有机纤维种类及掺量对泡沫混凝土性能的影响

肖 啸，程宝军，王晓波，高育欣，杨 文

(中建西部建设建材科学研究院，四川 成都 610213)

0 前 言

物理发泡泡沫混凝土是将物理方法制得的泡沫加入到由水泥、外加剂、掺合料、水等制成的浆体中，经搅拌、成型、养护制成[1]。泡沫混凝土作为一种含有大量封闭气孔的无机保温材料，具有质轻、保温隔热、隔音耐火、成本低、利废等优势[2-4]。然而，泡沫混凝土因存在均匀的气孔结构且缺少粗骨料，其存在强度偏低、易开裂、吸水率高、干燥收缩大等问题[5-6]。

为了改善泡沫混凝土存在的不足，国内外学者在泡沫混凝土中掺入纤维，以提高泡沫混凝土的性能，扩展泡沫混凝土的应用。王朝强等[7]研究表明掺入耐碱玻璃纤维能够明显改善泡沫混凝土的力学性能并且对吸水率和导热系数影响不大。M.R. Jones等[8]发现聚丙烯纤维的掺入可以明显改善泡沫混凝土的抗拉强度和可塑性。白光等[9]研究证实了掺入聚乙烯醇纤维能显著增加碱激发矿渣泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度并且其干燥收缩显著降低。本文通过掺入适量的聚乙烯醇纤维(PVA)和聚丙烯纤维(PP)对泡沫混凝土性能进行改进，研究了有机纤维的种类及掺量对泡沫混凝土性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥来自峨胜水泥集团股份有限公司P·O 42.5，其各项性能指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)标准；I级粉煤灰来自四川宜宾发电厂；聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维的各项性能指标见表1；发泡剂为复合植物蛋白阴离子表面活性剂型发泡剂，购买自济南世腾化工有限公司；减水剂为自制聚羧酸高性能减水剂，减水率为35%，固含量50%；水为普通自来水。

表1 聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维的各项性能指标

1.2 样品制备

泡沫混凝土配合比如表2所示。设计干容重为1200 kg/m3，粉煤灰掺量为45.4%。试验中的变量为PP和PVA的掺量，研究了有机纤维的种类及掺量对泡沫混凝土力学性能、干燥收缩、吸水率等性能的影响。

表2 泡沫混凝土配合比

泡沫的制备方法是将发泡剂和水按照1∶19混合，倒入发泡机中进行起泡，直至泡沫细小稳定且大小均匀，一般制泡时间为2～4 min。泡沫混凝土的成型工艺如下：先将水泥等原材料在搅拌机内干拌至均匀，然后加水搅拌2～3 min，再加入纤维(空白样省略此步)，将之前制备的泡沫缓慢倒入混合料中继续搅拌5 min左右至其均匀分布，最后将浆体倒入事先准备好的模具中，刮平表面。

1.3 测试方法

吸水率实验采用的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm试件，按照《加气混凝土吸水率试验方法》(GB/T 11970-1997)进行测定。

力学性能试验采用的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，拆模后放标准养护箱养护6，27 d后在干燥箱(60±5) ℃连续烘干1 d，然后测试其抗压抗折强度。

干缩试验参照《加气混凝土干燥收缩试验方法》(GB/T 11972-1997)中规定的方法进行，测试其3、7、14 d干燥收缩量。

2 实验结果与分析

2.1 吸水率与含水率

泡沫混凝土吸水后保温效果急剧下降，并且在寒冷天气条件下，泡沫混凝土还会因冻融而造成强度的降低和结构的破坏[10-11]。因此，泡沫混凝土的吸水率是衡量其耐久性的重要指标。

有机纤维种类及掺量对吸水率的影响如图1所示。由图1(a)可知，随着PP纤维的掺量增加泡沫混凝土的吸水率先降低后增加。PP纤维掺量为2‰时，泡沫混凝土吸水率最低为8.7%，相较于空白样降低0.9%。由图1(b)可知，随着PVA纤维的掺量增加泡沫混凝土的吸水率先降低后增加。PP纤维掺量为1‰时，泡沫混凝土吸水率最低为8.3%，相较于空白样降低1.3%。有机纤维种类及掺量对标准养护后含水率的影响如图2所示。可见，标准养护后含水率与吸水率呈现相同的变化规律。这是因为随着有机纤维的掺量增加，前期吸水率相较空白组变化不大且有少量降低；随着纤维引入量继续加大，泡沫混凝土的空隙率随之增大，同时在凝结硬化过程中，内部产生连通孔的概率增加，导致吸水率升高[7]。并且由于PVA纤维的长度大于PP纤维，PVA纤维造成泡沫混凝土吸水率增幅更大。

