秸稈/聚丙烯纖維-?；⒅楸鼗炷量箖鋈谠囼?yàn)研究

劉光程,姚韋靖*,龐建勇

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)礦山建設(shè)工程安徽省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001)

目前,建筑墻體常采用保溫砂漿作為保溫結(jié)構(gòu),保溫砂漿是通過(guò)加入一些有機(jī)、無(wú)機(jī)材料,制備成具有保溫性能的建筑用膠凝材料。而“城市窯洞”式綠色建筑的主旨思想是研制出一種輕質(zhì)高強(qiáng)的多功能混凝土,既具有一般混凝土的高強(qiáng)度、可承重的特性,又兼具保溫隔熱的功能,符合當(dāng)前綠色環(huán)保的高效益生態(tài)建筑材料要求[1]。

?；⒅楸鼗炷潦窃诨炷林袚饺氩；⒅檩p集料制備而成的一種新型混凝土材料[2]。?；⒅槭且环N新型輕質(zhì)無(wú)機(jī)絕熱材料,具有球狀顆粒狀,表面?；忾]、內(nèi)部多孔,具有輕質(zhì)保溫、和易性好、不易燃、防火絕熱的優(yōu)良理化特性[3]。有研究嘗試將玻化微珠摻入水泥砂漿,并進(jìn)一步摻入到混凝土,使混凝土導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低,并對(duì)材料的物理力學(xué)性能[4-5]、微細(xì)觀特性[6]等展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[7]研究了保溫混凝土的保溫隔熱能力,建立了玻化微珠導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[8-9]分析了?；⒅楸鼗炷两Y(jié)構(gòu)的抗震性能。由于輕集料的加入會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降,許多學(xué)者混合摻入纖維等加強(qiáng)玻化微珠保溫混凝土的力學(xué)性能,如文獻(xiàn)[10]將聚乙烯醇纖維摻入?；⒅樗嗷牧现?分析纖維摻量等因素對(duì)保溫混凝土強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響;文獻(xiàn)[11]將植物纖維摻入玻化微珠混凝土中,分析植物纖維摻量對(duì)材料強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響,通過(guò)功效系數(shù)獲得最優(yōu)配比;文獻(xiàn)[12]將聚丙烯纖維摻入?；⒅楸厣皾{,證實(shí)了聚丙烯纖維阻裂作用;文獻(xiàn)[13]復(fù)摻鋼纖維、聚丙烯纖維制備復(fù)摻纖維玻化微珠混凝土,發(fā)現(xiàn)復(fù)摻纖維能顯著改變混凝土的破壞模式,由壓剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐腫13]。如今?；⒅楸鼗炷猎诮ㄖ毓こ蘙14]和抵抗火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)耐久性退化[15]等方面均有廣泛應(yīng)用前景,而通過(guò)復(fù)摻秸稈和聚丙烯纖維以提高玻化微珠保溫混凝土力學(xué)性能,探究?jī)鋈趽p傷對(duì)保溫隔熱能力的影響還有待進(jìn)一步研究。

為此,本研究設(shè)計(jì)秸稈粉末、聚丙烯纖維和?；⒅轶w積率摻量正交試驗(yàn),開(kāi)展凍融循環(huán)下保溫混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn),測(cè)試試件經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量損失,探究各因素的影響順序,以期為冬冷夏熱地區(qū)保溫混凝土結(jié)構(gòu)的研究及評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

膠凝材料采用P·C42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥,細(xì)度為342m2/kg,初凝時(shí)間為165min,終凝時(shí)間為220min,3d抗壓強(qiáng)度為29.99MPa,28d抗壓強(qiáng)度為49.75MPa;粗骨料為石灰質(zhì)碎石,粒徑為10～20mm,堆積密度為1 550kg/m3,表觀密度為2 650kg/m3,含泥量為1.2%;細(xì)骨料為中砂,產(chǎn)自淮河,細(xì)度模數(shù)為2.6,堆積密度為1 379kg/m3,表觀密度為2 347kg/m3,含泥量為2.7%;外加劑采用HPWR型減水劑,由陜西秦奮建材廠生產(chǎn),減水率達(dá)28%。

