詹奇淇, 詹炳根

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥 230009)

0 引 言

水泥基泡沫混凝土作为新型绿色建筑材料不仅具有良好的保温隔热性能,而且其较低的密度还有效地降低了建筑自重和造价,现已广泛运用于墙体保温、路基回填等建筑工程中,研究前景广阔。但是随着我国墙体革新的深入,建筑领域对泡沫混凝土的性能提出了更加苛刻的要求,则需要容重更低的泡沫混凝土,从而造成了泡沫混凝土的强度难以满足工程需要,严重制约了其在轻质高强方向上的发展。本文将泡沫混凝土的韧性和抗压强度作为响应,由于其大小可以较好地显示出泡沫混凝土抵抗外荷载和开裂后能够持续工作能力的强弱[1],通过增强泡沫混凝土的韧性和抗压强度来解决低密度等级泡沫混凝土力学性能较差的问题。

现阶段已有大量研究表明,纤维对泡沫混凝土的力学性能有较好的优化作用。文献[2]研究表明聚丙烯纤维可显著提高泡沫混凝土的劈裂抗拉强度,降低干缩率,且随泡沫掺量越大,效果越明显;文献[3]发现聚乙烯醇纤维在最适宜的长度和掺量下,泡沫混凝土具有最高的抗压抗折强度;文献[4]研究表明,聚丙烯纤维和玻璃纤维复掺的情况下可提高泡沫混凝土的抗折性能,但不利于泡沫混凝土的保温性能;文献[5]研究表明在抗折强度上,玄武岩纤维比聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维表现更好;文献[6]通过研究得出,玻璃纤维可改善泡沫混凝土的比强度。但是目前纤维在泡沫混凝土中应用的研究仍集中在800 kg/m3以上的密度等级,急需补充低密度等级下纤维改善泡沫混凝土力学性能的研究。因此,本文制定了向泡沫混凝土中外加玄武岩纤维的试验方案,研究其对泡沫混凝土抗压强度的影响规律,并使用混凝土韧性测试方法,选取三点弯曲试验进行泡沫混凝土韧性实验的研究,考虑玄武岩纤维掺量和长径比为因素,以韧性指数I5和I10为响应,系统地研究纤维对不同密度等级泡沫混凝土的增韧效果。

1 试 验

1.1 原材料

(1) 水泥。选用巢湖润基公司提供的P.0 52.5级黑水泥,其有关的技术指标见表1所列。

(2) 发泡剂。本文所使用的发泡剂是实验室自制的蛋白类发泡剂,具有较好的稳定性、较低的泌水率以及发泡倍数较高的特点,外观呈淡黄色液体,密度为1.02 g/cm3,烘干后剩余质量分数为37%,pH值经测定为9～10。

(3) 玄武岩纤维。本文所选用的玄武岩纤维由安徽梦谷高新材料有限公司提供,其密度为2.945 g/cm3,平均直径为13 μm,拉伸强度为3 500 MPa,弹性模量为80 GPa。

(4) 功能外加剂。本课题组配制,用来改善泡沫混凝土的相关性能。

(5) 拌合用水为实验室自来水。

表1 硅酸盐水泥的各项指标

1.2 试验配合比

本文主要研究玄武岩纤维对不同密度等级泡沫混凝土韧性和抗压强度的影响规律。因此本次试验决定选用2种密度等级的泡沫混凝土为载体,分别为A05、A07级,其干密度范围分别处于400～500 kg/m3、600～700 kg/m3之间,试验配合比见表2所列。

