EPS-石膏－礦渣墻體保溫材料纖維增強實驗研究

聶　昆 李久明

（井岡山大學）

EPS-石膏－礦渣墻體保溫材料纖維增強實驗研究

聶昆 李久明

（井岡山大學）

本研究通過以改性的廢舊EPS顆粒為保溫骨料，以石膏-礦渣膠凝材料為膠結(jié)劑，短尼龍纖維為增強纖維，添加適量的外加劑，研究了短尼綸纖維的摻量對該EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料的各項性能的影響。結(jié)果表明，短尼龍纖維對于EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料具有顯著的增強作用。在纖維含量低于4‰時，隨著纖維含量增大，材料的抗壓強度、抗折強度及軟化系數(shù)都有不同程度增長，但材料的抗折強度增長更加顯著；在纖維含量繼續(xù)增大時，將引起材料抗壓強度的下降，但此時抗折強度繼續(xù)增長；當纖維含量超過一定范圍時，其抗折強度也會出現(xiàn)下降的趨勢。

EPS-石膏-礦渣；保溫墻體材料；纖維增強

1　前言

墻體材料要求一定的強度和韌性，在冬冷夏熱地區(qū)，要求其具有一定的抗凍融性。復合材料實驗研究表明，在復合材料制備中加入纖維，能顯著地起到增強作用，使材料的強度、韌性都有較大的提高，這是由于纖維在復合材料中起到了阻裂、增強和增韌的作用[1]。為了提高墻體材料的強度和韌性，增強材料的抗凍融能力，選取短尼龍纖維作為增強纖維，對EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料進行了纖維增強實驗研究。

纖維對基體的作用概括起來主要有三種：阻裂，增強和增韌，摻加尼綸纖維的EPS-石膏-礦渣保溫材料的各項物理性能的改善都與此三項有關[2]。

纖維對基體的增強作用，主要為對抗拉強度的提高，相應地，以主拉應力為控制破壞的、如彎拉強度（又稱抗折強度、折斷模量）、抗剪強度等也隨即提高。在混凝土纖維增強實驗中，當高彈性模量纖維含量較高時，纖維混凝土的抗壓強度也有明顯的提高[3]。

材料的韌性通常是指材料在各種受力狀態(tài)下進入塑性階段保持一定抗力的變形能力，衡量材料韌性的指標較常用的有彎曲韌性、斷裂能等。對于摻加尼綸纖維的該保溫墻體材料來說，其最大的特點就是其韌性的顯著改善。對于纖維增強的機理，目前主要存在著兩種理論，一種是復合材料的力學理論，另一種是間距理論，其它的理論大都是以兩者或者兩者之一作為基礎而得出的結(jié)論。

2　EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料的纖維增強實驗

下面研究了短尼綸纖維的摻量對該EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料的各項性能的影響，在該實驗中，EPS的摻量為9‰，石膏：65%；礦渣：25%；水泥：10%；外加劑：3‰；液固比0.5。

2.1抗壓強度的影響

由圖1可以看出：纖維對抗壓強度影響，在纖維含量4‰時達到最佳效果，此時，抗壓強度達到了最大值，其后，抗壓強度開始下降，超過質(zhì)量的5‰后，其抗壓強度明顯低于不摻纖維試件強度，并且，隨著纖維含量的增加，其抗壓強度有繼續(xù)下降的趨勢。

圖1　短尼龍纖維的摻量對材料抗壓強度的影響

尼龍纖維由于其本身的彈性模量低，一般僅為基體彈性模量的1/10～1/2，因此其對復合材料的抗壓強度的增強作用很弱。在纖維含量較高時，甚至對材料的抗壓強度有消弱作用，初步估計這是由于纖維含量高時，在攪拌的過程中，纖維容易解團，造成復合基體中纖維分布不均，同時在基體中形成有害孔隙。

文獻[4]中在纖維混凝土實驗研究中顯示：合成纖維對抗壓強度幾乎沒有影響，對抗拉強度和彎拉強度可有輕微的提高，當纖維體積率為0.05%～0.5%時，提高幅度一般不超過15%。當體積率超過0.5%以后，纖維混凝土的強度一般呈下降趨勢。

