秸秆/聚丙烯纤维-玻化微珠保温混凝土抗冻融试验研究

刘光程,姚韦靖*,庞建勇

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学矿山建设工程安徽省高校重点实验室,安徽 淮南 232001)

目前,建筑墙体常采用保温砂浆作为保温结构,保温砂浆是通过加入一些有机、无机材料,制备成具有保温性能的建筑用胶凝材料。而“城市窑洞”式绿色建筑的主旨思想是研制出一种轻质高强的多功能混凝土,既具有一般混凝土的高强度、可承重的特性,又兼具保温隔热的功能,符合当前绿色环保的高效益生态建筑材料要求[1]。

玻化微珠保温混凝土是在混凝土中掺入玻化微珠轻集料制备而成的一种新型混凝土材料[2]。玻化微珠是一种新型轻质无机绝热材料,具有球状颗粒状,表面玻化封闭、内部多孔,具有轻质保温、和易性好、不易燃、防火绝热的优良理化特性[3]。有研究尝试将玻化微珠掺入水泥砂浆,并进一步掺入到混凝土,使混凝土导热系数显著降低,并对材料的物理力学性能[4-5]、微细观特性[6]等展开研究。文献[7]研究了保温混凝土的保温隔热能力,建立了玻化微珠导热系数的数学模型。文献[8-9]分析了玻化微珠保温混凝土结构的抗震性能。由于轻集料的加入会导致混凝土强度下降,许多学者混合掺入纤维等加强玻化微珠保温混凝土的力学性能,如文献[10]将聚乙烯醇纤维掺入玻化微珠水泥基材料中,分析纤维掺量等因素对保温混凝土强度和导热系数的影响;文献[11]将植物纤维掺入玻化微珠混凝土中,分析植物纤维掺量对材料强度和导热系数的影响,通过功效系数获得最优配比;文献[12]将聚丙烯纤维掺入玻化微珠保温砂浆,证实了聚丙烯纤维阻裂作用;文献[13]复掺钢纤维、聚丙烯纤维制备复掺纤维玻化微珠混凝土,发现复掺纤维能显著改变混凝土的破坏模式,由压剪破坏转变为剪切破坏[13]。如今玻化微珠保温混凝土在建筑保温工程[14]和抵抗火灾后建筑结构耐久性退化[15]等方面均有广泛应用前景,而通过复掺秸秆和聚丙烯纤维以提高玻化微珠保温混凝土力学性能,探究冻融损伤对保温隔热能力的影响还有待进一步研究。

为此,本研究设计秸秆粉末、聚丙烯纤维和玻化微珠体积率掺量正交试验,开展冻融循环下保温混凝土的基本力学性能试验,测试试件经历多次冻融循环后导热系数和质量损失,探究各因素的影响顺序,以期为冬冷夏热地区保温混凝土结构的研究及评价提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

胶凝材料采用P·C42.5级复合硅酸盐水泥,细度为342m2/kg,初凝时间为165min,终凝时间为220min,3d抗压强度为29.99MPa,28d抗压强度为49.75MPa;粗骨料为石灰质碎石,粒径为10～20mm,堆积密度为1 550kg/m3,表观密度为2 650kg/m3,含泥量为1.2%;细骨料为中砂,产自淮河,细度模数为2.6,堆积密度为1 379kg/m3,表观密度为2 347kg/m3,含泥量为2.7%;外加剂采用HPWR型减水剂,由陕西秦奋建材厂生产,减水率达28%。

秸秆采用安徽惠丰农产品加工厂生产的麦秸秆粉末,粒径为0.1μm～1mm,如图1(a)所示。聚丙烯纤维购自长沙汇祥纤维厂,密度为0.91g/cm3,长度为6mm,弹性模量≥2 500MPa,泊松比为0.29～0.46,导热系数≤0.5W/(m·℃),断裂强度≥300MPa,断裂伸长率为15%～20%,如图1(b)所示。 玻化微珠购自河北亿鑫建材厂, 粒径为0.5～1.5mm,表观密度为80～130kg/m3,堆积密度为80～120kg/m3,筒压强度≥150MPa,导热系数为0.032～0.045W/(m·℃),如图1(c)所示。试验采用电镜扫描观察其外壳和内部,如图2所示,其内部呈现明显的多孔蜂窝状结构,正是这种特殊结构能够有效延长热量传递路径、增加材料内部孔隙率,使热量在传递过程中既在材料中传递又在空气中传播,而空气本身的导热系数仅为0.023W/(m·℃),导热系数极低,隔热效果较好,因而材料的隔热能力较强。但玻化微珠本身强度较低,掺入过程中遭受挤压、振动等,导致混凝土材料强度损失[16]。聚丙烯纤维是高延性纤维,在混凝土裂缝扩展中伸长量大,变形部分多具有弹性,能有效提高混凝土抗拉和抗冲击性。秸秆是一种植物纤维,能有效地提高混凝土的拉压比。因而,掺入聚丙烯纤维与秸秆可有效提高玻化微珠保温混凝土的强度。

