肖 嘯，程寶軍，王曉波，高育欣，楊 文

(中建西部建設建材科學研究院，四川 成都 610213)

0 前 言

物理發(fā)泡泡沫混凝土是將物理方法制得的泡沫加入到由水泥、外加劑、摻合料、水等制成的漿體中，經攪拌、成型、養(yǎng)護制成[1]。泡沫混凝土作為一種含有大量封閉氣孔的無機保溫材料，具有質輕、保溫隔熱、隔音耐火、成本低、利廢等優(yōu)勢[2-4]。然而，泡沫混凝土因存在均勻的氣孔結構且缺少粗骨料，其存在強度偏低、易開裂、吸水率高、干燥收縮大等問題[5-6]。

為了改善泡沫混凝土存在的不足，國內外學者在泡沫混凝土中摻入纖維，以提高泡沫混凝土的性能，擴展泡沫混凝土的應用。王朝強等[7]研究表明摻入耐堿玻璃纖維能夠明顯改善泡沫混凝土的力學性能并且對吸水率和導熱系數影響不大。M.R. Jones等[8]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻入可以明顯改善泡沫混凝土的抗拉強度和可塑性。白光等[9]研究證實了摻入聚乙烯醇纖維能顯著增加堿激發(fā)礦渣泡沫混凝土的抗壓強度和抗折強度并且其干燥收縮顯著降低。本文通過摻入適量的聚乙烯醇纖維(PVA)和聚丙烯纖維(PP)對泡沫混凝土性能進行改進，研究了有機纖維的種類及摻量對泡沫混凝土性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥來自峨勝水泥集團股份有限公司P·O 42.5，其各項性能指標均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)標準；I級粉煤灰來自四川宜賓發(fā)電廠；聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維的各項性能指標見表1；發(fā)泡劑為復合植物蛋白陰離子表面活性劑型發(fā)泡劑，購買自濟南世騰化工有限公司；減水劑為自制聚羧酸高性能減水劑，減水率為35%，固含量50%；水為普通自來水。

表1 聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維的各項性能指標

1.2 樣品制備

泡沫混凝土配合比如表2所示。設計干容重為1200 kg/m3，粉煤灰摻量為45.4%。試驗中的變量為PP和PVA的摻量，研究了有機纖維的種類及摻量對泡沫混凝土力學性能、干燥收縮、吸水率等性能的影響。

表2 泡沫混凝土配合比

泡沫的制備方法是將發(fā)泡劑和水按照1∶19混合，倒入發(fā)泡機中進行起泡，直至泡沫細小穩(wěn)定且大小均勻，一般制泡時間為2～4 min。泡沫混凝土的成型工藝如下：先將水泥等原材料在攪拌機內干拌至均勻，然后加水攪拌2～3 min，再加入纖維(空白樣省略此步)，將之前制備的泡沫緩慢倒入混合料中繼續(xù)攪拌5 min左右至其均勻分布，最后將漿體倒入事先準備好的模具中，刮平表面。

1.3 測試方法

吸水率實驗采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試件，按照《加氣混凝土吸水率試驗方法》(GB/T 11970-1997)進行測定。

力學性能試驗采用的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，拆模后放標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護6，27 d后在干燥箱(60±5) ℃連續(xù)烘干1 d，然后測試其抗壓抗折強度。

干縮試驗參照《加氣混凝土干燥收縮試驗方法》(GB/T 11972-1997)中規(guī)定的方法進行，測試其3、7、14 d干燥收縮量。

2 實驗結果與分析

2.1 吸水率與含水率

泡沫混凝土吸水后保溫效果急劇下降，并且在寒冷天氣條件下，泡沫混凝土還會因凍融而造成強度的降低和結構的破壞[10-11]。因此，泡沫混凝土的吸水率是衡量其耐久性的重要指標。

有機纖維種類及摻量對吸水率的影響如圖1所示。由圖1(a)可知，隨著PP纖維的摻量增加泡沫混凝土的吸水率先降低后增加。PP纖維摻量為2‰時，泡沫混凝土吸水率最低為8.7%，相較于空白樣降低0.9%。由圖1(b)可知，隨著PVA纖維的摻量增加泡沫混凝土的吸水率先降低后增加。PP纖維摻量為1‰時，泡沫混凝土吸水率最低為8.3%，相較于空白樣降低1.3%。有機纖維種類及摻量對標準養(yǎng)護后含水率的影響如圖2所示?？梢?，標準養(yǎng)護后含水率與吸水率呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。這是因為隨著有機纖維的摻量增加，前期吸水率相較空白組變化不大且有少量降低；隨著纖維引入量繼續(xù)加大，泡沫混凝土的空隙率隨之增大，同時在凝結硬化過程中，內部產生連通孔的概率增加，導致吸水率升高[7]。并且由于PVA纖維的長度大于PP纖維，PVA纖維造成泡沫混凝土吸水率增幅更大。

