適老建筑用高強耐火隔聲復(fù)合墻體的制備與性能研究

楊媛婷，盧鳳祥

（1.長春建筑學(xué)院，吉林 長春 130604；2.吉林大學(xué)，吉林 長春 130012）

隨著我國老年型年齡結(jié)構(gòu)的逐步形成，老年人的居住問題已成為社會普遍關(guān)注的焦點，如何根據(jù)老年人的特征和居住環(huán)境需求，如防火、隔聲性能好等，開發(fā)出適老建筑專用墻體材料是積極應(yīng)對人口老齡化和節(jié)能環(huán)保等的關(guān)鍵[1-2]。傳統(tǒng)墻體材料存在能耗大、污染嚴(yán)重、隔聲效果低和防火性能差等問題[3]，如何充分利用建筑廢棄物、天然纖維材料等來有效降低能耗，開發(fā)出資源節(jié)約型和環(huán)境友好型高強耐火隔聲墻體材料是當(dāng)前亟待解決的重要課題[4-5]。雖然國外在氣泡混凝土、多孔混凝土等墻體材料上的研究起步較早且已經(jīng)較為成熟，但是研究的重點多集中在力學(xué)強度和抗凍性等方面[6-9]，對于具有高強、防火和隔聲效果好的墻體材料的研究較少。本文擬以建筑廢棄物和木質(zhì)纖維素為原料制備輕質(zhì)高強防火隔聲復(fù)合墻體，并研究木質(zhì)纖維素?fù)搅繉w材料力學(xué)性能、耐火性能和隔聲效果的影響，結(jié)果有助于適老建筑專用墻體材料（輕質(zhì)高強防火隔聲）的開發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，比表面積325 m2/kg，3 d抗折、抗壓強度分別為4.2、18 MPa，初凝時間為50 min，長春利通混凝土工程有限公司；再生細(xì)骨料：將再生混凝土破碎通過1.2 mm篩得到；木質(zhì)纖維素：LT-M型，長度3 mm，含水率＜3%、松堆密度320 g/L，河北永恒保溫建材化工有限公司；氧化鎂和氧化鋁：白色粉末，密度分別為3.58、3.52 g/cm3，上海榮歐化工科技有限公司；雙氧水：濃度30%，長春化工有限公司；速凝劑：K820型，由碳酸鈉和鋁酸鈉組成，顆粒＜150μm，長春市大華建材化工有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：OFS-6040型，純度＞98.5%、分子質(zhì)量236 g/mol，奧誠化工有限公司。

1.2 制備過程

復(fù)合墻體的制備在2550mm×600mm×80mm的墻板模具中進行，混凝土的配合比見表1，其中，1#～9#混凝土中木質(zhì)纖維素?fù)搅糠謩e為0～8%。將水泥、再生細(xì)骨料和木質(zhì)纖維素置于JS880型混凝土攪拌機中機械攪拌12 min，靜置2 min，加入氧化鎂、氧化鋁和速凝劑進行約12 min的充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢杈鶆蚝蠹尤胨凸柰榕悸?lián)劑進行混合攪拌，約4 min后加入雙氧水并攪拌成混凝土漿料，然后置于模具中進行振蕩攪拌，室溫常壓靜置14 d后拆模，之后按照GCC056—2003《混凝土養(yǎng)護施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》將復(fù)合墻體置于養(yǎng)護室中自然養(yǎng)護14 d和28 d，進行復(fù)合墻體抗壓、抗折強度等測試[10]。

表1 混凝土的配合比 g

1.3 測試與表征

參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》將混凝土試塊自然養(yǎng)護14、28 d后，在DYE-2000B型數(shù)顯壓力試驗機上進行室溫抗壓強度測試（加載速率為0.4 kN/s），在DKZ-5000型水泥電動抗折試驗機上進行室溫抗折強度測試（加載速率為0.2 kN/s）；將制備好的混凝土試塊均勻放置于卡博萊特RHF16-35型高溫爐中進行高溫煅燒處理，升溫過程包括4個階段，以6℃/min升溫速率從室溫升溫至200℃并保溫3 min、以5℃/min升溫速率從200℃升溫至400℃并保溫3 min、以3℃/min升溫速率從400℃升溫至500℃并保溫3 min、以2℃/min升溫速率從500℃升溫至600℃并設(shè)置到溫后停止加熱，隨爐冷卻至室溫后取出測試其強度，計算強度損失率；根據(jù)GB/T 18696.1—2004《聲學(xué)-阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量-第1部分：駐波比法》，采用AWA6128A型駐波管吸聲系數(shù)測試儀對不同摻量的混凝土試塊進行吸聲系數(shù)測試，頻率100～1800 Hz；采用FEI Quanta 200 FEG型掃描電鏡對混凝土試塊的斷面形貌進行觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

木質(zhì)纖維素?fù)搅繉炷量箟?、抗折強度的影響見?。

表2 木質(zhì)纖維素?fù)搅繉炷量箟?、抗折強度的影?/p>

由表2可以看出：無論是14 d還是28 d混凝土試塊，隨著木質(zhì)纖維素?fù)搅繌?增加到8%，混凝土試塊的抗壓、抗折強度都呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%時，抗壓、抗折強度最高，這是因為適量木質(zhì)纖維素可以橋接混凝土試塊的內(nèi)部缺陷并降低試塊的內(nèi)應(yīng)力，從而起到抑制裂紋萌生和擴展的作用[11]，但是混凝土試塊中的木質(zhì)纖維素含量＞6%時，混凝土試塊的內(nèi)部粘結(jié)力會減小[12]，抗壓、抗折強度降低；此外，在相同木質(zhì)纖維素?fù)搅肯拢?8 d齡期的抗壓、抗折強度都要高于14 d齡期。綜合而言，在混凝土試塊中摻加木質(zhì)纖維素有助于提升混凝土試塊的力學(xué)性能，木質(zhì)纖維素?fù)搅恳?%為宜。

