任大鹏

(大连海洋大学 应用技术学院,辽宁 大连 116300)

0 引 言

近年来,我国城镇化的脚步和基础建设的发展越来越快,截止2022年年底,我国建筑竣工面积累计值已超140亿平方米[1-2]。随着建筑数量的快速增加,建筑能耗也逐年增大,据统计,仅建筑能耗就占社会总能耗30%以上[3-4]。为了保证经济的可持续发展,降低建筑能耗,发展节能建筑的任务迫在眉睫[5-7]。目前建筑领域常见的保温材料主要有岩棉、泡沫陶瓷、泡沫混凝土和膨胀聚苯板等,通常为了要求建筑材料的保温性,导热系数一般都要低于0.12 W/(m·K)[8-11]。泡沫混凝土作为保温建筑材料中的一种,是将水泥、外加剂和泡沫按照一定比例掺拌形成的,具有质量轻、保温性能好和隔音性能强等优点[12-13]。泡沫混凝土也存在一定的缺点,例如强度偏低、耐久性不足[14]。为了获得优异的耐久性和高强度的泡沫混凝土,通常会调整水灰比、加入玻璃纤维及不同种类的发泡剂等[15-16]。张磊等以自制微生物发泡剂为原材料制备了生土泡沫混凝土,研究发现泡沫掺杂量的增加改善了混凝土的强度,抗压强度最高可达10.3 MPa,导热系数最低为0.08 W/(m·K),具有较高的保温性能和强度[17]。王晴等以矿渣和偏高岭土为原料制备了地聚物基泡沫混凝土,发现水玻璃模数的增大可以提高混凝土的抗压强度,矿渣比例的增大有助于提高泡沫混凝土的致密度,矿渣和偏高岭土质量比为8∶2时致密度最高,28 d抗压强度可达2.6 MPa[18]。聚丙烯纤维具有较高的强度和弹性模量,与水泥表面握裹力强,是近年来混凝土中常用的添加纤维[19-20]。为了获得高强度和优异耐久性的泡沫混凝土,本文制备了聚丙烯纤维掺杂的泡沫混凝土,研究了聚丙烯纤维掺杂量对泡沫混凝土性能的影响,为拓展泡沫混凝土的实际应用提供实践参考。

1 实 验

1.1 实验原材料与设备

海螺牌普通硅酸盐水泥P.O 42.5：细度约为0.045 mm,化学成分如表1所示,山东诚开新型建材有限公司;发泡剂：K12十二烷基硫酸钠,济南道融化工有限公司;稳泡剂：十二醇,工业级,广州市宝盛化工有限公司;聚丙烯纤维：形状为单丝状,密度为2.3 g/cm3,直径在9～11 μm之间,抗拉强度为2 350 MPa,弹性模量为62 GPa,断裂延伸率为2.35%,熔点为850 ℃,莱芜晶凯工程材料有限公司;减水剂：聚羧酸减水剂,工业级,减水率为23%,山东润跃化工有限公司;水：自来水。

表1 水泥的化学组成Table 1 Chemical composition of cement

水泥砂浆搅拌机：NJ-160B型,天津市中交路业工程仪器有限公司;冷场扫描电子显微镜：S-4800,日本日立公司;电子万能试验机：WDW-50,上海盛世慧科检测设备有限公司;真空干燥箱：DHG-9023A,DZF-6020,上海靳澜仪器制造有限公司;混凝土收缩变形测定仪：NES06,沧州中建精密仪器有限公司;导热系数仪：DRPL-3B,北京航天伟创设备科技有限公司;标准恒温恒湿养护箱：SHBY-40B型,河北大宏实验仪器有限公司;混凝土氯离子扩散系数测定仪：RCM-6,上海魅宇试验仪器有限公司。

