张钰

（河南工业大学 漯河工学院，河南 漯河 462000）

0 引言

超轻泡沫混凝土具有自重小、比强度高、保温性能好等优异性能，广泛应用于复合墙体填充材料和外墙保温材料[1-2]。然而，超轻泡沫混凝土其胶凝材料多以硫铝酸盐水泥为主，存在成本高、耐久性差、强度低等缺点。因此，探究保温效果更好、导热系数更小、质量更轻的泡沫混凝土材料[3-5]成为当今研究的热门课题。Essam等[6]指出，水泥和密度在超轻泡沫混凝土制备过程起着重要的作用，并通过正交试验得出各影响因素的最优配合比。张旭等[7]探究了聚丙烯纤维对超轻泡沫混凝土的改性作用，并提出了预测试件抗压强度的数学模型。Mugahed等[8]分析了不同水胶比下混凝土的长期力学性能，发现玄武岩纤维能明显改善轻骨料混凝土的疲劳寿命，同时对低水胶比试件力学性能增强的效果更好。

本文以短切纤维为增强材料，SiO2气凝胶粉体为填充材料，制备了纤维超轻泡沫混凝土，探究了短切纤维类型及掺量对其性能的影响，同时分析了短切纤维的作用机理。

1 试验

1.1 原材料与仪器设备

水泥：P·O42.5R，郑州景昌建材有限公司；高效稳泡剂：ZQ型，廊坊晨坤化工建材有限公司；有机硅憎水剂：活性物含量50%，黏度12 mm2/s，德国瓦克；苯丙乳液：郑州瑞利达化工产品有限公司；硬脂酸钙：纯度99%，济南欧达铸造材料有限公司；SiO2气凝胶粉体（填充料）：密度110 kg/m3，导热系数0.015 W（/m·K），孔隙率96%，平均粒径0.237 nm，廊坊陶戈纳米材料有限公司；增稠剂水溶液：将水与增稠剂混合并搅拌均匀，溶解时浓度控制在0.5%，使增稠剂完全溶解于水。玄武岩纤维（BF）：密度2.65 g/m3，断裂强度＞1050 MPa，弹性模量＞35 GPa，山东浩森新材料有限公司；玻璃纤维（GF）：河间市润达保温材料公司；聚丙烯纤维（PF）：北京鹏洋新型建筑材料有限公司。短切纤维的物理力学性能见表1。

表1 短切纤维的物理性能

WDW-S20E型电子万能试验机，上海精密仪器仪表有限公司；DRX-I-RX型导热系数测定仪，湘潭华辰仪器有限公司；40B型水泥试体恒温恒湿养护箱，苏州江凯机械设备有限公司；101型电热鼓风干燥箱，上海政泓实业有限公司；JB-B型电子天平，诸暨市超泽衡器设备有限公司；CZB-C400型电子精密天平，安徽科幂仪器设备有限公司；B011型数码显微镜，深圳超眼科技有限公司。

1.2 制备方法

依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》测试试件的氯离子扩散系数和电通量，试件龄期56 d，加工成100mm×50 mm的圆柱体。水泥用量分别为200、300 kg/m3，气凝胶含量为10%，通过改变短切纤维类型和掺量探究纤维对轻泡沫混凝土试件性能的影响，各材料用量如表2所示。依照配合比称取各组分物料，将气凝胶粉体与水泥等进行干混，加入配制好的增稠水并搅拌20 s；缓慢加入短切纤维得到纤维气凝胶混凝土浆体；将水与发泡剂倒入发泡机，采用机械加压制备泡沫，将泡沫迅速加入纤维气凝胶混凝土浆体中，搅拌均匀后倒入模具内，静置24 h拆模，并置于养护箱中养护72 h，取出至25℃下自然养护至试验龄期，得到短切纤维超轻泡沫混凝土试件。

表2 超轻泡沫混凝土的基本配合比

1.3 测试方法

通过压力机对试样施加均匀而连续地加载荷值，记录破坏荷载F。将试件置于鼓风干燥箱内烘干48h，随后冷却至室温，使用导热系数测定仪对试件的导热系数进行测试。测量试块的边长并称其质量，计算试件干密度。称量计算烘干后试件的质量和体积，将待测试件置于水箱底部浸泡2 h，用干毛巾和海绵吸去表面残余水分，称量试件的湿质量，计算试件的体积吸水率。

