高性能纖維增強水泥基復合墻板熱力學和耐火性能研究

程寶軍，康升榮，麻鵬飛，楊文，史博元

（中建西部建設建材科學研究院有限公司，四川成都 610064）

0 前言

高性能纖維增強水泥基復合材料是以水泥漿或砂漿為基體，以纖維為增強材料的復合材料[1]，具有高延性、高耐久、裂縫寬度小且裂縫能夠自愈合等特點[2]。近年來，高性能纖維增強水泥基復合材料因其具有防止或減少裂縫、改善長期工作性能、提高變形能力和耐久性[3]等優(yōu)點得到了廣泛的應用，并且都取得了良好的效果。

在我國，建筑物耗能總量占全社會總能耗的1/3，通過圍護結(jié)構(gòu)損失的能量占建筑能耗的2/3[4]。因此，對建筑圍護結(jié)構(gòu)進行科學革新是解決建筑節(jié)能問題的關鍵，尤其是墻體保溫發(fā)揮作用巨大。國內(nèi)外許多研究人員，相繼研制一些新型的墻板，如木復合墻板、石膏復合墻板、輕質(zhì)鋼骨隔墻等[5-7]。上述墻體材料在使用過程中存在力學性能差、保溫及隔聲效果不佳、耐火及耐久性差等問題。泡沫混凝土作為一種輕質(zhì)多孔的無機材料，保溫、防火以及隔聲是其最基本的優(yōu)點[8]。為此，本文基于高性能纖維增強水泥基復合材料和泡沫混凝土設計研究了一種新型復合墻板。該復合墻板通過抽芯工藝預制空心率≥75%的空心墻板，再在空心墻板內(nèi)澆筑泡沫混凝土制得。研究了基于高性能纖維增強水泥基復合材料復合墻板的熱力學和耐火性能。在火災環(huán)境下，水泥水化產(chǎn)物失水、組成/結(jié)構(gòu)演化將使得其力學性能及保溫性能的劣化，因此研究其耐火極限測試后復合墻板微觀結(jié)構(gòu)及物相組成具有重要意義。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，密度為3160 kg/m3，峨勝水泥集團股份有限公司；硅灰：半加密硅灰；粉煤灰：Ⅰ級，四川宜賓發(fā)電廠；粉煤灰微珠：一級，安徽友勝建材科技集團有限公司；集料：200目石英粉；減水劑：自制聚羧酸類高性能減水劑，減水率為35%，固含量為50%；消泡劑：SN-DEFOAMER 1370型圣消洛消泡劑，圣諾普科有限公司；纖維素醚：羥丙基甲基纖維素（HPMC）。泡沫混凝土泡沫劑：HTQ-1型復合發(fā)泡劑，河南華泰新材科技股份有限公司；有機硅憎水劑：德國瓦克化學股份有限公司；纖維：PVA短纖維Ⅱ-PVA，四川維尼綸廠生產(chǎn)，其技術性能見表1。

表1 PVA纖維的性能

1.2 復合墻板的制備

基于高性能纖維增強水泥基復合材料復合墻板由高韌性纖維增強水泥基復合材料空心墻板（基材抗壓強度≥80 MPa，抗折強度≥20 MPa）和不同密度等級泡沫混凝土芯體[導熱系數(shù)為0.048～0.20 W/（m·K）]組成。其各部分組成見表2。高性能纖維增強水泥基復合材料空心墻板的構(gòu)造尺寸及復合墻板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2 復合墻板各部分組成

圖1 高性能纖維增強水泥基復合材料空心墻板構(gòu)造尺寸及復合墻板結(jié)構(gòu)示意

1.3 測試與表征方法

1.3.1 復合墻板耐火性測試

耐火極限和燃燒性能等級測試參照GBT 9978—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》進行。燃燒性能等級測試試件外觀尺寸為100 mm×300 mm×300 mm，每組試驗用3塊板；耐火極限試驗試件面積為3000 mm×3000 mm，由5塊600 mm×2400 mm×100 mm和5塊600 mm×600 mm×100 mm的墻板拼裝組成。

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

使用德國布魯克AXS有限公司生產(chǎn)的Bruker D8 AD VANCE A25X型X-射線衍射儀（XRD）、FEI Inspect F50型場發(fā)射掃描電鏡（SEM）和Super Octane型能譜儀（EDS）對耐火極限試驗前后纖維增強水泥基復合材料和泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和化學成分進行測試分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 復合墻板的熱力學性能

2.1.1 熱工性能

針對高性能纖維增強水泥基材料復合墻板的隔熱保溫性能，測試了空腔板和填充不同密度等級泡沫混凝土的復合墻板的傳熱系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 墻板傳熱系數(shù)測試結(jié)果