秸稈采用安徽惠豐農(nóng)產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的麥秸稈粉末,粒徑為0.1μm～1mm,如圖1(a)所示。聚丙烯纖維購(gòu)自長(zhǎng)沙匯祥纖維廠,密度為0.91g/cm3,長(zhǎng)度為6mm,彈性模量≥2 500MPa,泊松比為0.29～0.46,導(dǎo)熱系數(shù)≤0.5W/(m·℃),斷裂強(qiáng)度≥300MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為15%～20%,如圖1(b)所示。 玻化微珠購(gòu)自河北億鑫建材廠, 粒徑為0.5～1.5mm,表觀密度為80～130kg/m3,堆積密度為80～120kg/m3,筒壓強(qiáng)度≥150MPa,導(dǎo)熱系數(shù)為0.032～0.045W/(m·℃),如圖1(c)所示。試驗(yàn)采用電鏡掃描觀察其外殼和內(nèi)部,如圖2所示,其內(nèi)部呈現(xiàn)明顯的多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu),正是這種特殊結(jié)構(gòu)能夠有效延長(zhǎng)熱量傳遞路徑、增加材料內(nèi)部孔隙率,使熱量在傳遞過(guò)程中既在材料中傳遞又在空氣中傳播,而空氣本身的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023W/(m·℃),導(dǎo)熱系數(shù)極低,隔熱效果較好,因而材料的隔熱能力較強(qiáng)。但玻化微珠本身強(qiáng)度較低,摻入過(guò)程中遭受擠壓、振動(dòng)等,導(dǎo)致混凝土材料強(qiáng)度損失[16]。聚丙烯纖維是高延性纖維,在混凝土裂縫擴(kuò)展中伸長(zhǎng)量大,變形部分多具有彈性,能有效提高混凝土抗拉和抗沖擊性。秸稈是一種植物纖維,能有效地提高混凝土的拉壓比。因而,摻入聚丙烯纖維與秸稈可有效提高?；⒅楸鼗炷恋膹?qiáng)度。

(a)秸稈粉末 (b) 聚丙烯纖維 (c) ?；⒅?/p>

(a)外殼 (b) 內(nèi)核

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文以保溫材料摻入量和凍融循環(huán)次數(shù)為研究參數(shù)。依據(jù)JGJ55-2011設(shè)計(jì)基準(zhǔn)混凝土配合比,混凝土單位體積中各材料用量為: 水泥481.47kg,粗骨料1 077kg, 細(xì)骨料531kg, 水260kg, 減水劑4.81kg,水灰比1∶0.54。采用正交試驗(yàn)的方法,分析保溫材料摻量對(duì)保溫混凝土抗凍融特性的影響,采用L16(45)正交表進(jìn)行試驗(yàn),秸稈粉末在混凝土中的體積率VS分別取值0、1%、2%、3%;?；⒅樵诨炷林腥〈暗捏w積率VG分別取值0、10%、20%、30%;聚丙烯纖維在混凝土中的體積率VP分別取值0、0.3%、0.5%、0.7%。測(cè)試混凝土試件抗壓和抗拉強(qiáng)度,測(cè)試方法參照GB/T50081-2019,結(jié)果如表1所示。

表1 秸稈/聚丙烯纖維-玻化微珠保溫混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)

由表1可知,摻入秸稈粉末和?；⒅樽鳛楸鼗?各組保溫混凝土較基準(zhǔn)混凝土試件質(zhì)量、導(dǎo)熱系數(shù)均有不同程度的降低;質(zhì)量最低為第7組,質(zhì)量降低了15.28%;導(dǎo)熱系數(shù)最低為第11組,降低了50.90%,即保溫隔熱性能最優(yōu)。由此可見(jiàn),隔熱基材摻入可顯著提高材料輕質(zhì)、保溫性能。同時(shí),試件力學(xué)性能也明顯降低,抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度最低分別為第8組和第16組,較基準(zhǔn)混凝土分別下降了40.42%、17.92%。這說(shuō)明隔熱基材料摻入在提高材料保溫輕質(zhì)特性的同時(shí),力學(xué)強(qiáng)度也有不同程度的損失。