表2 A05和A07级泡沫混凝土试验配合比

注:配合比为1 m3用量;A05表示试件密度等级为 400～

500 kg/m3,A07表示试件密度等级为600～700 kg/m3。

表2中选用直径相等、长度不相等的玄武岩纤维,纤维长度设置为5、10、15 mm。玄武岩纤维的掺量以体积掺量设置,分别为0.15%、0.30%、0.45%。

1.3 试件制作

先将水泥和外加剂等粉料干拌均匀,再加水搅拌1 min,同时在搅拌过程中把事先处理好的纤维分散撒入搅拌锅内,待纤维混合均匀后使用发泡机进行物理发泡,并将制备出的泡沫加入水泥浆体中搅拌30 s,时间不宜过长;拌合出均匀的纤维泡沫混凝土后,入模并用薄膜覆盖,静置24 h后拆模,标准养护28 d。

1.4 测试方法

本文采用ASTM C1018韧性指数法,是以理想的弹塑性材料为基础,进行弯曲韧性试验后得到荷载挠度曲线,此时通过观察可以确定，试件在外力作用下产生的初始裂缝所对应的挠度,以此作为数据研究的基准,记录挠度δ,确定δ后,在3.0和5.5倍δ的荷载挠度曲线下所对应的面积与挠度δ对应初裂点相应面积的比值,分别记为I5、I10,以此作为韧性指数,进行泡沫混凝土韧性的研究工作。

试验所选用试件的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,标准养护28 d取出后将表面水分擦干。弯曲韧性试验所需仪器为微机控制电子万能试验机,采用三点加载方式,加载尺寸如图1所示,韧性试验加载断裂后产生的2块试件可用来测试抗压强度,试验过程应符合以下规定:

(1) 弯曲韧性试尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体,取出3个试件作为待检试件。

(2) 加载速度取0.5 mm/min,开动电机,直至试件折断,记录荷载-位移曲线,导出数据。

(3) 将数据用Origin绘制成平滑的曲线,并求积分得到图下面积,作为实验数据。

图1 三点弯曲试验示意图

2 试验结果与分析

2.1 弯曲韧性试验试件的破坏形态

500 kg/m3和700 kg/m3级空白组泡沫混凝土,其挠度曲线在达到极限抗弯荷载前呈线性变化,随后,荷载迅速下降挠度较小，如图2所示。

图2 不同密度玄武岩纤维泡沫混凝土荷载-挠度曲线

不掺纤维泡沫混凝土弯曲韧性试验破坏情况如图3所示,2组空白组泡沫混凝土底部中间处最先出现裂缝,并迅速形成贯穿裂缝,使得试件断裂而丧失承载力,最终发生脆性破坏。

图3 不掺纤维泡沫混凝土弯曲韧性试验破坏图

纤维组相对于空白组泡沫混凝土在加载到极限荷载之前,荷载位移曲线也呈现出线性上升,符合胡克定律,在该阶段,泡沫混凝土承受的荷载要远多于纤维,随后当外荷载到达极限承载力,在纤维泡沫混凝土试件的底部开始出现微裂缝,由于裂缝的产生,泡沫混凝土基体在裂缝处的黏结力直接丧失,此时纤维开始承担全部的荷载,基体挠度得到加大,曲线表现为非线性,随着外荷载继续增大,纤维承担的荷载值比例也慢慢增加,如果外力超过纤维自身的承受能力,那么纤维在基体内将面临拉断或者拉出泡沫混凝土2种情况,最终泡沫混凝土完全断开,试件破坏。如图2韧性试验加载曲线所示,纤维组泡沫混凝土加载曲线下所围绕的面积要远大于不掺纤维的对照组,其被破坏需要更多的能量,玄武岩纤维增强泡沫混凝土韧性显著,具体韧性指数的量化分析见2.2节。

玄武岩纤维组泡沫混凝土韧性试验破坏情况如图4所示,试件开裂后没有立即断裂,而是继续承载着一定的荷载,直至内部纤维被拉断。

图4 玄武岩纤维泡沫混凝土韧性试验破坏情况

2.2 弯曲韧性的评价和试验结果分析

本文对泡沫混凝土弯曲韧性的评价采用ASTM C1018试验方法,该方法的响应包括韧性指数I5和I10。

2.2.1 韧性指数I5、I10

测试方法已对韧性指数计算方法和原理做出了解释。其中,关于I5、I10的计算分别取3.0倍和5.5倍δ在荷载位移曲线下面积与δ对应的曲线下面积的比值,计算公式为:

