纤维种类对微孔混凝土干缩性能的影响研究

2023-11-08曹万智代佳叶骐瑞高潇

新型建筑材料 2023年10期

曹万智，代佳，叶骐瑞，高潇

（1.西北民族大学土木工程学院，甘肃兰州 730030；2.甘肃省新型建材与建筑节能重点实验室，甘肃兰州 730124）

0 引言

微孔混凝土[1]是通过空气压缩网孔阻滞制泡技术，将泡沫加入由快硬低收缩复合胶凝材料、膨胀珍珠岩、水、短切纤维、各种矿物掺合料及化学外加剂混合拌制而成的料浆中，经过搅拌、浇筑、成型和养护而制成的多孔混凝土，含有0.2 mm 左右均匀分布的微孔，导热系数为0.01～0.14 W/（m·K）。目前，微孔混凝土主要用于保温结构一体化复合墙体制品的生产。相对于普通多孔混凝土，微孔混凝土具有吸水率低、干缩小、隔热保温和防火性能好的特点，其中干缩性能的改善，添加纤维是主要原因之一。

研究表明，玻璃纤维（GF）的掺入能降低微孔混凝土早期收缩变形，GF 弹性模量大，能承担微孔混凝土收缩时的挤压应力，从而抑制微孔混凝土收缩；聚丙烯纤维（PPF）的掺入在微孔混凝土结构中形成一种均匀、乱向的三维支撑体系，阻隔微孔混凝土内部水分溢出的通道，改善微孔混凝土的均匀性和微观结构，抑制混凝土的干燥收缩[2-3]。本文选取800、1000、1200 kg/m3表观密度的微孔混凝土为基本对象，以纤维掺量为1.5 kg/m3进行2 种纤维单掺以及GF 与PPF 按1∶2、1∶1、2∶1 质量比复掺（复掺时未考虑2 种纤维体积密度对体积掺量和质量掺量的影响），对比单掺纤维和复掺纤维对微孔混凝土干缩性能的影响，通过性能试验寻找规律，持续提高和优化微孔混凝土的性能。

1 试验

1.1 原材料

（1）快硬低收缩复合胶凝材料：由P·O42.5 水泥（OPC，兰州祁连山水泥集团）、SAC42.5 低碱度硫铝酸盐水泥（SAC，郑州市王楼水泥工业有限公司）、粉煤灰（Ⅱ级，甘肃宏大投资开发集团有限公司）等矿物掺合料及化学外加剂复配而成（以下简称复合胶凝材料）[4]。复合胶凝材料中水泥的化学成分如表1所示，复合胶凝材料主要技术性能如表2 所示。

表1 复合胶凝材料中水泥的化学成分%

表2 复合胶凝材料的主要技术性能

（3）轻骨料：膨胀珍珠岩，兰州市榆中定远保温材料厂，其主要性能如表3 所示。

表3 膨胀珍珠岩的主要性能

（4）纤维：聚丙烯纤维（PPF）、玻璃纤维（GF），其主要性能如表4 所示。

表4 PPF 和GF 的主要性能

1.2 试验方案

（1）配合比设计（见表5）

表5 微孔混凝土配合比

采用0.55 的水灰比和30%粉煤灰掺量，进行纤维单掺及复掺对微孔混凝土形成的独立微孔具有一定的影响，在保证试件制作过程中浆体和易性较好的情况下，掺加1.5 kg/m3纤维，12%体积掺量的膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩在微孔混凝土中充当骨料作用，并且能改善泡沫的引入效果，节约水泥用量，降低制造成本，缓解混凝土中泡沫的上浮和改善纤维的分布。

（2）施工工艺

根据表5 配合比先将水、膨胀珍珠岩、纤维进行第1 次机械搅拌，时间控制在5 s 左右（防止搅拌时膨胀珍珠岩破坏），接着放入复合胶凝材料进行第2 次机械搅拌，时间控制在20 s 左右。2 次机械搅拌目的是使纤维均匀分散在胶凝材料内。微孔混凝土料浆拌制完成后倒入准备好的模具，盖上保鲜膜进行室内养护。

（3）试件制作及养护

试块的制备按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，尺寸为100 mm×100 mm×515 mm。测试试验组28 d 的干燥收缩率，每组3 个试块取平均值。试件浇筑成型后放入室内带模养护1 d，第2 d 拆模试件继续放入室内进行养护[温度（20±2）℃、相对湿度（25±5）%]至28 d 龄期。拆模养护2 d 后测试其初始数值。

上述基于在线监测数据的故障识别方法均是结合电压互感器的结构特点和故障特征，通过分析某一个电压互感器的量测数据识别故障。这些方法仅适用于特定类型、特定结构的电压互感器，普适性较差。下面提出了一种基于多维量测数据序列的电压互感器故障识别方法，属于在线监测数据的故障识别方法。该方法通过在线分析多个电压互感器的量测数据识别故障，无需利用电压互感器的结构特征，适用于所有类型的电压互感器。首先，利用经验模态分解法对电压互感器量测数据进行去噪处理，消除噪音干扰；其次，利用时间序列分层聚类法对多维电压互感器量测数据进行分析，识别电压互感器故障位置。