1.2 聚丙烯纤维泡沫混凝土的制备

表2为聚丙烯纤维泡沫混凝土的配比。首先,将发泡剂和水按照质量比1∶70的比例放入发泡机中,以1 000 r/min的转速均匀搅拌5 min;其次,按照表2的配比称取水泥、聚丙烯纤维、减水剂等原料混合均匀搅拌,水灰比固定为0.49,减水剂用量为水泥质量分数的0.3%,发泡剂用量为水泥质量分数的0.15%,稳泡剂用量为水泥质量分数的0.05%;接着,将制备好的泡沫加入到水泥浆料中,混合搅拌3 min;随后倒入模具中,放置24 h后拆模,拆模后放入恒温恒湿的养护箱中养护3 d,再取出在常温环境下自然养护,养护期间间隔2 d对试样表面进行喷水,保证试样表面湿润,养护至28 d后,即得聚丙烯纤维泡沫混凝土试样,然后对样品进行性能测试。

表2 聚丙烯纤维泡沫混凝土的配比Table 2 Proportioning of polypropylene fiber foam concrete

1.3 样品的性能测试

利用S-4800型冷场扫描电子显微镜对纤维泡沫混凝土的微观形貌进行测试;按照JG/T 266-2011《泡沫混凝土》在WDW-50型电子万能试验机上对纤维泡沫混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度进行测试,加载速率为10 mm/min,测试结果精确至0.01 MPa;按照GB/T 11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》对纤维泡沫混凝土的吸水率进行测试;按照GB/T 50082-2008《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》所规定的非接触法进行混凝土收缩试验,将试样制备成300 mm×300 mm×30 mm的尺寸;利用导热系数仪DRPL-3B对试样的导热系数进行测试;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》中快速氯离子迁移系数法(RCM法)对纤维泡沫混凝土的抗氯离子渗透性能进行测试[21]。

2 结果与讨论

2.1 孔结构分析

图1为养护28 d的聚丙烯纤维泡沫混凝土的光学显微镜图。从图1可以看出,所有试样的气孔孔径分布约为0.25～0.95 mm,外形为椭圆形。从图1(a)可以看出,未掺杂聚丙烯纤维的泡沫混凝土气孔分布均匀性较差,孔壁较薄且粗糙,有明显的连通孔和大孔存在。从图1(b)-(e)可以看出,随着聚丙烯纤维掺杂量的增多,泡沫混凝土的气孔分布均匀性逐渐改善,气孔尺寸变小,连通孔和大孔数量减少。当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,孔壁轮廓最为清晰,气孔的完整度和封闭性较高,圆形度接近于1;当聚丙烯纤维的掺杂量增加到1.2%(质量分数)时,在局部又出现了连通孔。综合分析可知,当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的孔径形态最为均匀完整。

图1 聚丙烯纤维泡沫混凝土的光学显微镜图：(a)聚丙烯纤维的掺杂量为0;(b)聚丙烯纤维的掺杂量为0.3%(质量分数);(c)聚丙烯纤维的掺杂量为0.6%(质量分数);(d)聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数);(e)聚丙烯纤维的掺杂量为1.2%(质量分数)Fig.1 Optical microscope diagram of polypropylene fiber foam concrete with different doping amount of polypropylene fiber：(a) 0;(b) 0.3 wt%;(c) 0.6 wt%;(d) 0.9 wt%;(e) 1.2 wt%

2.2 SEM分析

图2为养护28 d的聚丙烯纤维泡沫混凝土的SEM图。从图2(a)可以看出,未掺杂聚丙烯纤维的泡沫混凝土水化产物之间的结合较为疏松。从图2(b)-(e)可以看出,聚丙纤维穿插于混凝土水化产物之间,聚丙烯纤维与浆体粘接较为牢固。随着聚丙烯纤维掺杂量的增多,泡沫混凝土水化产物之间的结合更为紧密,聚丙烯纤维的存在产生了束缚作用,有效抑制了混凝土的开裂和收缩,使泡沫混凝土的结构更为致密。当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,气孔尺寸显著减小,自由水不易挥发,干燥收缩发生的概率降低;当聚丙烯纤维的掺杂量增加到1.2%(质量分数)时,局部出现了纤维脱落的现象,有明显的大尺寸气孔存在,这是因为过量的聚丙烯纤维分布不均出现聚集,使得纤维和水化产物的粘接不牢,导致在水化阶段后期泡沫混凝土发生收缩后纤维被拔出。