1.3 試驗(yàn)方法

試件制作前將秸稈粉末用聚乙烯醇溶液(PH膠)進(jìn)行聚合物包裹改性處理,浸泡3d后晾干清洗[17]。先將水泥、玻化微珠、砂、石骨料進(jìn)行干拌約1.5min,再加水和減水劑進(jìn)行濕拌約2.5min,最后撒入秸稈和聚丙烯纖維,完成秸稈/聚丙烯纖維-?；⒅楸鼗炷恋闹苽?。注意須采用濕拌和撒纖維同步進(jìn)行制備混凝土試件,以避免纖維結(jié)團(tuán)。

試件制作成型1d后拆模,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28d,即相對(duì)濕度≥95%,溫度維持在(20±1)℃,采用立方體試塊尺寸為300mm×300mm×30mm。參照GB/T50082-2009設(shè)計(jì)凍融循環(huán)試驗(yàn),利用高低溫交變濕熱箱完成試驗(yàn),在(-19±4)℃環(huán)境中凍8h,在(18±4)℃融4h,共計(jì)12h為1個(gè)循環(huán),循環(huán)次數(shù)為0、20、40、60、80次。試驗(yàn)過(guò)程中確保試件中心凍結(jié)溫度大于-10℃,從-20℃升溫至20℃所用時(shí)間不大于1.5h[18]。觀察各循環(huán)次數(shù)后試件的表觀形貌變化,并測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量損失。其中導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試采用雙平板法,使用沈陽(yáng)鑫合經(jīng)緯機(jī)械電子設(shè)備廠產(chǎn)PDR300導(dǎo)熱系數(shù)儀完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)后表觀現(xiàn)象

混凝土凍融循環(huán)過(guò)程中,吸水飽和后水冷凍結(jié)冰造成體積膨脹,同時(shí)也產(chǎn)生收縮現(xiàn)象,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力,而混凝土本身具有孔隙和微裂紋,在水結(jié)冰體積膨脹過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)育,最終導(dǎo)致混凝土表面水泥漿體脫落。圖3為經(jīng)歷0、40、80次凍融循環(huán)后,混凝土試件的典型表觀形貌劣化過(guò)程。由圖3可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,混凝土表面不斷劣化,出現(xiàn)輕微水泥漿體剝落現(xiàn)象。這是因?yàn)槟z凝材料與粗細(xì)骨料的連接部位是材料的薄弱部位,界面區(qū)水結(jié)冰體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力破壞了界面連接區(qū),試塊表面漿體剝落,出現(xiàn)麻面、凹陷現(xiàn)象。

(a)0次 (b)40次 (c)80次

2.2 凍融循環(huán)后質(zhì)量損失

測(cè)試混凝土試件受凍融循環(huán)損傷后各組試件質(zhì)量損失情況,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知,隨凍融循環(huán)次數(shù)遞增,試件質(zhì)量不斷降低。經(jīng)歷20、40、60、80次凍融循環(huán)后,16組試件平均質(zhì)量分別降低8.56%、15.94%、24.60%、37.93%。經(jīng)歷80次凍融循環(huán)后,質(zhì)量損失最大的是第12組,損失質(zhì)量為0.333kg;質(zhì)量損失最小的為第6組,損失質(zhì)量為0.203kg。

表2 保溫混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失 kg

2.3 凍融循環(huán)后導(dǎo)熱系數(shù)

測(cè)試混凝土試件受凍融循環(huán)損傷后導(dǎo)熱系數(shù)情況,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)遞增,混凝土導(dǎo)熱系數(shù)不斷增加,保溫性能不斷降低。經(jīng)歷20、40、60、80次凍融循環(huán)后,16組試件平均導(dǎo)熱系數(shù)分別增加19.90%、29.49%、39.57%、49.97%。經(jīng)歷80次凍融循環(huán)后,導(dǎo)熱系數(shù)最大的是第4組,導(dǎo)熱系數(shù)為0.421 4W/(m·℃);導(dǎo)熱系數(shù)最小的為第11組,導(dǎo)熱系數(shù)為0.253 1W/(m·℃)。