2.2抗折強度的影響

短尼龍纖維雖然對復合體強度影響很小，但對復合體的抗折強度卻有顯著影響。

圖2　短尼龍纖維的摻量對材料抗折強度的影響

由圖2可以看出：隨著尼綸纖維含量的增大，纖維的抗折強度越來越高，當纖維含量超過5‰時，其抗折強度有下降的趨勢，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是由于當纖維含量過大時（超過5‰時），造成在攪拌過程中尼龍纖維容易結(jié)團，從而造成纖維在基體中的分布不均，進而消弱了材料的抗折強度。實驗還顯示，在纖維含量過高時，測出抗折強度數(shù)據(jù)有很大的離散性，這進一步說明分散不均極有可能是造成其抗折強度下降的原因之一。

短尼龍纖維含量、纖維長細比以及纖維外形是影響抗折強度的重要因素。如果尼綸纖維性能一定，影響抗折強度的因素就是基體特性及與其有關的界面結(jié)構(gòu)、性狀與界面粘結(jié)力，而且，纖維增強復合材料的效果與基體（這里指石膏-礦渣膠凝材料）的抗折強度也有關系，在文獻[3]中，研究顯示，基體的抗折強度越高，那么纖維對其的增強作用就越大。

依據(jù)纖維間距理論[5]，纖維的分布狀況對纖維增強復合材料的抗折強度的效果具有決定作用，增強纖維在基體中的分布間距必須小于起到纖維增強效果間距才能顯著起到增強復合材料的作用。這可以解釋為什么在纖維含量過低時，纖維對材料的增強作用并不明顯。

2.3軟化系數(shù)的影響

在試件的破壞實驗中[6],未改性EPS顆粒配制的試件,其破壞是從EPS顆粒與水泥漿體之間的界面斷開的，由于EPS顆粒與其復合基料之間的粘結(jié)作用，使得水分子很難透過EPS顆粒與復合基料的接觸面部分，從而阻礙了水對其的破壞，故復合材料的軟化系數(shù)有所提高。在合成纖維復合材料中，在膠凝基體中每㎝3就有數(shù)十根細纖維，一方面使基體的失水面積減小，水分遷移困難，從而使毛細管失水收縮形成的毛細管張力有所減??；另一方面合成纖維的彈性模量相對高于凝結(jié)初期的基體的彈性模量，增加了塑性和硬化初期復合體的抗拉強度，這樣就使合成纖維材料的微裂縫減少，孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，從而提高了抗?jié)B性能。此外，合成纖維能夠阻止宏觀裂縫的發(fā)生和擴展，這對于確保結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能也是很重要的；由于抗?jié)B性能的提高，使得水分子通過毛細作用，在復合材料毛細管中形成水壓數(shù)目減少，減少了由于毛細管作用對復合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，所以，在復合材料的軟化系數(shù)隨著纖維含量的增大而有所提高，但當纖維含量過高時（＞4‰）,其軟化系數(shù)有所降低,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于纖維的加入增加了復合材料中的界面，從而導致復合材料中孔隙率提高的緣故。短尼龍纖維的摻量對材料軟化系數(shù)的影響如圖3所示。

圖3　短尼龍纖維的摻量對材料軟化系數(shù)的影響

2.4導熱性能的影響

圖4表明，在纖維增強該EPS-石膏-礦渣保溫墻體材料過程中，隨著纖維含量的增大，會引起材料導熱系數(shù)的增大，這是由于纖維增強復合材料中，在順纖維方向?qū)嵯禂?shù)較高，所以纖維含量的增大會引起試樣導熱系數(shù)的增大，在材料的密度較低時，這種現(xiàn)象尤為突出。

圖4　短尼龍纖維的摻量對材料導熱系數(shù)的影響

2.5凍融性能的影響

研究顯示，尼龍纖維對該EPS-石膏-礦渣墻體材料的增強作用不僅體現(xiàn)在其能有效地增強其韌性和強度，而且能顯著提高該材料的抗凍融性，表1列出了沒有摻加尼龍纖維和摻加不同量尼龍纖維凍融實驗結(jié)果,凍融實驗參照GB/T 15229-2011標準[7]。

凍融破壞主要是水在該復合材料基體中反復凍結(jié)膨脹引起基體破壞[8]。低水灰比混凝土內(nèi)大孔和裂隙缺陷少，阻礙水的滲透，凍脹作用小。混凝土中不連續(xù)的微孔多防止凍融破壞的作用有三：其一是提高抗?jié)B防止水侵入；二是微孔中水的凍點顯著降低在通常的低溫下不凍脹；三是不含水的孔可以使凍脹有緩沖空間。合成纖維提高抗凍能力的機理也與上述不連續(xù)微孔的兩項作用機理類似：一方面合成纖維阻礙基體微裂縫產(chǎn)生，防止水侵入；另一方面尼龍纖維是憎水材料(尼龍纖維吸水率約為4%)，它們本身幾乎不吸水，彈性模量又比較低，故可對凍脹起緩沖作用。