由表3可知，未填充泡沫混凝土的HW墻板傳熱系數(shù)高達3.13 W/（m2·K），而在填充泡沫混凝土后墻板的傳熱系數(shù)明顯降低。并且，隨著泡沫混凝土干密度的降低，復合墻板的傳熱系數(shù)明顯降低。泡沫混凝土內(nèi)部氣孔含量隨著干密度的降低顯著增加，而水泥基材料的絕熱性能遠遠低于空氣，泡沫混凝土的絕熱性能隨其干密度的降低而顯著提高。泡沫混凝土絕熱性能的提升使得復合墻板整體的傳熱系數(shù)顯著降低。其中，以復合墻板CW-3的傳熱系數(shù)最低，為0.77 W/（m2·K）。根據(jù)GB 50189—2019《公共建筑節(jié)能設計標準》，100 mm厚的CW-3墻板能滿足夏熱冬冷地區(qū)公共建筑外墻傳熱系數(shù)要求。

對空心墻板及填充不同密度等級泡沫混凝土的復合墻板進行熱工理論計算研究。在墻板熱工理論計算中，主要用傳熱阻R0、傳熱系數(shù)K來評價墻板的保溫隔熱性能。墻板傳熱計算結(jié)果見表4。

表4 墻板的傳熱計算結(jié)果

從表4可知，空心墻板HW的傳熱阻較低，為0.162（m2·K）/W，而復合墻板的傳熱阻隨著填充的泡沫混凝土密度等級的降低而增大。從傳熱系數(shù)計算結(jié)果來看，空心墻板HW傳熱系數(shù)較高，為3.20 W/（m2·K），復合墻板中CW-3傳熱系數(shù)最低，為0.82 W/（m2·K）。此外，墻板傳熱系數(shù)計算結(jié)果與測試結(jié)果相差不大。

2.1.2 耐火性能

燃燒性能指材料燃燒或遇火時所發(fā)生的物理和化學變化，這項性能由材料表面的著火性和火焰?zhèn)鞑バ浴l(fā)熱、發(fā)煙、炭化、失重以及毒性生成物的產(chǎn)生等特性來衡量。對HW和CW-3墻板的燃燒性能進行測試，結(jié)果如表5所示。

表5 HW和CW-3墻板燃燒性能測試結(jié)果

從表5可知，HW和CW-3的燃燒性能均為A1級，表明二者均為不燃制品，在高溫下幾乎不發(fā)生燃燒反應。相較于HW，CW-3爐內(nèi)溫升△T降低40%，質(zhì)量損失率△m降低50%，總熱值PCS降低67%。

耐火極限指在標準耐火試驗條件下[10-11]，建筑構(gòu)件、配件或結(jié)構(gòu)從受火作用時起，至失去承載能力、完整性或隔熱性時止所用的時間。檢測判據(jù)為構(gòu)件失去完整性或絕熱性。試件表面出現(xiàn)穿透性裂縫或穿火的孔隙即為失去完整性，試件背火面測溫點平均溫度升到140 ℃或任一測點溫升到220 ℃即為失去絕熱性。CW-3耐火極限試驗過程如圖2所示。

圖2 CW-3耐火極限試驗過程

從圖2可以看出，耐火極限試驗時試件背火面隨時間變化，加熱3 min左右時，試件開始出現(xiàn)持續(xù)30 min左右的異響，這是由于溫度上升引起材料膨脹，擠壓粘接縫所致。加熱45 min左右時背火面接縫位置出現(xiàn)由粘結(jié)砂漿水分蒸發(fā)而引起的水印，且水印位置由中心接縫持續(xù)向周圍擴展。加熱至90 min左右時，背火面水印逐漸消失。加熱至180 min時，背火面未出現(xiàn)持續(xù)時間超過10 s的火焰，棉墊未被點燃，且探棒不可以穿過縫隙，試件未失去完整性，試件的耐火極限＞180 min。持續(xù)加熱至187 min時，伴隨著炸裂聲，試件背火面中間位置出現(xiàn)了板面的局部脫落，脫落位置有明顯的火光透出，表明耐火試件已失去完整性。整個試驗過程背火面最高溫升123 ℃，平均溫升100 ℃，表明CW-3墻板隔熱性能優(yōu)異。耐火極限試驗后使墻板自然冷卻至室溫。耐火前后試件受火面外觀變化如圖3所示。

圖3 CW-3墻板耐火極限試驗前后受火面外觀變化

從圖3可以看出，在長達3 h的持續(xù)高溫下，CW-3受火面高性能纖維增強水泥基材料雖然在不同位置出現(xiàn)了程度不一的破損、脫落，以及保溫材料的外露，其中損壞最嚴重的部位已經(jīng)將板面整體燒穿，但CW-3整體保存還較完整，能夠支撐自身質(zhì)量豎立。

上述燃燒性能及耐火極限試驗表明，HW和CW-3的燃燒性能均為A1級，屬于不燃制品；CW-3墻板在1000 ℃高溫下耐火極限達3 h。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)及物相組成分析