2 结果与分析

2.1 泡沫混凝土性能对比

3种泡沫混凝土的孔径分布见图1，孔结构参数见表3。

图1 3种泡沫混凝土的孔径分布

由图1可以看出，3种试件的孔径分布存在较大差异，其中，气凝胶泡沫混凝土和普通泡沫混凝土的孔径分布峰值分别在100～150μm和50～100μm，而玻璃纤维超轻泡沫混凝土试件孔径尺寸在150～400μm相对比较集中，且孔径分布更加均匀。

表3 3种泡沫混凝土的孔结构参数

由表3可以看出，玻璃纤维超轻泡沫混凝土平均孔径大于普通泡沫混凝土和气凝胶泡沫混凝土，但孔隙率小于其他2种泡沫混凝土。主要是由于气凝胶为轻质材料，其内部为纳米多孔结构，孔隙尺寸较小；短切纤维掺入试件中填充了部分孔隙。

3种泡沫混凝土的抗压强度、导热系数和密度如表4所示，其中2#和4#试件发生塌模现象。

表4 3种泡沫混凝土的密度、导热系数及抗压强度

由表4可以看出，掺入气凝胶粉体能够降低试件的导热系数和密度，与气凝胶泡沫混凝土相比，玻璃纤维超轻泡沫混凝土试件能够在低的密度（200 kg/m3）下成型，主要是由于纤维会降低辐射换热，使试件的有效导热系数下降。对于抗压强度而言，在水泥用量为300 kg/m3条件下，玻璃纤维超轻泡沫混凝土的抗压强度比普通泡沫混凝土和气凝胶泡沫混凝土试件分别提高了3.50%和13.44%。

2.2 纤维种类对超轻泡沫混凝土性能的影响

按表2中的5#配合比，改变纤维种类及掺量对试件抗压强度的影响如图2所示。

图2 纤维种类及掺量对超轻泡沫混凝土抗压强度的影响

由图2可以看出，玻璃纤维超轻泡沫混凝土试件的抗压强度略高于聚丙烯纤维和玄武岩纤维试件。掺量为1.2%的玻璃纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维泡沫混凝土试件的3 d抗压强度较空白组分别提高20.96%、15.19%和9.03%，抗压强度显著提高。试件的28 d抗压强度随着纤维掺量的增加先提高后降低。其中，玻璃纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维泡沫混凝土试件的抗压强度最大值分别为0.5767、0.5474和0.5325 MPa；玻璃纤维超轻泡沫混凝土试件的最大抗压强度比玄武岩纤维和聚丙烯纤维试件分别提高5.35%和8.30%。主要是因为纤维掺量过少时对试件的抗压强度的提升并不明显，易受操作中偶然性因素的影响。纤维掺量增多使得试件中的纤维密集度逐渐增大，约束了试件中裂纹的产生与发展[9]，能够承托骨料起到加强内部集料的作用。切割试件发现，内部气孔尺寸相近、孔径小、分布均匀，且纤维分布均匀。纤维掺量较高时出现了结团现象，且周围的气孔尺寸极不均匀，由此推测纤维掺量大于0.9%时纤维的实际利用率降低，试件内部产生结团现象，同时纤维的比表面积较大，无法有效提高试件的抗压强度。

纤维种类及体积掺量对超轻泡沫混凝土导热系数的影响如图3所示。

图3 纤维种类及掺量对超轻泡沫混凝土导热系数的影响

由图3可以看出，试件的导热系数随着纤维掺量增加均有所降低，其中短切玻璃纤维试件的导热系数下降趋势更加明显。对比发现，空白组试件的导热系数为0.050 W（/m·K），纤维掺量为1.2%时，玻璃纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维泡沫混凝土试件的导热系数分别为0.044、0.045和0.046 W（/m·K），比空白组分别降低了12%、10%和8%。固相材料的孔隙率、体积密度等因素对试件的导热系数有较大影响，热量在试件中通过振动实现传导，掺入纤维后试件内部的孔道形貌发生改变，平均孔径和密度逐渐减小，空气介质小于固体介质传热，使得试件的导热系数略有降低，热工性能得到改善。