图2 聚丙烯纤维泡沫混凝土的SEM图 ：(a)聚丙烯纤维的掺杂量为0;(b)聚丙烯纤维的掺杂量为0.3%(质量分数);(c)聚丙烯纤维的掺杂量为0.6%(质量分数);(d)聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数);(e)聚丙烯纤维的掺杂量为1.2%(质量分数)Fig.2 SEM images of polypropylene fiber foam concrete with different doping amount of polypropylene fiber：(a) 0;(b) 0.3 wt%;(c) 0.6 wt%;(d) 0.9 wt%;(e) 1.2 wt%

2.3 力学性能测试

图3为养护3,7和28 d龄期的聚丙烯纤维泡沫混凝土的抗压强度。从图3可以看出,随着聚丙烯纤维掺杂量的增加,泡沫混凝土的抗压强度先缓慢增加后轻微降低。养护28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(质量分数)时,泡沫混凝土的抗压强度分别为3.89,4.06,4.22,4.49和4.37 MPa。当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的抗压强度最大,相比未掺杂聚丙烯纤维的试样,抗压强度提高了15.42%。这是因为聚丙烯纤维自身具有较高的抗压强度,适量纤维的存在能够在泡沫混凝土中形成致密均匀的网格体系,发挥出骨架作用,另外,聚丙烯纤维的直径在9～11 μm之间,能够有效填充到泡沫混凝土的孔壁中,提高了孔壁的强度和密实度,有助于改善气孔的圆整度,从而改善泡沫混凝土的强度。当聚丙烯纤维的掺杂量增加到1.2%(质量分数)时,纤维泡沫混凝土的抗压强度出现了轻微降低。这是因为掺入过量聚丙烯纤维后,在砂浆搅拌时可以明显观察到纤维的团聚现象,在混凝土硬化过程中团聚部位易发生连通孔和大孔,气孔破裂发生的概率大大增加,从而降低了泡沫混凝土的气孔稳定性,因此抗压强度出现了降低。

图3 聚丙烯纤维泡沫混凝土的抗压强度Fig.3 Compressive Strength of polypropylene fiber foam concrete

图4为养护3,7和28 d龄期的聚丙烯纤维泡沫混凝土的抗折强度。从图4可以看出,养护28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(质量分数)时,泡沫混凝土的抗折强度分别为1.16,1.28,1.39,1.53和1.50 MPa,泡沫混凝土的抗折强度随聚丙烯纤维掺杂量的增大表现出先增大后轻微降低的趋势。当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的抗折强度最大,相比未掺杂聚丙烯纤维的试样,抗折强度提高了31.90%。这是因为聚丙烯纤维自身的弹性模量高达60 GPa以上,适量纤维的掺杂能够与浆体有效结合,强化了泡沫混凝土各区域之间的结合强度,裂纹和缝隙的生成难度增大,当混凝土受外力时,纤维会承担部分应力,当混凝土内部出现裂纹时,纤维在混凝土中形成的致密网格会提高混凝土的抗变形能力,当混凝土要发生断裂时需要克服纤维和浆体之间的结合力,所以抗折强度显著增加。

