耐堿玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土性能的影響

段小芳，夏正兵

（南通開放大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226006）

玻璃纖維取材容易、抗拉強(qiáng)度高、隔熱性能好、防火性能優(yōu)[1]，作為增強(qiáng)材料廣泛用于紡織、建筑等行業(yè)。泡沫混凝土內(nèi)部充滿大量封閉孔隙，保溫性能好、質(zhì)量輕，常用作外墻保溫材料，但其強(qiáng)度低、吸水率高，因此有學(xué)者[2]提出可通過(guò)摻入玻璃纖維以提高強(qiáng)度，降低吸水性。纖維在泡沫混凝土中的作用主要包括阻止裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展，提高抗?jié)B性，改善耐久性和力學(xué)性能等。龔建清[3]研究發(fā)現(xiàn)，摻入玻璃纖維可以降低泡沫混凝土早齡期收縮變形?；炷羶?nèi)部環(huán)境呈堿性，摻入普通纖維后易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此建議選用耐堿纖維。林興勝研究表明[4]：摻入耐堿玻璃纖維后，泡沫混凝土的密度減小，孔隙率增大，但是孔隙直徑變小，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有所降低，導(dǎo)熱系數(shù)降低。孫延磊[5]研究認(rèn)為，玻璃纖維可以提高泡沫混凝土抗折強(qiáng)度，提升導(dǎo)熱系數(shù)，降低保溫性能?？梢姡瑢W(xué)者們對(duì)于玻璃纖維泡沫混凝土性能研究結(jié)論并不一致。本文擬在泡沫混凝土中摻入不同體積率的耐堿玻璃纖維，研究泡沫混凝土的吸水性、吸濕性、早期收縮應(yīng)變、導(dǎo)熱系數(shù)、力學(xué)性能等指標(biāo)的發(fā)展變化規(guī)律，探究耐堿玻璃纖維最優(yōu)摻量，以期為相關(guān)工程提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)原材料選用P.O 42.5硅酸鹽水泥，一級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料為粒徑小于5 mm的天然砂，發(fā)泡劑為蛋白質(zhì)類，自來(lái)水、泡沫混凝土配合比如表1，未摻纖維時(shí)泡沫混凝土密度為705 kg/m3。耐堿玻璃纖維主要參數(shù)見表2，其中，摻入泡沫混凝土中的耐堿玻璃纖維體積率為0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%。

表1 泡沫混凝土配合比 kg/m3

表2 耐堿玻璃纖維主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

參考GB/T11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能測(cè)試方法》進(jìn)行耐堿玻璃纖維泡沫混凝土的吸水率、吸濕率、力學(xué)性能測(cè)試；依據(jù)GB/T10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)；參考JGJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試收縮性能。試件制作完成置于溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度90%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28天進(jìn)行試驗(yàn)，從3天齡期開始收縮試驗(yàn)。測(cè)試不同性能指標(biāo)時(shí)的試件尺寸見表3。

表3 試件尺寸 mm

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 質(zhì)量吸水率

泡沫混凝土吸水后保溫效果變差，冬季天氣寒冷容易凍融破壞，對(duì)節(jié)能和耐久性都有不利影響。不同摻量玻璃纖維泡沫混凝土吸水率發(fā)展變化曲線如圖1所示。由圖1可見，隨著耐堿玻璃纖維摻量增加，吸水率先下降后略提高。玻璃纖維摻量為0時(shí)吸水率為28%，摻入0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的纖維后，吸水率分別降低7.69%、16.18%、20.69%、19.66%。主要由于摻入耐堿玻璃纖維后，泡沫混凝土中的連通孔減少，導(dǎo)致吸水率降低。

圖1 不同摻量耐堿玻璃纖維泡沫混凝土吸水率發(fā)展變化曲線

2.2 吸濕率

耐堿玻璃纖維的不同摻量對(duì)泡沫混凝土吸濕率的影響曲線如圖2所示。由圖2可見，隨著玻璃纖維摻量的增加，吸濕率下降，兩者近似呈線性關(guān)系。耐堿玻璃纖維摻量為0時(shí)，吸水率為4.6%，摻入0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的纖維后，吸水率分別降低了2.22%、4.55%、5.75%、9.52%。其原因在于，耐堿玻璃纖維的均勻分布使泡沫混凝土內(nèi)部連通孔變少，吸濕率降低。