纤维种类及体积掺量对超轻泡沫混凝土吸水率的影响见图4。

图4 纤维种类及掺量对超轻泡沫混凝土吸水率的影响

由图4可以看出，随着纤维掺量增加，试件吸水率先增大后减小然后再增大，说明不同纤维的掺量对混凝土的吸水率有不同的影响。

纤维种类及掺量对超轻泡沫混凝土抗氯离子渗透性能的影响如图5所示。

图5 纤维种类及掺量对超轻泡沫混凝土抗氯离子渗透性能的影响

由图5可以看出，试件的电通量和氯离子扩散系数随着纤维掺量的增加均不断降低，表明增大纤维掺量有利于提升试件的抗渗性能，且玻璃纤维的改善作用大于玄武岩纤维和聚丙烯纤维。纤维掺量为1.2%时，玻璃纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维泡沫混凝土试件的电通量比空白组分别降低了18.68%、11.21%和8.88%，氯离子扩散系数分别降低了22.39%、8.77%和7.67%。主要是由于网状分布的短切纤维优化了孔径结构，细化了孔径尺寸，有效地填充混凝土的大孔隙，提高混凝土的密实度[10]。此外，玻璃纤维在基体中的乱向分布，阻断了氯离子迁移通道，减少基体内部连通裂缝的数量。

2.3 机理分析

理想情况下短切纤维在混凝土基体中有效分散，且呈单丝状随机分布。纤维较长、纤维掺量较大时，会发生成团、成束等分布不均匀现象[见图6（a）]，在浆体中的分散性变差。受到荷载作用时，纤维团在混凝土基体中属于薄弱环节，该部位应力相对集中，会对试件强度产生不利的影响。当纤维掺量较低、纤维较短时，短切纤维试件的断面中存在很多的孔洞，纤维自身未发生形变，说明试件破坏的过程中，玄武岩纤维和玻璃纤维自身具有较高的抗拉强度，纤维和基体的粘接界面成为试件的薄弱位置。短切纤维掺量提高后，发生了明显的受拉变形[见图6（b）]，短切纤维和基体界面粘接力大于纤维自身抗拉强度，此时主要以纤维拉断失效为主。

图6 短切纤维超轻泡沫混凝土的SEM照片

掺加1.2%不同短切纤维超轻泡沫混凝土试件的荷载-变形曲线如图7所示。

图7 掺加不同短切纤维超轻泡沫混凝土试件的荷载-变形曲线

由图7可以看出，掺入短切纤维可以将超轻泡沫混凝土的脆性破坏转变为延性破坏，当基体发生断裂后短切纤维能够承担一定应力，使得超轻泡沫混凝土试件的弯曲韧性增强。

短切纤维超轻泡沫混凝土试件破坏分为3个阶段：第1阶段，主要是超轻泡沫混凝土基体受力极易产生微裂缝，而短切纤维大量分布于试件内部，缓和了裂缝尖端的应力集中，阻止微裂缝的进一步产生和扩展，从而提高了试件的抗折强度。第2阶段：此阶段短切纤维受力，超轻泡沫混凝土试件产生了可见裂缝，基体已经开裂，纤维承担荷载产生拉伸形变，延缓了断裂的速率，改变了基体脆性断裂特征。第3阶段：短切纤维不断发生断裂，或者短切纤维与基体材料脱粘试件彻底破坏。短切纤维桥接裂缝示意如图8所示。3种短切纤维的抗拉强度均远高于超轻泡沫混凝土基体，在短切纤维超轻泡沫混凝土材料中，适量的短切纤维一方面承担荷载的作用，桥接可见裂缝提高了试件的抗折强度[9-10]；另一方面，能够延缓微裂缝的出现和发展，受压时纤维会约束材料的横向变形，试件的抗压强度明显提高。

图8 短切纤维桥接裂缝示意

3 结论

制备了短切纤维超轻泡沫混凝土，并对其进行宏观性能测试与微观结构表征，掺入0.9%体积掺量的玻璃纤维、聚丙烯纤维和玄武岩纤维均能提高超轻泡沫混凝土的抗压强度，且玻璃纤维的增强效果更好。短切纤维的掺加能够提高混凝土的密实度，改善混凝土的薄弱部位。纤维体积掺量为1.2%时，玻璃纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维泡沫混凝土试件的导热系数比空白组分别降低了12%、10%和8%；电通量较空白组分别降低了18.68%、11.21%和8.88%，氯离子扩散系数较空白组分别降低了22.39%、8.77%和7.67%。