(a)秸秆粉末 (b) 聚丙烯纤维 (c) 玻化微珠

(a)外壳 (b) 内核

1.2 配合比设计

本文以保温材料掺入量和冻融循环次数为研究参数。依据JGJ55-2011设计基准混凝土配合比,混凝土单位体积中各材料用量为: 水泥481.47kg,粗骨料1 077kg, 细骨料531kg, 水260kg, 减水剂4.81kg,水灰比1∶0.54。采用正交试验的方法,分析保温材料掺量对保温混凝土抗冻融特性的影响,采用L16(45)正交表进行试验,秸秆粉末在混凝土中的体积率VS分别取值0、1%、2%、3%;玻化微珠在混凝土中取代砂的体积率VG分别取值0、10%、20%、30%;聚丙烯纤维在混凝土中的体积率VP分别取值0、0.3%、0.5%、0.7%。测试混凝土试件抗压和抗拉强度,测试方法参照GB/T50081-2019,结果如表1所示。

表1 秸秆/聚丙烯纤维-玻化微珠保温混凝土基本力学性能试验

由表1可知,掺入秸秆粉末和玻化微珠作为保温基材,各组保温混凝土较基准混凝土试件质量、导热系数均有不同程度的降低;质量最低为第7组,质量降低了15.28%;导热系数最低为第11组,降低了50.90%,即保温隔热性能最优。由此可见,隔热基材掺入可显著提高材料轻质、保温性能。同时,试件力学性能也明显降低,抗压强度、抗拉强度最低分别为第8组和第16组,较基准混凝土分别下降了40.42%、17.92%。这说明隔热基材料掺入在提高材料保温轻质特性的同时,力学强度也有不同程度的损失。

1.3 试验方法

试件制作前将秸秆粉末用聚乙烯醇溶液(PH胶)进行聚合物包裹改性处理,浸泡3d后晾干清洗[17]。先将水泥、玻化微珠、砂、石骨料进行干拌约1.5min,再加水和减水剂进行湿拌约2.5min,最后撒入秸秆和聚丙烯纤维,完成秸秆/聚丙烯纤维-玻化微珠保温混凝土的制备。注意须采用湿拌和撒纤维同步进行制备混凝土试件,以避免纤维结团。

试件制作成型1d后拆模,在标准养护条件下养护至28d,即相对湿度≥95%,温度维持在(20±1)℃,采用立方体试块尺寸为300mm×300mm×30mm。参照GB/T50082-2009设计冻融循环试验,利用高低温交变湿热箱完成试验,在(-19±4)℃环境中冻8h,在(18±4)℃融4h,共计12h为1个循环,循环次数为0、20、40、60、80次。试验过程中确保试件中心冻结温度大于-10℃,从-20℃升温至20℃所用时间不大于1.5h[18]。观察各循环次数后试件的表观形貌变化,并测试其导热系数和质量损失。其中导热系数测试采用双平板法,使用沈阳鑫合经纬机械电子设备厂产PDR300导热系数仪完成。

2 结果与分析

2.1 冻融循环后表观现象

混凝土冻融循环过程中,吸水饱和后水冷冻结冰造成体积膨胀,同时也产生收缩现象,在混凝土内部产生温度应力,而混凝土本身具有孔隙和微裂纹,在水结冰体积膨胀过程中进一步发育,最终导致混凝土表面水泥浆体脱落。图3为经历0、40、80次冻融循环后,混凝土试件的典型表观形貌劣化过程。由图3可知,随着冻融循环次数增加,混凝土表面不断劣化,出现轻微水泥浆体剥落现象。这是因为胶凝材料与粗细骨料的连接部位是材料的薄弱部位,界面区水结冰体积膨胀产生的内应力破坏了界面连接区,试块表面浆体剥落,出现麻面、凹陷现象。