图4 聚丙烯纤维泡沫混凝土的抗折强度Fig.4 Flexural strength of polypropylene fiber foam concrete

图5为养护3,7和28 d龄期的聚丙烯纤维泡沫混凝土的劈裂抗拉强度。从图5可以看出,与抗折强度的变化趋势相似,随着聚丙烯纤维掺杂量的增加,泡沫混凝土的劈裂抗拉强度表现出先增大后轻微降低的趋势。养护28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(质量分数)时,泡沫混凝土的劈裂抗拉强度分别为0.61,0.77,0.89,1.03和1.00 MPa,当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的劈裂抗拉强度最大,相比未掺杂聚丙烯纤维的试样,劈裂抗拉强度提高了68.85%。劈裂抗拉强度的提高主要得益于聚丙烯纤维形成的网格结构,纤维网格的存在对于骨料和浆料都产生了“束缚”和“牵连”作用,试样在受力过程中不易被劈裂,从而提高了泡沫混凝土的抗裂性能。

图5 聚丙烯纤维泡沫混凝土的劈裂抗拉强度Fig.5 Splitting tensile strength of polypropylene fiber foam concrete

2.4 吸水率测试

图6为养护28 d龄期的聚丙烯纤维泡沫混凝土的吸水率测试结果。从图6可以看出,当聚丙烯纤维的掺杂量为0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(质量分数)时,泡沫混凝土的吸水率分别为0.3148%,0.3142%,0.3093%,0.2841%和0.2925%。泡沫混凝土的吸水率整体变化率幅度为0.03%,变化幅度较小,吸水率随聚丙烯掺杂量的增大表现出先降低后升高的趋势。当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的吸水率达到最低值,这是因为掺入适量的聚丙烯纤维后,泡沫混凝土的孔径分布得到了改善,连通孔和大气孔数量减少,吸水率降低。此外,由于聚丙烯纤维自身的吸湿能力较弱,24 h的吸水率不足0.02%,因此泡沫混凝土吸水率的变化可以认为主要是和混凝土自身的孔隙结构有关。泡沫混凝土的吸水主要由毛细孔渗透和连通孔渗透这两种方式组成,其中毛细孔渗透主要依赖水化前期生成的毛细孔进行渗透。连通孔渗透与自身的孔结构有直接关系,对于泡沫混凝土而言,孔径尺寸分布不均、存在过多的连通孔和有害孔都会形成泌水通道,导致吸水率增大[22]。

图6 聚丙烯纤维泡沫混凝土的吸水率测试Fig.6 Water absorption test of polypropylene fiber foam concrete

2.5 收缩性能测试

混凝土在硬化过程中,随着水化反应的进行内部水和表面水开始蒸发减少,混凝土会发生收缩,此时混凝土的内部和表面容易产生裂纹,裂纹的生成数量随着水化反应的进行逐渐增多,收缩率越小,表明混凝土产生裂纹和应力的概率越低。图7为养护3～28 d龄期的聚丙烯纤维泡沫混凝土的收缩率测试结果。从图7可以看出,随着水化时间的进行,收缩率持续增加,这主要是因为泡沫混凝土孔隙中的水分蒸发产生了毛细管张力,造成了混凝土的收缩。养护28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(质量分数)时,泡沫混凝土的收缩率分别为1.291%,1.202%,1.163%,1.121%和1.130%。随着聚丙烯纤维掺杂量的增加,泡沫混凝土的收缩率先减小后增大,当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的收缩率最小,相比未掺杂聚丙烯纤维的试样,收缩率降低了13.17%。这是因为掺入适量的聚丙烯纤维后,在混凝土中形成了网格结构,使得混凝土的收缩需要克服聚丙烯纤维对浆体的粘接作用力;其次,掺入的纤维改善了泡沫混凝土的孔结构,提高了各部分的结合强度,使混凝土发生收缩的难度增大。

