等特性，在復(fù)合墻板的應(yīng)用中更占據(jù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)全面了解水泥基復(fù)合材料和高性能纖維改良發(fā)泡水泥的性能與特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型的復(fù)合墻板，該復(fù)合墻板由內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土澆注到發(fā)泡混凝土中所制成，同時(shí)，科學(xué)研究分析高性能纖維，進(jìn)而有效提高水泥基復(fù)合材料的理論力學(xué)性能和墻體制品的保溫性能。

2 試驗(yàn)概況

2.1 主要原材料

（1）混凝土：鄂盛砼集團(tuán)的P·O42.5R級(jí)混凝土，比表面積為350m2/kg。（2）硅灰石粉：半加密存儲(chǔ)的硅灰石粉。（3）粉煤灰：四川宜賓電廠(chǎng)的一級(jí)粉煤灰。（4）粉煤灰玻璃微珠：安徽友盛建材裝飾新科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，以自制減水率為35%、固含量為50%的聚羧酸高性能減水劑產(chǎn)品為基礎(chǔ)的玻璃微珠減水劑產(chǎn)品。（5）有機(jī)硅消泡劑：山藥醇型有機(jī)硅消泡劑。（6）纖維素醚：羥丙基羥纖維素（HPMC）。（7）纖維：四川維尼綸廠(chǎng)生產(chǎn)的 PVA短纖維，直徑為39μm，長(zhǎng)度為6mm，伸長(zhǎng)率為8%，塑性為35.0GPa，抗壓強(qiáng)度為1 430MPa，相對(duì)密度為1.3g/cm3。

2.2 復(fù)合墻板的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及制作方法

墻板的組成部分見(jiàn)表1，構(gòu)造形式如圖1所示。

表1 墻板的組成部分

圖1 空心率≥65%的空心墻板橫截面構(gòu)造尺寸（單位：mm）

2.3 檢測(cè)與表征方法

在高性能纖維的作用下，水泥復(fù)合材料與擋土墻的理論力學(xué)和流變性能不斷提高。試驗(yàn)以《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（JC/T 2461-2018）和《水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）為模型對(duì)樣本進(jìn)行抗壓和抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，40mm×40mm×160mm為規(guī)格型號(hào)，各試樣參數(shù)為延性試樣尺寸300mm×100mm×100mm、理論力學(xué)性能和吸水率試樣尺寸為100mm×100mm×160mm、傳熱系數(shù)試樣尺寸為300mm×300mm×30mm，依據(jù)《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）對(duì)泡沫混凝土細(xì)木工板性能進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，按《建筑材料穩(wěn)定導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量與校準(zhǔn)》（GB/T 13475-2008）中的熱箱法“安全防護(hù)”準(zhǔn)則，選用尺寸為 1 400mm×1 400mm×100mm 的 WTRZ-1212產(chǎn)品型穩(wěn)定對(duì)流換熱性能測(cè)試儀來(lái)測(cè)試墻體的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料基材的性能

經(jīng)試驗(yàn)，混凝土水灰比為0.20時(shí)，高性能纖維提高了水泥基復(fù)合材料的理論力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度≥80MPa、抗壓強(qiáng)度≥20MPa），其流動(dòng)性能優(yōu)異。在設(shè)計(jì)方案中，纖維組分分別為1.0%、1.5%和2.0%，這樣是為了更好地明確最佳纖維的用量。表2為高性能纖維改性水泥基復(fù)合材料混凝土配合比，試驗(yàn)混凝土的混凝土水灰比為0.2。