耐火極限測試前后高性能纖維增強水泥基復合材料的XRD、SEM分析分別如圖4、圖5所示。

圖4 耐火極限測試前后高性能纖維增強水泥基復合材料的XRD圖譜

從圖4可以看出：耐火極限測試前，纖維增強水泥基復合材料的主要物相組成是CaCO3和鈣礬石，其中CaCO3來源于原料中石灰石粉，鈣礬石則是由水泥水化產(chǎn)物C-A-H（水化鋁酸鈣）和硫酸根離子結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶水化產(chǎn)物；耐火極限測試后，纖維增強水泥基復合材料的主要物相組成有CaCO3、鈣礬石、CaO和鈣鋁黃長石，其中CaCO3和鈣礬石是其在高溫下未發(fā)生分解反應的殘留物相，鈣鋁黃長石和CaO由CaCO3和鈣礬石在高溫下化學反應生成。

圖5 耐火極限測試前后高性能纖維增強水泥基復合材料的SEM照片

從圖5可以看出：耐火極限測試前，纖維增強水泥基復合材料中具有棱角的塊狀顆粒為石灰石粉，其來于原料中的石灰石粉；針棒狀物相為鈣礬石，由水泥水化產(chǎn)物C-A-H（水化鋁酸鈣）和硫酸根粒子結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶物水化硫鋁酸鈣；凝膠狀態(tài)的物相為水化硅酸鈣（C-S-H），是由硅酸三鈣和硅酸二鈣在常溫下水化產(chǎn)生并伴有氫氧化鈣生成。經(jīng)高溫作用后，纖維增強水泥基復合材料各物相組成發(fā)生化學反應生成新物相，呈顆粒狀晶體。1000 ℃高溫下，纖維增強水泥基復合材料各物相發(fā)生的主要化學反應有碳酸鈣分解產(chǎn)生二氧化碳和氧化鈣，水化硅酸鈣分解產(chǎn)生硅酸三鈣、硅酸二鈣、二氧化硅和水，鈣礬石分解產(chǎn)生鋁酸三鈣、氧化鈣和水，鋁酸三鈣和二氧化硅反應生成鈣鋁黃長石和硅酸三鈣，化學反應式如下：

耐火極限測試前后泡沫混凝土的XRD物相分析、SEM分析如圖6、圖7所示。

圖6 泡沫混凝土的XRD圖譜

從圖6可以看出：耐火極限測試前，泡沫混凝土的主要物相組成是CaCO3和C-H-S凝膠，CaCO3有方解石型和球霰石型2種構(gòu)型，其中方解石和C-H-S凝膠來源于原料中水泥及粉煤灰的水化反應，球霰石是由動物蛋白發(fā)泡劑中的氨基酸作為導向劑沉淀產(chǎn)生；耐火極限測試后，泡沫混凝土的主要物相組成是CaCO3（方解石）和Ca2SiO4，Ca2SiO4由C-H-S脫水產(chǎn)生，方解石包括耐火前本身含有的方解石和球霰石在高溫下分子結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)化而生成的方解石。

圖7 耐火極限測試前后泡沫混凝土的SEM照片

從圖7（a）可以看出，耐火極限測試前，泡沫混凝土水化產(chǎn)物有方解石、球霰石和C-S-H凝膠，并且各種水化產(chǎn)物之間連接較為疏松。從圖7（b）可以看出，耐火極限測試后，泡沫混凝土各水化產(chǎn)物間發(fā)生了明顯的化學反應，出現(xiàn)了明顯收縮，物相間連接更為緊密；并且物相的形貌尖銳程度相較于測試前明顯增加，說明高溫作用下發(fā)生了結(jié)晶化，從而物相的結(jié)晶程度增加。

3 結(jié)論

基于高性能纖維增強水泥基復合材料為殼體和泡沫混凝土為芯體設計制備了一種高性能自保溫復合墻板，研究了其熱工性能、耐火性能及高溫下的物相組成與微觀形貌變化，主要結(jié)論如下：

（1）復合墻板的傳熱阻隨著填充的泡沫混凝土密度等級的降低而增大，傳熱系數(shù)最低為0.77 W/（m2·K），并且傳熱系數(shù)的計算值與測試值相差不大；復合墻板的燃燒性能為A1級，屬于不燃材料，耐火極限達3 h。

（2）高性能纖維增強水泥基復合材料經(jīng)高溫作用后，高性能纖維增強水泥基復合材料各物相組成發(fā)生化學反應生成新物相，呈顆粒狀晶體，水化產(chǎn)物中的碳酸鈣、水化硅酸鈣、鈣礬石、鋁酸三鈣生成氧化鈣和鈣鋁黃長石。

（3）在高溫環(huán)境作用下，泡沫混凝土出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象，水化產(chǎn)物結(jié)晶程度增加，并且物相的形貌尖銳程度相較測試前明顯增加，說明高溫作用下發(fā)生了結(jié)晶化，物相的結(jié)晶程度增加。