2.6 导热性能测试

平均温度不高于350 ℃时导热系数不大于0.12 W/(m·K)的材料称为保温材料,导热系数能够直观表征纤维泡沫混凝土的保温性能[23]。图8为养护28 d龄期的聚丙烯纤维泡沫混凝土的导热系数。从图8可以看出,当聚丙烯纤维的掺杂量为0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(质量分数)时,泡沫混凝土的导热系数分别为0.119,0.116,0.110,0.103和0.105 W/(m·K),所有泡沫混凝土的导热系数均小于0.12 W/(m·K),具有较高的保温性能。随着聚丙烯纤维掺杂量的增加,泡沫混凝土的导热系数表现出先降低后升高的现象。导热系数的变化与泡沫混凝土的微观形貌所对应,掺入适量的纤维后改善了泡沫混凝土的孔结构,其气孔的完整度和均匀性得到改善,从而使导热系数降低,保温性能提升;当纤维掺杂量过多时,纤维在泡沫混凝土中的分布均匀性变差,团聚现象增多,出现了穿孔现象,有害孔数量增多,从而使导热系数升高,保温性能变差。

图8 聚丙烯纤维泡沫混凝土的导热系数Fig.8 Thermal conductivity of polypropylene fiber foam concrete

2.7 抗氯离子侵蚀性能测试

混凝土的抗蚀性能是反映其耐久性能差异的主要指标,氯离子的迁移通常会以水分子的传输表现出来,泡沫混凝土中裂纹和孔隙数量越多,氯离子迁移系数越大,混凝土受到侵蚀导致力学性能发生破坏的概率越高,耐久性越差。图9为为养护28 d龄期的聚丙烯纤维泡沫混凝土的氯离子迁移系数。从图9可以看出,当聚丙烯纤维的掺杂量为0%,0.3%,0.6%,0.9%和1.2%(质量分数)时,泡沫混凝土的氯离子迁移系数分别为9.1×10,8.5×10,8.3×10,8.1×10和8.2×10-12m2/s,未掺杂聚丙烯纤维的泡沫混凝土的氯离子迁移系数最大。结合图2分析可知,这是由于泡沫混凝土自身孔壁封闭性较差,连通孔及孔间壁缺陷过多等导致了氯离子更容易发生迁移,氯离子迁移系数最大,抗氯离子侵蚀能力最低。随着聚丙烯纤维掺杂量的增加,泡沫混凝土的氯离子迁移系数先降低后增大,抗氯离子侵蚀能力先增大后降低。当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的抗蚀性能最强。这是因为掺入适量的纤维后,增强了泡沫混凝土浆体过渡区的强度,使气孔的轮廓更为完整,孔壁变厚,孔壁封闭性提高,孔径更为均匀,大孔、连通孔等有害孔的数量减少,从而增强了泡沫混凝土的抗蚀性能。

图9 聚丙烯纤维泡沫混凝土的氯离子迁移系数Fig.9 Chloride ion migration coefficient of polypropylene fiber foam concrete

3 结 论

(1)适量聚丙烯纤维的掺杂改善了泡沫混凝土的气孔分布均匀性,当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的孔径形态最为均匀完整。

(2)适量聚丙烯纤维的掺杂有效抑制了泡沫混凝土的开裂和收缩,使泡沫混凝土的结构更为致密。随着纤维掺杂量的增加,泡沫混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均先增大后减小,吸水率则先降低后升高。养护28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的抗压强度最大为4.49 MPa,抗折强度最大为1.53 MPa,劈裂抗拉强度最大为1.03 MPa,吸水率最低为0.2841%。

(3)适量聚丙烯纤维掺杂后能够与泡沫混凝土浆体紧密结合,提高了各水化产物的连接强度,形成的网格结构阻碍了混凝土的开裂收缩。养护28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的收缩率最低为1.121%。

(4)聚丙烯纤维泡沫混凝土具有较高的保温性能和抗蚀性能,适量纤维的掺杂改善了气孔的完整度和均匀性,降低了导热系数,增强了抗蚀性能。当聚丙烯纤维的掺杂量为0.9%(质量分数)时,泡沫混凝土的导热系数最低为0.103 W/(m·K),氯离子迁移系数最低为8.1×10-12m2/s。