表2 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的配合比（kg/m3）

3.1.1 纖維摻量對(duì)新拌漿體流變性能的影響

在漿料折疊過(guò)程中，ICAR PLUS混凝土流變儀用于測(cè)量其剪切應(yīng)力和黏度。結(jié)果表明：隨著纖維含量從1.0%增加到2.0%，纖維黏度也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。同時(shí)，屈服應(yīng)力逐漸增大，這是因?yàn)樵跀嚢柽^(guò)程中，自身的折中剪應(yīng)力和纖維與水泥漿體所形成的摩擦效應(yīng)都需要水泥漿體進(jìn)行處理。在纖維含量較低（1.5%以?xún)?nèi)）時(shí)，攪拌對(duì)料漿流動(dòng)性的現(xiàn)實(shí)意義遠(yuǎn)高于纖維所產(chǎn)生的壓力，漿料黏度的危害較??；在纖維含量超過(guò)1.5%時(shí)，纖維產(chǎn)生的漿料壓力降低漿料的流動(dòng)性，黏度緩慢上升。另外，在纖維含量不斷增加的同時(shí)，水泥基漿料所需要的抗拉強(qiáng)度也在不斷攀升，整個(gè)管理信息系統(tǒng)的破壞剪應(yīng)力隨之也越大。

3.1.2 纖維摻量對(duì)高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水泥基復(fù)合材料的理論力學(xué)性能在高性能纖維的作用下得以改善，隨著纖維含量的增加，試樣的3d、7d、28d抗折強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)纖維含量為2.0%時(shí)，抗折強(qiáng)度均可達(dá)到20MPa以上。隨著纖維含量的增加，試樣的3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先變大后減小的發(fā)展趨勢(shì)，說(shuō)明纖維含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度被破壞。當(dāng)纖維含量為1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高。隨著纖維含量的增加，樣品韌性多態(tài)性的生長(zhǎng)和進(jìn)展速率降低，這說(shuō)明韌性的多態(tài)性受纖維含量的影響較小。由于水泥基復(fù)合材料的性能可以被高性能纖維改善，因此，1.5%是PVA纖維的最佳摻量。多數(shù)情況下，泡沫混凝土密度等級(jí)與28d抗拉強(qiáng)度和傳熱系數(shù)成正比，與體積吸水率成反比。隨著泡沫混凝土密度等級(jí)的降低，其28d抗拉強(qiáng)度和傳熱系數(shù)也降低，而體積吸水率則升高。由此可見(jiàn)，鑒于其邊際效益和保溫性能，活性炭纖維復(fù)合墻板的原料選用低密度的泡沫混凝土更合適。本文采用的現(xiàn)澆箱梁墻填充細(xì)工板為市場(chǎng)上泡沫混凝土，密度為200kg/m3，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 泡沫混凝土的基本性能測(cè)試結(jié)果

3.2 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合墻板性能研究

3.2.1 力學(xué)性能

在所有應(yīng)用中必須考慮墻體材料的抗拉強(qiáng)度和抗拉能力。因此，本文對(duì)空心墻板和復(fù)合墻板的28d拉伸強(qiáng)度和彎曲性能進(jìn)行了測(cè)試。

①抗壓性能。在坍落度試驗(yàn)中，熱應(yīng)力法分為表面熱應(yīng)力和垂直熱應(yīng)力。坍落度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。損傷部位的面力和側(cè)向力分別在控制面板和肋條的交界處，損傷間隙沿家具板的規(guī)格和方向發(fā)展。復(fù)合墻板和中空墻板具有抗壓能力。承重受損部分也是如此，說(shuō)明這部分是承重部分，是家具控制面板施工中的薄弱環(huán)節(jié)。以JF2組為例，已知墻板的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于家具板，面層的抗拉強(qiáng)度約為家具板抗拉強(qiáng)度的14%，垂直角抗拉抗壓強(qiáng)度約為家具板抗拉強(qiáng)度的14%，表4為不同類(lèi)型墻板的抗壓強(qiáng)度。

表4 不同類(lèi)型墻板的抗壓強(qiáng)度（MPa）

②抗彎性能。表5為全過(guò)程的抗彎強(qiáng)度測(cè)試效果。當(dāng)活性炭纖維原料為泡沫混凝土，相對(duì)密度為200kg/m3時(shí)，復(fù)合墻板的極限均布抗彎荷載為5 000N/m2，板中最大撓度為5.13mm，極限抗彎荷載指數(shù)為8.0，彎曲性能良好?？梢?jiàn)，復(fù)合墻板的極限對(duì)稱(chēng)彎曲荷載略低于空心墻板。