(1)

其中,T为对应挠度下荷载-位移曲线与横坐标围成的面积；I5、I10为韧性指标。关于ASTM C1018 定义的韧性指数值见表3所列。

表3 ASTM C1018定义的韧性指数值

2.2.2 韧性指数实验结果分析

基于A05级或A07级同一密度等级的泡沫混凝土,韧性指数I5随着纤维体积掺量增加而增大，如图5所示。图5中BF表示纤维长度,BF5表示纤维长度5 mm,以此类推，下同。

(a) A05级泡沫混凝土

(b) A07级泡沫混凝土图5 玄武岩纤维对A05级和A07级泡沫混凝土I5的影响

由图5可知，在A05级体系中,纤维长度为15 mm、纤维体积掺量为0.45%试件的I5为2.56,比体积掺量为0.15%、长度为15 mm的玄武岩泡沫混凝土增长了约9.4%,由此可知掺量的提高对于基体韧性的提升起到良好的作用。纤维长径比也是韧性变化的重要因素,纤维长度增加,韧性指数I5也逐渐增加。当体积掺量保持0.45%不变时,纤维从5 mm到10 mm,I5增加了0.06,纤维从10 mm到15 mm,I5增加了0.03,可见纤维长度在一定范围内增加对于泡沫混凝土韧性增强是有利的,但增强优势逐渐减弱。另外可以发现,同纤维掺量和长度条件下,A05级泡沫混凝土韧性指数I5均小于A07级,说明纤维对高密度等级泡沫混凝土韧性的增强效果更显著。

玄武岩纤维对A05级和A07级泡沫混凝土韧性指数I10的影响，如图6所示。基于A05或者A07体系中,I10是随着掺量增加呈现出先增后趋于水平的变化趋势。

(a) A05级泡沫混凝土

(b) A07级泡沫混凝土图6 玄武岩纤维对A05级和A07级泡沫混凝土I10的影响

对于A05级泡沫混凝土,纤维体积掺量为0.45%、长度为15 mm的玄武岩纤维泡沫混凝土组,I10达到最大,为3.47,比体积掺量为0.15%、长度为15 mm的玄武岩泡沫混凝土组增长了约21.8%,纤维长径比从5 mm增加到15 mm的过程中,I10是逐渐增大的。当体积掺量保持0.45%不变时,纤维从5 mm到10 mm,I10增加了0.16,纤维从10 mm到15 mm,I10增加了0.08,因此可以说明在一定范围内,纤维长径比对于提高韧性是有利的,且增强优势逐渐减弱。另外与I5表现出的规律一样,同纤维掺量、长度条件下,A05级泡沫混凝土韧性指数I10均小于A07级,再次表明纤维对高密度等级泡沫混凝土韧性的增强效果更强。

纤维掺量因素在提高韧性指数I5和I10的过程中表现出其优越性,纤维掺量增加后,整个有机的纤维泡沫混凝土整体可以承担相比于前者更多的荷载,因此也有了较大的变形,通过观察曲线可以看出曲线更饱满,这表明在合理范围内,纤维掺量较大的试件可以消耗的能量也越多,韧性指数更大[7]。

此外,纤维长度亦是提高韧性的主要因素,纤维弯曲韧性试验后,经过观察玄武岩纤维泡沫混凝土的断面情况,发现有大量纤维露出,并且立于断面。可知,当纤维的长径比变大时,使得玄武岩纤维与基体之间接触的连续性得到了保障,单根纤维与基体接触的面积也越大,因此通过黏结力使其承载力也会提高,这就表明纤维长度的适当增加能够提高泡沫混凝土的韧性。