圖2 不同摻量耐堿玻璃纖維泡沫混凝土吸濕率發(fā)展變化曲線

2.3 收縮應(yīng)變

不同摻量耐堿玻璃纖維泡沫混凝土收縮應(yīng)變隨齡期發(fā)展變化曲線如圖3所示。由圖3可見，收縮應(yīng)變隨玻璃纖維摻量的增加而下降。齡期14 d時(shí)，耐堿玻璃纖維摻量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的泡沫混凝土對(duì)應(yīng)的收縮應(yīng)變分別為1 244、1 202、1 152、1 089 uε，與不摻纖維的基準(zhǔn)組相比分別減小了4.34%、7.99%、12.67%、19.19%；齡期28 d時(shí)，四組玻璃纖維泡沫混凝土收縮應(yīng)變分別為1 565、1 504、1 446、1 388 uε，與不摻纖維的基準(zhǔn)組相比分別減小3.64%、7.85%、12.17%、16.86%。由圖3還可知，收縮應(yīng)變隨齡期的增長(zhǎng)而增大，0～14 d增幅較大，14～28 d增幅減小并趨于平穩(wěn)。究其原因，主要是耐堿玻璃纖維在泡沫混凝土中亂象分布，形成三維支撐，泡沫混凝土收縮時(shí)受到纖維的阻礙，收縮量降低；此外，玻璃纖維彈性模量大，能承擔(dān)泡沫混凝土收縮時(shí)的部分?jǐn)D壓應(yīng)力，抑制了混凝土收縮。

圖3 不同摻量耐堿玻璃纖維泡沫混凝土收縮應(yīng)變隨齡期發(fā)展變化曲線

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

不同摻量耐堿玻璃纖維泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)展變化曲線如圖4所示。由圖4可見，隨著耐堿玻璃纖維摻量增加，導(dǎo)熱系數(shù)下降，故耐堿玻璃纖維可以提高泡沫混凝土的保溫隔熱性。其原因是，摻入耐堿玻璃纖維后，孔道的形貌得到改善[6]，孔隙結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，導(dǎo)熱系數(shù)降低。干燥狀態(tài)下，耐堿玻璃纖維摻量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的泡沫混凝土對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.146、0.142、0.136、0.134 W/（m·K），和不摻纖維的基準(zhǔn)組相比分別減小了1.37%、4.23%、8.82%、10.45%。試件在相對(duì)濕度90%的環(huán)境中，泡沫混凝土處于吸濕狀態(tài)，四組耐堿玻璃纖維泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.168、0.163、0.158、0.155 W/（m·K），和不摻纖維的基準(zhǔn)組相比分別減小2.38%、5.52%、8.86%、10.97%。可以發(fā)現(xiàn)，吸濕狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)比干燥狀態(tài)下大，原因是吸濕狀態(tài)下的泡沫混凝土內(nèi)部水分增多，水的導(dǎo)熱系數(shù)大于泡沫混凝土，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)升高。

圖4 不同摻量玻璃纖維泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)展變化曲線

2.5 力學(xué)性能

2.5.1 抗壓強(qiáng)度

不同摻量耐堿玻璃纖維泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展變化曲線如圖5。圖5顯示，隨著玻璃纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)玻璃纖維摻量為0～1.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度近似呈線性增加；當(dāng)玻璃纖維摻量為1.2%～1.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降。原因在于，纖維起到“加筋作用”[7]，在泡沫混凝土中呈亂象分布，形成三維骨架，抑制細(xì)骨料下沉，使混凝土內(nèi)部均勻密實(shí)，抗壓強(qiáng)度增高。但是，當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí)，無(wú)法均勻分布于水泥漿中，易出現(xiàn)成團(tuán)現(xiàn)象，固化后的水化產(chǎn)物和纖維之間黏結(jié)性能降低，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。

圖5 不同摻量玻璃纖維泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展變化曲線

2.5.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

不同摻量耐堿玻璃纖維泡沫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展變化曲線如圖6。圖6表明，隨著玻璃纖維摻量增加，抗拉強(qiáng)度近似呈指數(shù)關(guān)系增大。當(dāng)玻璃纖維摻量為0～1.2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度增幅較大；當(dāng)玻璃纖維摻量為1.2%～1.6%時(shí)，抗拉強(qiáng)度增幅較小并趨于平穩(wěn)。其原因在于，玻璃纖維在泡沫混凝土中形成三維骨架，對(duì)細(xì)骨料起到一定的支撐作用，避免骨料下沉；耐堿玻璃纖維抗拉強(qiáng)度大，當(dāng)泡沫混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，玻璃纖維發(fā)揮橋接作用繼續(xù)承受拉力，因此劈裂抗拉強(qiáng)度提高。

圖6 不同摻量玻璃纖維泡沫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展變化曲線

3 結(jié) 論

（1）耐堿玻璃纖維摻量低于1.2%時(shí)，泡沫混凝土吸水率隨纖維摻量增大而降低；纖維摻量高于1.2%時(shí)，泡沫混凝土吸水率有所提高，但幅度較小。泡沫混凝土吸濕率隨玻璃纖維摻量增大而減小。

（2）泡沫混凝土早齡期收縮應(yīng)變隨耐堿玻璃纖維摻量增大而降低，有利于減少泡沫混凝土早齡期開裂。

（3）泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨耐堿玻璃纖維摻量增大而降低，提高了泡沫混凝土保溫性能。

（4）耐堿玻璃纖維摻量低于1.2%時(shí)，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量增加而增大；玻璃纖維摻量高于1.2%時(shí)，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度有所降低。泡沫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量增大而增大，說(shuō)明玻璃纖維可以提高泡沫混凝土的強(qiáng)度和塑性性能。

（5）綜合考慮耐堿玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土各項(xiàng)性能的影響，建議最優(yōu)摻量為體積率1.2%。