表5 抗彎試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 熱工性能

工程建筑的彎鋼框架結(jié)構(gòu)自始至終受到室內(nèi)外塞貝克效應(yīng)的影響，熱量根據(jù)彎鋼框架結(jié)構(gòu)不斷傳遞。當(dāng)季節(jié)更替時(shí)，外部熱效率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度和彎曲結(jié)構(gòu)的加熱都隨著時(shí)間的變化而變化。墻體作為建筑工程的外弧形鋼框架，與室外地形接觸較多，保溫性尤為關(guān)鍵，能直接危及工程建筑的能耗問(wèn)題。因此，本文對(duì)復(fù)合墻板傳熱的全過(guò)程和統(tǒng)計(jì)分析方法下的兩個(gè)方面進(jìn)行了深度地研究，運(yùn)用兩種或兩種以上的計(jì)算方法進(jìn)一步分析原材料復(fù)合墻板的傳熱性能。

①測(cè)試結(jié)果分析：中空墻板和復(fù)合墻板的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)試表明，中空墻板的導(dǎo)熱系數(shù)為3.08W/m·K。相比之下，復(fù)合墻板的導(dǎo)熱系數(shù)急劇下降至0.75W/m·K。依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）來(lái)看，當(dāng)復(fù)合墻板厚度為100mm時(shí)，冬季冷熱地區(qū)公共建筑外墻的導(dǎo)熱系數(shù)就可被調(diào)節(jié)。

②計(jì)算結(jié)果：依據(jù)墻板保溫基礎(chǔ)知識(shí)的計(jì)算，評(píng)價(jià)墻板保溫性能的關(guān)鍵參數(shù)為傳熱群R0和傳熱系數(shù)K值。傳熱系數(shù)K是一個(gè)標(biāo)量，具體指在評(píng)估墻板本身或其中一層材料所出現(xiàn)的特性阻抗傳熱能力。本分析選取由兩種或兩種以上原材料構(gòu)成的空心墻板和復(fù)合墻板本。另外，參照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176-2016）對(duì)不同原材料的傳熱摩擦阻力R進(jìn)行取用，依據(jù)式（1）對(duì)平均傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

式中：——平均熱阻，m2·K/W；

F0——與熱流方向垂直的總傳熱面積，m2；

F1、F2……Fn——按平行方向與熱流方向劃分的各個(gè)傳熱面積，m2；

R0.1、R0.2……R0.n——各個(gè)傳熱面積部位的傳熱阻，m2·K/W；

Ri——內(nèi)表面換熱阻取0.11m2·K/W；

Re——外表面換熱阻取0.04m2·K/W。

根據(jù)式（2）計(jì)算整個(gè)墻板的傳熱阻R0：

評(píng)價(jià)墻板保溫性能的重要指標(biāo)是傳熱系數(shù)。依據(jù)式（3）計(jì)算空心墻板和復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)K：

由墻板傳熱系數(shù)指標(biāo)值可見(jiàn)，中空墻板的傳熱摩擦阻力為0.163m2·K/W，摩擦阻力值不及墻板傳熱摩擦阻力的1/6。中空墻板的傳熱系數(shù)較復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)高，前者為3.21W/m·K，后者為0.83W/m·K。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：墻體的保溫性能在泡沫混凝土填充空心后，在墻板的傳熱摩擦作用下，其性能會(huì)顯著提高。墻板傳熱系數(shù)的測(cè)試與計(jì)算結(jié)果基本一致，表明可以利用傳熱系數(shù)計(jì)算方法準(zhǔn)確地測(cè)量復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)PVA化纖的用量越來(lái)越多時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂水泥復(fù)合材料的3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度在高性能化纖的作用下，其抗壓強(qiáng)度也在不斷提高，其中，7d、28d抗拉強(qiáng)度可達(dá)到20MPa以上，PVA化纖的最佳摻量為1.5%。鑒于墻體的成本和保溫性能，復(fù)合墻體材料建議采用泡沫混凝土，相對(duì)密度為200kg/m3。

（2）復(fù)合墻板的極限彎曲荷載指數(shù)為9.0，縱向抗拉強(qiáng)度≥15MPa，綜合理論力學(xué)性能良好。

（3）采用標(biāo)準(zhǔn)傳熱系數(shù)計(jì)算方法，可立即計(jì)算出復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與墻板傳熱系數(shù)的指標(biāo)值基本吻合。