表3 保溫混凝土凍融循環(huán)后導(dǎo)熱系數(shù)變化 W·(m·℃)-1

2.4 影響因素極差分析

試驗(yàn)測(cè)得保溫混凝土經(jīng)過(guò)80次凍融循環(huán)損傷后,導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量均發(fā)生了較大變化,為進(jìn)一步探究麥秸稈粉末摻量(因素A)、?；⒅閾搅?因素B)、聚丙烯纖維摻量(因素C)對(duì)保溫混凝土經(jīng)歷凍融循環(huán)過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量損失的影響,現(xiàn)進(jìn)行極差分析[19],結(jié)果如表4所示。

表4 保溫混凝土質(zhì)量損傷和導(dǎo)熱系數(shù)損失極差分析 %

由表4可知,16組保溫混凝土經(jīng)過(guò)80次凍融循環(huán)損傷后,質(zhì)量較凍融循環(huán)作用前平均降低了37.93%。麥秸稈粉末、?；⒅楹途郾├w維摻量越小,經(jīng)凍融循環(huán)作用后的質(zhì)量損失越小。由極差分析可知,3種因素對(duì)保溫混凝土質(zhì)量損失的影響順序?yàn)?麥秸稈粉末摻量(因素A)>聚丙烯纖維摻量(因素C)>玻化微珠摻量(因素B),而導(dǎo)熱系數(shù)較凍融作用前平均增大了49.97%;3種因素對(duì)保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響順序?yàn)?麥秸稈粉末摻量(因素A)>?；⒅閾搅?因素B)>聚丙烯纖維摻量(因素C)。根據(jù)表4繪制因素指標(biāo)圖如圖4～圖5所示。

圖4 保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)因素指標(biāo)圖

圖5 保溫混凝土質(zhì)量損失因素指標(biāo)圖

由圖4可知,對(duì)于麥秸稈粉末摻量,隨摻量增加,導(dǎo)熱系數(shù)先下降后上升,最優(yōu)摻量為混凝土體積率的2%,導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)0.325W/(m·℃);隨著?；⒅閾搅康脑黾?導(dǎo)熱系數(shù)依然先下降后上升,最優(yōu)摻量為取代砂體積率的20%,導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)0.329W/(m·℃);隨著聚丙烯纖維摻量的增加,最優(yōu)摻量為混凝土體積率的0.5%,但導(dǎo)熱系數(shù)呈上下波動(dòng),最小值為0.343W/(m·℃),最大值為0.355W/(m·℃)。

由圖5可知,隨著麥秸稈粉末摻量的增加,質(zhì)量損失先增大后減小,在混凝土體積率達(dá)2%時(shí)質(zhì)量損失最大達(dá)0.293kg;隨著?；⒅閾搅康脑黾?質(zhì)量損失上下波動(dòng),在?；⒅槿〈绑w積率30%時(shí)質(zhì)量損失最大(0.262kg),在?；⒅槿〈叭〈?0%時(shí)質(zhì)量損失最小(0.234kg);隨著聚丙烯纖維摻量的增加,質(zhì)量損失不斷增加,占混凝土體積率達(dá)0.7%,質(zhì)量損失達(dá)0.266kg。這說(shuō)明本試驗(yàn)所采用的的聚丙烯纖維摻量范圍對(duì)減小混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失沒(méi)有幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了凍融條件下秸稈粉末、聚丙烯纖維和?；⒅閷?duì)混凝土導(dǎo)熱性能等指標(biāo)的影響,得出復(fù)摻3種摻合料對(duì)保溫混凝土指標(biāo)的影響和排序。不同于以往某一摻合料對(duì)混凝土相關(guān)參數(shù)的研究,本文考慮多摻合料,采用正交方法優(yōu)化試驗(yàn)并運(yùn)用極差分析各因素的影響順序,可為類似環(huán)境下保溫混凝土的配制和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

本文對(duì)保溫混凝土的研究主要是基于混凝土物理力學(xué)性能指標(biāo)開(kāi)展的,而未考慮摻合料對(duì)混凝土內(nèi)部構(gòu)造的影響,后期將結(jié)合工程條件進(jìn)一步深入研究。