表1　 EPS-石膏－礦渣墻體材料的凍融(25次)實驗結(jié)果

由于EPS-石膏-礦渣墻體材料中存在著不同尺度的氣孔和毛細孔，在嚴寒地區(qū)，當毛細孔中的水結(jié)冰時，只要充水度達到并超過91.7%，一旦水變成冰，則因體積膨脹而使EPS-石膏-礦渣墻體材料受到壓力，當壓力大于EPS-石膏-礦渣墻體材料強度時就會引起材料表面的剝落，強度降低，甚至結(jié)構(gòu)破壞，因此，影響材料抗凍性最主要的因素是其密實性和孔的結(jié)構(gòu)特征。在材料中摻入尼龍纖維，一方面抑制了裂縫的引發(fā)，另一方面又能限制因冰凍產(chǎn)生的膨脹，有效提高材料的抗凍性能。

經(jīng)過上述的實驗，考慮到其抗壓強度，抗折強度以及保溫系數(shù)，在這里選取EPS含量為9‰，石膏為65%，礦渣含量25%，水泥含量為10%，短尼龍纖維含量為3‰，水灰比為0.5，改性劑為3‰，防水劑摻量為3‰。該配合比制備出EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料的性能為：抗壓強度：4.78MPa；抗折強度：3.82MPa；軟化系數(shù)為：0.83以上，凍融實驗符合相關規(guī)定。可以作為非承重墻體保溫材料或加工成非承重保溫砌塊。

3　結(jié)論

⑴短尼龍纖維對于EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料具有顯著的增強作用，研究顯示，在纖維含量低于4‰時，隨著纖維含量，材料的抗壓強度、抗折強度及軟化系數(shù)都有不同程度增長，但材料的抗折強度增長更加顯著，在纖維含量繼續(xù)增大時，將引起材料抗壓強度的下降，但此時抗折強度繼續(xù)增長，當纖維含量超過一定范圍時，其抗折強度也會出現(xiàn)下降的趨勢；

⑵由于纖維導熱的順向性，材料的導熱系數(shù)會隨著纖維含量的增大而提高；同時，會引起材料軟化系數(shù)的降低；由于纖維的阻裂作用，纖維含量對于材料的抗凍融性有顯著影響；

⑶通過以改性的廢舊EPS顆粒為保溫骨料，以石膏-礦渣膠凝材料為膠結(jié)劑，短尼龍纖維為增強纖維，添加適量的外加劑，研究出了抗壓強度為4.78MPa,抗折強度為3.82MPa,軟化系數(shù)為0.83,導熱系數(shù)為0.118，密度為0.798g/cm3,具有良好的抗凍融性的墻體材料，該材料制成的砌塊可以用作框架結(jié)構(gòu)非承重節(jié)能外填充墻。●

[1]李巖,羅業(yè).天然纖維增強復合材料力學性能及其應用[J].固體力學學報，2010,31(6):613-629.

[2]倪良松,陳華鑫,胡長順,盧因志.纖維瀝青混合料增強作用機理分析[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2003，25(5)：1033-1037.

[3]孟巖,梅迎軍,李志勇,陸躍飛.纖維瀝青混合料試驗性能研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2007,25(6).

[4]祝文化,李元章.纖維混凝土動態(tài)壓縮力學性能的實驗研究[J].武漢理工大學學報，2007,29(2):62-64.

[5]胡小慶,王永.纖維間距理論缺陷分[J].安徽建筑, 2011,177(2)：73-74.

[6]李久明，王珍吾，艾永平，劉利軍.EPS-石膏-礦渣保溫墻體材料研究[J].硅酸鹽通報，2013,32(3):533-536.

[7]中國國家標準化管理委員會.GB/T 15229-2011，輕集料混凝土小型空心砌塊[S].北京:中國標準出版社，2011.

[8]羅吉祥,唐春,郭然.纖維增強復合材料界面脫層和基體裂紋的模擬分析[J].復合材料學報，2009,26(6):201-209.

*支持項目:2013年吉安市科技計劃指導性計劃項目,江西省教育廳科技項目（2010BGA01700）