(a)PP

(b)PVA

(a)PP

(b)PVA

2.2 力学性能

为了改善泡沫混凝土存在强度偏低、易开裂的问题，通过掺入有机纤维对其力学性能进行改进，研究有机纤维种类及掺量对泡沫混凝土力学性能的影响。泡沫混凝土密度等级为1 200 kg/m3有机纤维种类及掺量对抗折和抗压强度的影响如图3～4所示。由图3～4可以看出，随着泡沫混凝土养护时间的延长，其抗压和抗折强度提高，这是因为随着养护时间的增加，泡沫混凝土持续硬化，其结构更加稳定，因此泡沫混凝土28 d强度明显高于7 d强度。并且，掺入PP纤维能明显改善泡沫混凝土的抗折和抗压强度，掺入PVA纤维对泡沫混凝土早期抗折和抗压强度有明显改善，但对后期抗折强度影响不大。

由图3可以看出，随着PP和PVA纤维掺量的增加，泡沫混凝土的抗折强度先增加后降低。其中PP纤维掺量为2‰时，泡沫混凝土28 d抗折强度最高为4.3 MPa，相较于空白样提高了20%。PVA纤维掺量为1‰时，泡沫混凝土28 d强度最高为4.0 MPa，相较于空白样提高了10%。

由图4可以看出，随着PP和PVA纤维掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度先增加后降低。其中PP纤维掺量为2‰时，泡沫混凝土28 d抗折强度最高为17.6 MPa，相较于空白样提高了30%。PVA纤维掺量为1‰时，泡沫混凝土28 d强度最高为16.4 MPa，相较于空白样提高了20%。

(a)PP

(b)PVA

(a)PP

(b)PVA

分析其原因有以下几点：①纤维在泡沫混凝土中呈乱向分布，有利于减少其塑性收缩，收缩能力被分散于纤维之上，有效地抑制了泡沫混凝土微裂缝的产生及发展，使强度得到提高[12]；②纤维在泡沫混凝土内部形成三维乱向的网络体系，该体系能够承托骨料，同时能够约束离析列为的产生与发展[13]；③纤维的掺入可以减少泡沫的破裂，改善孔道的形貌，从而减少泡沫混凝土的密度和平均孔径，但随着纤维掺量进一步增加，其孔隙率增大，导致其强度降低[14]。

2.2 干燥收缩性能

干燥收缩是造成泡沫混凝土收缩及开裂的主要因素。有机纤维种类及掺量对泡沫混凝土干燥收缩值的影响如图5所示。

图5 有机纤维种类及掺量对干燥收缩值的影响

由图5可知，PP和PVA纤维的掺入均可明显降低泡沫混凝土14 d干燥收缩值，但在部分掺量条件下，反而会增加其3 d和7 d干燥收缩值。相较于PVA纤维，PP纤维对泡沫混凝土干燥收缩值的降低更为明显。PP纤维掺量为2‰时，泡沫混凝土的14 d干燥收缩值最低为-0.54 mm/m，可见其对干燥收缩有明显的抑制作用。这是因为纤维在泡沫混凝土内部形成一种乱向支撑体系，混凝土干燥收缩在发展过程中会受到纤维的阻挡，从而纤维的掺入可以抑制泡沫混凝土的干燥收缩。从纤维种类角度来看，PP纤维的弹性模量大于PVA纤维，纤维的弹性模量更大，所能分担的挤压应力越大，限制收缩变形的能力也越强，因此PP纤维具有更好的限制泡沫混凝土干燥收缩的作用[13]。

3 结 论

1)采用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、发泡剂、减水剂以及有机纤维成功制备了干密度等级为1 200 kg/m3的泡沫混凝土；当加入体积掺量为2‰的聚丙烯纤维时，泡沫混凝土各项性能最优，其28 d抗折抗压强度相较于空白样提高了20%和30%。

2)有机纤维对泡沫混凝土具有明显的增强效应，随着纤维掺量的增加，其抗折和抗压强度呈先增加后降低的趋势；并且适量的掺入有机纤维，对泡沫混凝土的干燥收缩有明显的抑制作用，对吸水率影响不大。

3)并且相较于聚乙烯醇纤维，聚丙烯纤维对泡沫混凝土的性能改善更为明显。

[ID:009677]