纖維增強泡沫混凝土的性能試驗研究

馬曉寧，王 娟

( 榆林職業(yè)技術(shù)學院，陜西榆林 719000)

泡沫混凝土由于具有輕質(zhì)、保溫和隔熱耐火等特性而在現(xiàn)代化建筑中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。然而，目前市場上常見的泡沫混凝土還存在韌性較差、強度較低以及在極端環(huán)境下的抗凍性能較差等問題［3-5］。本文擬選取熔點較低的聚乙烯醇纖維為原料，考察其添加量對于聚乙烯醇纖維增強泡沫混凝土的力學性能、干縮性能和抗凍性能的影響，結(jié)果有助于新型泡沫混凝土的開發(fā)，并有助于推廣其在現(xiàn)代化建筑工程中應(yīng)用。

1 材料與試件制備

以P.O 42.5 水泥( 比表面積400.8m2/kg，密度2.99 g/cm3，初凝時間和終凝時間分別為98min 和158min，28d 抗壓強度為53.8MPa）、硅灰（粒徑0.8 微米的占比82%，二氧化硅含量95.6%)、DN-10 發(fā)泡劑(pH=8，1h沉降距和泌水率分別為43mm 和60%）和聚乙烯醇纖維（直徑15mm，抗拉強度960MPa，斷后伸長率6%，密度1.29g/cm3）為原料制備纖維增強泡沫混凝土。

根據(jù)JGJ/T 341-2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，按照表1 的聚乙烯醇纖維增強泡沫混凝土的配合比制備試件，最后加入泡沫攪拌均勻后倒入模具中，刮平處理后用保鮮膜覆蓋進行24h 硬化處理，然后轉(zhuǎn)入養(yǎng)護室中進行標準養(yǎng)護處理。

表1 聚乙烯醇纖維增強泡沫混凝土的配合比Table 1 Mixture ratio of PVA fiber reinforced foam concrete

根據(jù)JG/T 266-2011《泡沫混凝土》測試泡沫混凝土的干密度、吸水率和室溫抗壓強度；根據(jù)GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》測試泡沫混凝土的抗折強度；根據(jù)GB/T 11973-1997《加氣混凝土抗凍性試驗方法》進行抗凍性能測試；根據(jù)GB/T 11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進行干縮收縮測試；根據(jù)GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護熱板法》進行導熱系數(shù)測定；采用Zeiss-Sigma 500 型場發(fā)射掃描電鏡對顯微形貌進行觀察。

2 結(jié)果及討論

表2 為不同聚乙烯醇纖維含量的泡沫混凝土的抗壓強度、抗折強度、干密度、吸水率和導熱系數(shù)的測量結(jié)果。對于A 組、B 組、C 組試件，隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，泡沫混凝土試件的28d 抗壓強度和28d 抗折強度呈現(xiàn)先增加后減小特征，干密度、吸水率和導熱系數(shù)逐漸減小，A3、B3、C3 試件分別具有最大的28d 抗壓強度和28d 抗折強度。可見，三組試件的28d 抗壓強度和28d 抗折強度，以及干密度、吸水率和導熱系數(shù)隨著聚乙烯醇纖維含量增加的變化趨勢相同。在聚乙烯醇纖維增強泡沫混凝土制備過程中，其干密度主要與孔隙率有關(guān)［6］，A3 試件具有較小的干密度和較小的孔隙率，而繼續(xù)添加聚乙烯醇纖維含量會在一定程度上限制泡沫在混凝土中的膨脹與上浮，從而減少了泡沫在混凝土中的分布［7］，因此孔隙數(shù)量并不會繼續(xù)發(fā)生大的變化，且此時的抗壓強度和抗折強度會有一定程度的降低。此外，從28d 抗壓強度和28d 抗折強度測試結(jié)果來看，C3 試件＞B3 試件＞A3 試件，且C3 試件具有更小的吸水率和更大的導熱系數(shù)。

表2 聚乙烯醇纖維增強混凝土的力學性能和保溫性能Table 2 Mechanical properties and thermal insulation properties of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete

表3 為不同聚乙烯醇纖維含量泡沫混凝土的干燥收縮值測量結(jié)果。無論是A 組、B 組還是C 組試件，聚乙烯醇纖維增強混凝土的干燥收縮值都會隨著齡期延長而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，28d 試件的干燥收縮值要明顯高于其它試件；在相同齡期下，隨著聚乙烯醇纖維含量的增加，聚乙烯醇纖維增強混凝土的干燥收縮值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，A3、B3 和C3 試件都具有該組最小的干縮收縮值。此外，對比分析可見，在相同齡期下(1～28 d)，聚乙烯醇纖維增強混凝土的干燥收縮值從大至小順序為A3 試件＞B3 試件＞C3 試件，即C3 試件具有最小的干燥收縮值。