高溫煅燒后不同木質(zhì)纖維素?fù)搅炕炷猎噳K的強度及強度損失率如表3所示。

表3 高溫煅燒后不同木質(zhì)纖維素?fù)搅炕炷猎噳K的強度及強度損失率

由表3可以看出：經(jīng)過高溫煅燒后的摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊強度隨著木質(zhì)纖維素?fù)搅康淖兓厔菖c煅燒前基本一致，即隨著木質(zhì)纖維素?fù)搅繌?增加至8%，混凝土試塊的28 d抗壓、抗折強度都呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%時，抗壓、抗折強度最高。經(jīng)過高溫煅燒處理后，不同木質(zhì)纖維素?fù)搅康幕炷猎噳K28 d抗壓、抗折強度都有不同程度降低，且從28 d抗壓、抗折強度損失率來看，未摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊經(jīng)過高溫煅燒后的強度損失率都要高于摻加木質(zhì)纖維素的混凝土，這也就說明木質(zhì)纖維素的摻加有助于提升混凝土試塊的耐高溫性能。此外，28 d抗折強度損失率要明顯高于28 d抗壓強度損失率，28 d抗折強度損失率為45.82%～60.34%，28 d抗壓強度損失率為13.56%～37.89%，這也就說明木質(zhì)纖維素的摻加更有利于抑制混凝土試塊的高溫抗壓強度降低。

不同木質(zhì)纖維素?fù)搅炕炷猎噳K的吸聲頻率-吸聲系數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 不同木質(zhì)纖維素?fù)搅炕炷猎噳K的吸聲頻率-吸聲系數(shù)曲線

由圖1可見，當(dāng)頻率在100～1800 Hz時，不同木質(zhì)纖維素?fù)搅炕炷猎噳K的吸聲系數(shù)都存在明顯差異；摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊吸聲系數(shù)整體都要相對未摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊要高，且隨著木質(zhì)纖維素從0增到8%時，混凝土試塊的吸聲系數(shù)整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%時，吸聲系數(shù)最大，此時的混凝土試塊的吸聲效果最好；無論是低頻區(qū)還是高頻區(qū)，摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊的吸聲系數(shù)都要高于未摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊，說明木質(zhì)纖維素的摻加有助于提升混凝土墻板的吸聲效果，但是并不是木質(zhì)纖維素越多則吸聲效果越好，過多的木質(zhì)纖維素反而會使得混凝土試塊的吸聲效果減弱，這是因為木質(zhì)纖維素加入混凝土后會橋接混凝土試塊的內(nèi)部缺陷并降低試塊的內(nèi)應(yīng)力，混凝土內(nèi)部的孔隙/裂縫等缺陷會因此而貫通[13]，當(dāng)有外界聲波入射時，混凝土試塊中的木質(zhì)纖維素會產(chǎn)生一定的彈性變形并消耗部分聲能，從而起到增強吸聲效果的功效，但是混凝土試塊中的木質(zhì)纖維素發(fā)生團聚（摻量過多時）等現(xiàn)象[14]，混凝土內(nèi)部通道會有所堵塞而不利于聲能消耗，吸聲效果反而會有所減弱[15]。綜合而言，木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%時的吸聲效果最佳。

不同木質(zhì)纖維素?fù)搅炕炷猎噳K的斷面形貌見圖2。

圖2 不同木質(zhì)纖維素?fù)搅炕炷猎噳K的斷面形貌

由圖2可見，當(dāng)木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%時，水化產(chǎn)物中存在少量孔隙、斜方晶系的托勃莫來石、硅酸鹽水泥水化過程中產(chǎn)生的C-S-H凝膠和少量高硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）相，水化產(chǎn)物結(jié)晶度較好但同時呈現(xiàn)出一定程度疏松特征；當(dāng)木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%時，水化產(chǎn)物中同樣可見少量孔隙、托勃莫來石、C-S-H凝膠和AFt相，相對而言，木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%的混凝土試塊中水化產(chǎn)物的致密性相對更高，此時的木質(zhì)纖維素已將整個水化產(chǎn)物緊密結(jié)合在一起，使其具有較高的抗壓、抗折強度，而木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%的混凝土試塊所具有的良好的水化產(chǎn)物結(jié)晶度和較為疏松的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，使其在具有較高強度的同時兼具良好的吸聲效果[16]，這與前述的混凝土試塊的吸聲測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié) 論

（1）隨著木質(zhì)纖維素?fù)搅繌?增加到8%，混凝土試塊的14 d、28 d抗壓、抗折強度都呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，當(dāng)木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?%時抗壓、抗折強度最高。

（2）經(jīng)過高溫煅燒處理后，不同木質(zhì)纖維素?fù)搅康幕炷猎噳K的28 d抗壓、抗折強度都有不同程度降低，未摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊經(jīng)過高溫煅燒后的強度損失率都要高于摻加木質(zhì)纖維素的混凝土；木質(zhì)纖維素?fù)搅繛?～8%時，混凝土試塊的28 d抗折強度損失率為45.82%～60.34%，28 d抗壓強度損失率為13.56%～37.89%。

（3）摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊的吸聲系數(shù)整體都要高于未摻加木質(zhì)纖維素的混凝土試塊，且隨著木質(zhì)纖維素從0增加到8%時，混凝土試塊的吸聲系數(shù)整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在木質(zhì)纖維素為4%時吸聲系數(shù)最大。