纖維增強(qiáng)氣凝膠泡沫混凝土保溫材料傳熱性能的研究

黃杰超 朱永甫

(閩南理工學(xué)院 福建 石獅 362700)

1 纖維/氣凝膠泡沫混凝土的制備

1.1 配合比

本實(shí)驗(yàn)配比是根據(jù)規(guī)范CJJ/T177-2012氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程進(jìn)行的,在設(shè)計水泥用量為300kg/m3、200 kg/m3基礎(chǔ)上,摻入氣凝膠粉體、玻璃纖維等材料來探究超輕泡沫混凝土的配比及性能。實(shí)驗(yàn)固定氣凝膠含量為10%質(zhì)量比,來改變玻璃纖維的含量。

1.2 制備方法

超輕泡沫混凝土工藝制備流程如圖1所示,其具體制備步驟如下:

圖1 預(yù)制泡混合法制備纖維/氣凝膠泡沫混凝土工藝流程圖

(1)配料。首先配制增稠水,將水與增稠劑按一定的質(zhì)量比混合并攪拌均勻,從而使增稠劑完全溶解于水;再依照配合比分別稱取相應(yīng)量的材料,將水泥等膠凝材料與氣凝膠粉體進(jìn)行干混。

(2)制漿。將配制好的增稠水加入至步驟(1)中的混合料中,攪拌均勻,然后緩慢加入分散狀的玻璃纖維絲,即可得到纖維/氣凝膠混凝土的漿體。

(3)發(fā)泡。采用機(jī)械加壓發(fā)泡,按質(zhì)量比1∶80的比例將發(fā)泡劑與水倒入發(fā)泡機(jī)中制備泡沫,同時需要注意發(fā)泡機(jī)的壓力,制備出的泡沫需立刻加入纖維/氣凝膠混凝土漿體中,混合攪拌均勻,得到纖維/氣凝膠泡沫混凝土漿體,然后倒入預(yù)先制好的模具內(nèi),并蓋上保鮮膜,得到纖維/氣凝膠泡沫混凝土。

(4)養(yǎng)護(hù)。靜置1天后脫模,將纖維/氣凝膠泡沫混凝土小心脫去模具后立刻放入混凝土恒溫養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期(28 天),取出試樣并進(jìn)行測試[2]。

2 樣品性能測試與表征

采用場發(fā)式掃描電鏡(型號為JSM-7001F,日本電子株式會社)對纖維氣凝膠泡沫混凝土樣品斷面的微觀形貌進(jìn)行掃描拍攝。由于氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)電性不好,防止樣品上產(chǎn)生電荷累積而影響觀察及拍攝圖像,在掃描前需對樣品進(jìn)行5 min噴金處理。

圖2 三種泡沫混凝土是SEM 圖

密度測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11969-2008蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法,將試樣放入2X-9246MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),在(65±5)℃下保溫24h,然后在(85±5)℃下保溫24h,再在(105±5)℃下烘至恒重(前后質(zhì)量差不超過試件質(zhì)量的0.5%)。按照以下公式計算樣品的干密度:

式中:ρ為試樣干密度,單位為kg/m3;M 為試樣在(105±5)℃下的恒定質(zhì)量;V 為試樣體積,mm3。

導(dǎo)熱系數(shù)測試采用瑞典Disk 公司生產(chǎn)的Hot Disk2500S導(dǎo)熱系數(shù)儀測試樣品導(dǎo)熱系數(shù),測試方法為瞬變熱源法,測試條件為低密度高絕緣,測試溫度25℃,功率30m W,探測深度為8mm。

抗壓強(qiáng)度測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11969-2008蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法,先測定試樣尺寸,精確至1mm,并計算試樣的受壓面積S,再采用WD-100KE電子式萬能試驗(yàn)機(jī)以5mm/min 的速度連續(xù)而均勻地對試樣進(jìn)行加荷,直至破壞,記錄破壞荷載P,精確至10N。按式(2)計算樣品的抗壓強(qiáng)度,精確至0.01MPa。

式中:P為試樣破裂時的荷載單位(N);A 為受壓面積單位(mm2);σ為抗壓強(qiáng)度單位(MPa)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 纖維/氣凝膠泡沫混凝土性能對比

通過實(shí)驗(yàn)制備過程可以發(fā)現(xiàn):在表1的九組輕質(zhì)泡沫混凝土中,其中2#和4#制備出的泡沫混凝土未能成型,出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象。其余各組泡沫混凝土樣品均成型,經(jīng)過一段時間(28d)的恒溫恒濕環(huán)境養(yǎng)護(hù)后,對其余七組輕質(zhì)泡沫混凝土進(jìn)行了基本性能(抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù))測試,測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 三種泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