2.3 玄武岩纤维对泡沫混凝土抗压强度的影响

在抗压实验过程中,普通泡沫混凝土破坏时会直接炸裂开,表面碎片分散。而外加玄武岩纤维的泡沫混凝土受压破坏后未碎裂,仅在受压区形成非弹性形变及细小裂纹,破坏情况如图7所示。

图7 试件单轴受压破环情况

玄武岩纤维对A05、A07级泡沫混凝土,28 d抗压强度的影响如图8所示。

由图8可知，A05、A07级泡沫混凝土的抗压强度均随着纤维体积掺量的提高而增强,且增长趋势逐渐放缓;当掺量保持不变时,纤维长度对于提高基体抗压强度的影响也表现出优势,纤维长度为15 mm时,在适宜的掺量下,500 kg/m3的泡沫混凝土抗压强度增强52.3%,700 kg/m3的泡沫混凝土增强33%,玄武岩纤维可以更好地提高低密度等级泡沫混凝土的抗压强度。

产生上述试验结果,是因为玄武岩纤维具有很小的直径,其表面积较大,纤维表面留存有较多的水分。因此，玄武岩纤维泡沫混凝土相对于素泡沫混凝土,水分转移的过程表现得更慢,而泡沫混凝土强度的提升主要来自于基体水化的情况,掺有玄武岩纤维的泡沫混凝土,其内部在水分充分的环境下,强度得到了充分的发展,这也是纤维泡沫混凝土强度高于素泡沫混凝土强度的主要原因。

(a) A05级泡沫混凝土

(b) A07级泡沫混凝土图8 玄武岩纤维对泡沫混凝土28 d抗压强度的影响

此外,强度成长的过程中往往伴随着收缩,收缩受到约束时则会出现收缩裂缝,会增加其薄弱点的数量,削弱试件的整体性,致使泡沫混凝土抗压强度降低。外掺玄武岩纤维后,纤维在泡沫混凝凝土内各向的分布形成三维网状结构,限制裂缝的产生与发展,同时也会通过变形来转移泡沫混凝土所承受的外力,从而减少泡沫混凝土内部薄弱点的数量,整体性得到提高,因此可以认为适当的玄武岩纤维掺量和长度有利于抗压强度发展[8]。但是过量则适得其反,主要是因为过多的纤维在搅拌过程中容易造成泡沫的破裂以及泡沫与泡沫之间的合并,致使较多大泡的形成,使得泡沫混凝土表现出不均匀性,所以当玄武岩纤维掺量很高时,则对泡沫混凝土抗压强度不利。

3 结 论

(1) 相对于普通组,在弯曲韧性实验过程中纤维泡沫混凝土组充分体现出受力后的变形与延展,且纤维体积掺量越高,纤维泡沫混凝土的变形随着掺量的提升表现得越强,试验曲线相对于不掺纤维泡沫混凝土表现得更饱满。

(2) 用来评价韧性的指数I5和I10,在一定范围内,基于A05、A07级泡沫混凝土,均随纤维体积掺量和纤维长径比的增大而增大。纤维对A07级泡沫混凝土韧性的提高作用比A05级更显著。

(3) A05级、A07级的泡沫混凝土,在玄武岩纤维长径比相同的情况下,其抗压强度都是随纤维体积掺量的提高而提高。在相同纤维体积掺量下,不同密度等级泡沫混凝土在玄武岩纤维长度为15 mm时,其抗压强度最大。在适宜玄武岩纤维外掺和长径比下,A05级泡沫混凝土抗压强度可提高至6.09 MPa,相对于不掺纤维泡沫混凝土增加52.3%,A07级泡沫混凝土抗压强度可提高至6.65 MPa,相对于不掺纤维泡沫混凝土增加33%,玄武岩纤维增强泡沫混凝土抗压强度的效果明显,且其抗压强度远高于现阶段市场上同等密度等级的泡沫混凝土。