(a)0次 (b)40次 (c)80次

2.2 冻融循环后质量损失

测试混凝土试件受冻融循环损伤后各组试件质量损失情况,统计数据如表2所示。由表2可知,随冻融循环次数递增,试件质量不断降低。经历20、40、60、80次冻融循环后,16组试件平均质量分别降低8.56%、15.94%、24.60%、37.93%。经历80次冻融循环后,质量损失最大的是第12组,损失质量为0.333kg;质量损失最小的为第6组,损失质量为0.203kg。

表2 保温混凝土冻融循环后质量损失 kg

2.3 冻融循环后导热系数

测试混凝土试件受冻融循环损伤后导热系数情况,统计数据如表3所示。由表3可知,随着冻融循环次数递增,混凝土导热系数不断增加,保温性能不断降低。经历20、40、60、80次冻融循环后,16组试件平均导热系数分别增加19.90%、29.49%、39.57%、49.97%。经历80次冻融循环后,导热系数最大的是第4组,导热系数为0.421 4W/(m·℃);导热系数最小的为第11组,导热系数为0.253 1W/(m·℃)。

表3 保温混凝土冻融循环后导热系数变化 W·(m·℃)-1

2.4 影响因素极差分析

试验测得保温混凝土经过80次冻融循环损伤后,导热系数和质量均发生了较大变化,为进一步探究麦秸秆粉末掺量(因素A)、玻化微珠掺量(因素B)、聚丙烯纤维掺量(因素C)对保温混凝土经历冻融循环过程中导热系数和质量损失的影响,现进行极差分析[19],结果如表4所示。

表4 保温混凝土质量损伤和导热系数损失极差分析 %

由表4可知,16组保温混凝土经过80次冻融循环损伤后,质量较冻融循环作用前平均降低了37.93%。麦秸秆粉末、玻化微珠和聚丙烯纤维掺量越小,经冻融循环作用后的质量损失越小。由极差分析可知,3种因素对保温混凝土质量损失的影响顺序为:麦秸秆粉末掺量(因素A)>聚丙烯纤维掺量(因素C)>玻化微珠掺量(因素B),而导热系数较冻融作用前平均增大了49.97%;3种因素对保温混凝土导热系数的影响顺序为:麦秸秆粉末掺量(因素A)>玻化微珠掺量(因素B)>聚丙烯纤维掺量(因素C)。根据表4绘制因素指标图如图4～图5所示。

图4 保温混凝土导热系数因素指标图

图5 保温混凝土质量损失因素指标图

由图4可知,对于麦秸秆粉末掺量,随掺量增加,导热系数先下降后上升,最优掺量为混凝土体积率的2%,导热系数达0.325W/(m·℃);随着玻化微珠掺量的增加,导热系数依然先下降后上升,最优掺量为取代砂体积率的20%,导热系数达0.329W/(m·℃);随着聚丙烯纤维掺量的增加,最优掺量为混凝土体积率的0.5%,但导热系数呈上下波动,最小值为0.343W/(m·℃),最大值为0.355W/(m·℃)。

由图5可知,随着麦秸秆粉末掺量的增加,质量损失先增大后减小,在混凝土体积率达2%时质量损失最大达0.293kg;随着玻化微珠掺量的增加,质量损失上下波动,在玻化微珠取代砂体积率30%时质量损失最大(0.262kg),在玻化微珠取代砂取代率20%时质量损失最小(0.234kg);随着聚丙烯纤维掺量的增加,质量损失不断增加,占混凝土体积率达0.7%,质量损失达0.266kg。这说明本试验所采用的的聚丙烯纤维掺量范围对减小混凝土冻融循环后的质量损失没有帮助。

3 结语

本文研究了冻融条件下秸秆粉末、聚丙烯纤维和玻化微珠对混凝土导热性能等指标的影响,得出复掺3种掺合料对保温混凝土指标的影响和排序。不同于以往某一掺合料对混凝土相关参数的研究,本文考虑多掺合料,采用正交方法优化试验并运用极差分析各因素的影响顺序,可为类似环境下保温混凝土的配制和应用提供数据参考。

本文对保温混凝土的研究主要是基于混凝土物理力学性能指标开展的,而未考虑掺合料对混凝土内部构造的影响,后期将结合工程条件进一步深入研究。