表3 聚乙烯醇纖維增強混凝土的干燥收縮值（單位：10-6m)Table 3 Drying shrinkage value of PVA fiber reinforced concrete

圖1 為凍融循環(huán)15 次后A 組試件的表面形貌。對比分析可知，雖然在循環(huán)15 次凍融試驗后，聚乙烯醇纖維增強混凝土試件表面都存在不同程度的損傷，但是添加聚乙烯醇纖維的混凝土試件的表面剝落［8］現(xiàn)象明顯要低于未添加聚乙烯醇纖維的A0 試件，且A3 試件的表面質(zhì)量相對較好。

圖1 凍融循環(huán) 15 次后A 組試件的表面形貌Fig.1 Surface morphology of group A samples after 15 freeze-thaw cycles

表4 為不同聚乙烯醇纖維含量的泡沫混凝土的質(zhì)量損失率和強度損失率測試結(jié)果，分別列出了循環(huán)凍融5次、10 次和15 次后試件的質(zhì)量損失率和強度損失率［9］。根據(jù)JC/T 2357-2016《泡沫混凝土制品性能試驗方法》中的規(guī)定，循環(huán)凍融試驗過程中，混凝土試件的質(zhì)量損失和強度損失越大，抗凍性能越差［10］。從表4 的測試結(jié)果可知，無論是A 組、B 組還是C 組試件，聚乙烯醇纖維增強混凝土的質(zhì)量損失率和強度損失率都會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且添加聚乙烯醇纖維的混凝土的質(zhì)量損失率和強度損失率都要小于未添加聚乙烯醇纖維的混凝土，這也說明聚乙烯醇纖維的添加有助于提升泡沫混凝土的抗凍性能。此外，對比A 組、B 組和C 組試件的質(zhì)量損失率和強度損失率可知，相同聚乙烯醇纖維含量的C 組試件的質(zhì)量損失率和強度損失率最小，具有相對更好的抗凍性能，但是聚乙烯醇纖維添加量并不是越多越好，在聚乙烯醇纖維含量超過1.2%時，試件的強度損失率反而會有所增大，這可能與此時聚乙烯醇纖維含量過高，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)［11］。另外，值得說明的是，由于泡沫混凝土試件在循環(huán)凍融試驗前期會出現(xiàn)外部水溶液滲透進混凝土試件中的現(xiàn)象，因此凍融循環(huán)5 次時出現(xiàn)了質(zhì)量損失為負數(shù)的現(xiàn)象。

表4 聚乙烯醇纖維增強混凝土的質(zhì)量損失率和強度損失率測試結(jié)果Table 4 Test results of mass loss rate and strength loss rate of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete

圖2 為聚乙烯醇纖維增強混凝土A3 試件循環(huán)凍融試驗后的界面粘結(jié)形貌。可見，在進行凍融循環(huán)試驗前，聚乙烯醇纖維能夠增加泡沫混凝土的均勻性并減少應(yīng)力集中現(xiàn)象；在進行5 次循環(huán)凍融試驗后，聚乙烯醇纖維的存在可以一定程度上抑制裂紋的萌生和擴展，并且此時泡沫混凝土試件的吸水率會減少并降低水凍產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力［12］；繼續(xù)增加凍融循環(huán)次數(shù)，聚乙烯醇纖維與基體之間的粘結(jié)界面會逐漸產(chǎn)生裂紋，但是聚乙烯醇纖維的存在可以很大程度上抑制裂紋擴展，從而取得相對未添加聚乙烯醇纖維的泡沫混凝土更好的抗凍性能。

圖2 聚乙烯醇纖維增強混凝土循環(huán)凍融試驗后的界面粘結(jié)形貌Fig.2 Interface bonding morphology of PVA fiber reinforced concrete after cyclic freeze-thaw test

3 結(jié)論

（1）三組試件的28d 抗壓強度和28d 抗折強度、以及干密度、吸水率和導熱系數(shù)隨著聚乙烯醇纖維含量增加的變化趨勢相同。從28d 抗壓強度和28d 抗折強度測試結(jié)果來看，C3 試件＞B3 試件＞A3 試件，且C3 試件具有更小的吸水率和更大的導熱系數(shù)。

（2）在相同齡期下(1～28 d)，聚乙烯醇纖維增強混凝土的干燥收縮值從大至小順序為A3 試件＞B3 試件＞C3 試件，即C3 試件具有最小的干燥收縮值。

（3）無論是A 組、B 組還是C 組試件，聚乙烯醇纖維增強混凝土的質(zhì)量損失率和強度損失率都會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且添加聚乙烯醇纖維的混凝土的質(zhì)量損失率和強度損失率都要小于未添加聚乙烯醇纖維的混凝土；相同聚乙烯醇纖維含量的C 組試件的質(zhì)量損失率和強度損失率最小，具有相對更好的抗凍性能，但是聚乙烯醇纖維含量超過1.2%時，試件的強度損失率反而會有所增大。