（4）试件编号

将800、1000、1200 kg/m3三种表观密度微孔混凝土未掺纤维组（空白组）编号为A0、B0、C0。纤维种类分为单掺GF、PPF以及按m（GF）∶m（PPF）=1∶2、1∶1、2∶1 复掺，如表6 所示。

表6 试验组编号

2 试验结果与分析

2.1 试验步骤

采用的干缩试验为接触法。采用HSP-540 型混凝土收缩膨胀仪器（如图1），试件两端埋入Φ6×25 mm 铜钉。始终把有标记的一头放置在仪器固定端进行测试试验，每1 d 记录1次百分表读数并同时记录室内温度和相对湿度[室内平均温度为（20±2）℃、相对湿度为（20±5）%）]，总龄期为28 d。试验完成后将试块放回原位继续养护。将测试数据按GB/T 50082—2009 计算干燥收缩率。

图1 混凝土收缩膨胀仪

2.2 干缩机理

纤维抑制微孔混凝土收缩开裂的机理主要在于纤维均匀分散于浆体中，约束了浆体应力和应变，从而提高微孔混凝土的抗拉强度，当受到外界力作用时，纤维能够吸收大量外界能量，进而抑制收缩[5]。

2.3 干燥收缩率

不同表观密度微孔混凝土干缩率如图2 所示。

图2 不同表观密度微孔混凝土的干缩率

由图2 可知，微孔混凝土中掺入纤维[m（GF）∶m（PPF）]后的干缩率以最小值为最优组的规律排序为：2∶1＞1∶1＞1∶2＞1∶0＞0∶1。随着微孔混凝土表观密度的增加，其空白组干缩率逐渐大于纤维组。

表观密度800 kg/m3微孔混凝土中，A0 的28 d 干缩率为7.87%。纤维的掺入使得微孔混凝土的干缩率增大，掺纤维组中A1 的干缩率最大，28 d 干缩率为9.57%，较A0 提高了21.6%；A5 的28 d 干缩率最小，为8.09%，较A0 提高了2.8%，较A1降低了15.8%。

表观密度1000 kg/m3微孔混凝土中，B0 的28 d 干缩率为8.43%。纤维以适当的方式掺入可降低微孔混凝土的干缩率，掺纤维组中B1 的干缩率最大，为9.54%，较B0 提高了13.2%；B5 的干缩率最小，为4.38%，较B0 降低了48.0%，较B1 降低了54.1%。

表观密度1200 kg/m3微孔混凝土中，C0 的28 d 干缩率为9.21%。随着表观密度的提高，纤维单掺及复掺的干缩率开始逐渐低于C0 组。C1 的干缩率最大，为9.79%，较C0 提高了6.3%；C5 的干缩率最小，为4.51%，较C0 降低了51.0%，较C1降低了53.9%。

综上分析可知：

（1）图2 中，1~3 d 干缩率有负值存在，是因为复合胶凝材料水化产物中有钙矾石产生所导致。而3~7 d 干缩率较大，是因为室内湿度低，水分蒸发较快；这种现象持续1 周左右开始减缓。说明环境因素对微孔混凝土干缩性能的影响。

（2）通过不同表观密度空白组的干缩率可知，微孔混凝土随着表观密度的增长，干缩率呈上升趋势。是因为高表观密度微孔混凝土试件单位体积内的胶凝材料和水分含量较多，水化速度快，消耗了大量的水分，从而应力增大，导致干缩率增大产生为裂缝[6]。

（3）纤维的掺入能影响微孔混凝土的干缩率。在低表观密度时，纤维的掺入增大了其干缩率。原因是表观密度越低，内部的孔隙就越多，而纤维均匀分散在其中，起到孔隙与孔隙之间的桥接作用，使孔与孔连接在一起。混凝土遇水会膨胀，微孔混凝土表观密度越低，内部孔隙越多，孔洞水分消失后微孔混凝土干缩率变化就较大。随着微孔混凝土表观密度的提高，孔隙变少纤维在微孔混凝土中形成了一种相互交织的支撑体系，在干缩过程中会受到纤维的抑制作用，减小了其收缩力，阻止其进一步收缩，从而提高了混凝土的抗缩能力，达到抑制微孔混凝土自身的收缩作用。纤维在微孔混凝土的浆体中均匀分布能有效减少混凝土的干燥开裂，减小收缩效果。

（4）纤维复掺[7-8]在微孔混凝土中多维分布，纤维与微孔混凝土浆体有良好的相容性，纤维可单根分散在浆体中，水泥水化产物附着于纤维表面，把纤维紧紧地包覆住，最终形成网状结构，因此，微孔混凝土收缩时会受到纤维的阻碍，干燥收缩长会降低。复掺纤维对降低干缩率效果较单掺明显。这是因为，2 种纤维由于弹性模量不同，能更好地分散微孔混凝土内部的收缩应力，减少微孔混凝土内部的缺陷，从而一定程度上抑制了收缩的产生和发展。GF 因其弹性模量大，对微孔混凝土干燥收缩的抑制效果大于PPF，所以复掺纤维组中随着质量比变大，GF 掺量增加，抑制微孔混凝土干燥收缩性能效果更好。