(a)PP

(b)PVA

(a)PP

(b)PVA

2.2 力學性能

為了改善泡沫混凝土存在強度偏低、易開裂的問題，通過摻入有機纖維對其力學性能進行改進，研究有機纖維種類及摻量對泡沫混凝土力學性能的影響。泡沫混凝土密度等級為1 200 kg/m3有機纖維種類及摻量對抗折和抗壓強度的影響如圖3～4所示。由圖3～4可以看出，隨著泡沫混凝土養(yǎng)護時間的延長，其抗壓和抗折強度提高，這是因為隨著養(yǎng)護時間的增加，泡沫混凝土持續(xù)硬化，其結構更加穩(wěn)定，因此泡沫混凝土28 d強度明顯高于7 d強度。并且，摻入PP纖維能明顯改善泡沫混凝土的抗折和抗壓強度，摻入PVA纖維對泡沫混凝土早期抗折和抗壓強度有明顯改善，但對后期抗折強度影響不大。

由圖3可以看出，隨著PP和PVA纖維摻量的增加，泡沫混凝土的抗折強度先增加后降低。其中PP纖維摻量為2‰時，泡沫混凝土28 d抗折強度最高為4.3 MPa，相較于空白樣提高了20%。PVA纖維摻量為1‰時，泡沫混凝土28 d強度最高為4.0 MPa，相較于空白樣提高了10%。

由圖4可以看出，隨著PP和PVA纖維摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度先增加后降低。其中PP纖維摻量為2‰時，泡沫混凝土28 d抗折強度最高為17.6 MPa，相較于空白樣提高了30%。PVA纖維摻量為1‰時，泡沫混凝土28 d強度最高為16.4 MPa，相較于空白樣提高了20%。

(a)PP

(b)PVA

(a)PP

(b)PVA

分析其原因有以下幾點：①纖維在泡沫混凝土中呈亂向分布，有利于減少其塑性收縮，收縮能力被分散于纖維之上，有效地抑制了泡沫混凝土微裂縫的產生及發(fā)展，使強度得到提高[12]；②纖維在泡沫混凝土內部形成三維亂向的網絡體系，該體系能夠承托骨料，同時能夠約束離析列為的產生與發(fā)展[13]；③纖維的摻入可以減少泡沫的破裂，改善孔道的形貌，從而減少泡沫混凝土的密度和平均孔徑，但隨著纖維摻量進一步增加，其孔隙率增大，導致其強度降低[14]。

2.2 干燥收縮性能

干燥收縮是造成泡沫混凝土收縮及開裂的主要因素。有機纖維種類及摻量對泡沫混凝土干燥收縮值的影響如圖5所示。

圖5 有機纖維種類及摻量對干燥收縮值的影響

由圖5可知，PP和PVA纖維的摻入均可明顯降低泡沫混凝土14 d干燥收縮值，但在部分摻量條件下，反而會增加其3 d和7 d干燥收縮值。相較于PVA纖維，PP纖維對泡沫混凝土干燥收縮值的降低更為明顯。PP纖維摻量為2‰時，泡沫混凝土的14 d干燥收縮值最低為-0.54 mm/m，可見其對干燥收縮有明顯的抑制作用。這是因為纖維在泡沫混凝土內部形成一種亂向支撐體系，混凝土干燥收縮在發(fā)展過程中會受到纖維的阻擋，從而纖維的摻入可以抑制泡沫混凝土的干燥收縮。從纖維種類角度來看，PP纖維的彈性模量大于PVA纖維，纖維的彈性模量更大，所能分擔的擠壓應力越大，限制收縮變形的能力也越強，因此PP纖維具有更好的限制泡沫混凝土干燥收縮的作用[13]。

3 結 論

1)采用普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、發(fā)泡劑、減水劑以及有機纖維成功制備了干密度等級為1 200 kg/m3的泡沫混凝土；當加入體積摻量為2‰的聚丙烯纖維時，泡沫混凝土各項性能最優(yōu)，其28 d抗折抗壓強度相較于空白樣提高了20%和30%。

2)有機纖維對泡沫混凝土具有明顯的增強效應，隨著纖維摻量的增加，其抗折和抗壓強度呈先增加后降低的趨勢；并且適量的摻入有機纖維，對泡沫混凝土的干燥收縮有明顯的抑制作用，對吸水率影響不大。

3)并且相較于聚乙烯醇纖維，聚丙烯纖維對泡沫混凝土的性能改善更為明顯。

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