圖4 三種泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和其密度有著很強(qiáng)的相關(guān)性,圖5為三種不同泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度比較,同密度等級下氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度要高于其它兩種泡沫混凝土,并且隨著密度增大氣凝膠泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度增加越快。在500的密度等級下氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度要比鐵尾礦泡沫混凝土高出31.5%,比沙、粉煤灰泡沫混凝土高出45%,在700的密度等級下氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度比鐵尾礦泡沫混凝土高出60%。如圖4所示氣凝膠泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度測試值,整體上抗壓強(qiáng)度隨干體積密度的增大而增大。根據(jù)中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T266-2011泡沫混凝土規(guī)定的泡沫混凝土的干體積密度與抗壓強(qiáng)度的大致關(guān)系如圖中陰影部分。如圖6中陰影部分為規(guī)范中規(guī)定的抗壓強(qiáng)度范圍,可以看出氣凝膠泡沫混凝土不同的密度等級下均滿足規(guī)定抗壓強(qiáng)度范圍,而且有一部分在相應(yīng)的密度等級下已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范所規(guī)定的抗壓強(qiáng)度范圍,在密度500～1000kg/m3的試樣的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[3]。氣凝膠作為泡沫混凝土填料時不僅滿足了泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的要求,而且還能大大的降低泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),提高其隔熱保溫性能,氣凝膠泡沫混凝土作為一種高性能的泡沫混凝土有很大的發(fā)展前景。

圖5 不同種類混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖6 氣凝膠泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨密度的變化

3.1.1 抗壓強(qiáng)度對比

圖5表示的是三種泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度對比。從測試結(jié)果可以得出:與普通泡沫混凝土和氣凝膠泡沫混凝土相比,纖維/氣凝膠泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度最大。在設(shè)計密度為300 kg/m3時,5#(纖維/氣凝膠泡沫混凝土)比3#(氣凝膠泡沫混凝土)和1#(普通泡沫混凝土)的抗壓強(qiáng)度分別增加了9.3%和2.5%;在設(shè)計密度為200kg/m3時,4#(氣凝膠泡沫混凝土)與2#(普通泡沫混凝土)都難以成型。而6#(纖維/氣凝膠泡沫混凝土)的抗壓強(qiáng)度為0.20 MPa。

3.1.2 導(dǎo)熱系數(shù)對比

圖6表示的是三種泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)對比,從測試結(jié)果可以得出:與普通泡沫混凝土相比,摻人氣凝膠粉體可以有效地減少泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),如在設(shè)計密度為300 kg/m3時,3#(氣凝膠泡沫混凝土)比1#(普通泡沫混凝土)的導(dǎo)熱系數(shù)降低了11.1%。在設(shè)計密度為200 kg/m3時,4#(氣凝膠泡沫混凝土)與2#(普通泡沫混凝土)都難以成型;與氣凝膠泡沫混凝土相比,摻人玻璃纖維的氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)相對升高,這是由于纖維不僅存在導(dǎo)熱,同時還會提高其輻射換熱,從而導(dǎo)致泡沫混凝土有效熱導(dǎo)率變高,但從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)上升較小[4]。

3.2 纖維對氣凝膠泡沫混凝土性能的影響

玻璃纖維摻入泡沫混凝土中,其目的是增強(qiáng)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度以及成型率。圖7表示的是纖維含量從0.6%(質(zhì)量比,下同)增加至1.5%時對泡沫混凝土基本性能的影響。圖7(a)表示的是不同纖維含量下泡沫混凝土密度變化情況,從圖中可以看出:在纖維含量大于1.5%時,泡沫混凝土砌塊難以成型,當(dāng)纖維含量在0.6%時,樣品密度出現(xiàn)最小值,其密度最小可達(dá)到191kg/m3左右,遠(yuǎn)低于普通泡沫混凝土的密度(300～1600kg/m3)[5]。隨著纖維含量的增加,泡沫混凝土的密度逐漸增大,但增長率并不大。當(dāng)纖維含量大于1.5%時,泡沫混凝土砌塊卻難以成型;從圖7(b)可得出隨著纖維含量的增加,泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大,當(dāng)纖維含量在0.9%時,其導(dǎo)熱系數(shù)最小值為0.058W/(m·K),較普通泡沫混凝土0.08—0.25W/(m·K)減少了27.5%;圖7(C)反映了自變量纖維含量對超輕泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。當(dāng)纖維含量為0.9%時,其28 天抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最大值,達(dá)0.32MPa,完全符合泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)JG/T 266—20ll中A03級抗壓強(qiáng)度的要求。

圖7 纖維含量對氣凝膠泡沫混凝土性能的影響

綜合圖7中數(shù)據(jù)分析,可以得出:在玻璃纖維含量為0.9%左右時,超輕泡沫混凝土的綜合性能最好,其密度為205 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.058 W/(m·K),抗壓強(qiáng)度在0.32 MPa左右。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)采用預(yù)制泡混合法成功制備了一種低密度、低導(dǎo)熱性能的新型超輕泡沫混凝土,主要得出以下結(jié)論:

(1)與普通泡沫混凝土和氣凝膠泡沫混凝土相比,在超輕泡沫混凝土中加入玻璃纖維在其成型中起到至關(guān)重要的作用。

(2)當(dāng)玻璃纖維含量為0.9%時,超輕泡沫混凝土的綜合性能最好,其密度為205 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/(m·K),抗壓強(qiáng)度在0.32 MPa。遠(yuǎn)低于普通泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)(0.08～0.25 W/(m·K))與密度(300～1600 kg/m3),且抗壓強(qiáng)度完全符合泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)JG/T266—2011 中A03 級抗壓強(qiáng)度的要求。