王秀麗 潘旭賓 吳征

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.051

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFD1101004）；甘肅省建設(shè)廳項(xiàng)目（JK2020-26）

作者簡介：王秀麗（1963-?），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事大跨空間結(jié)構(gòu)、裝配式鋼結(jié)構(gòu)和建筑圍護(hù)系統(tǒng)研究，E-mail：1135739056@qq.com。

Received： 2021?12?20

Foundation items： National Key Research and Development Plan of China （No. 2019YFD1101004）; Construction Department Project of Gansu Province （No. JK2020-26）

Author brief： WANG Xiuli （1963-?）， professor， doctorial supervisor， main research interests： large span space structure， prefabricated steel structure and building enclosure system， E-mail： 1135739056@qq.com.

（蘭州理工大學(xué)?土木工程學(xué)院；?西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州?730050）

摘要：為了研究稻草纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的性能，以普通硅酸鹽水泥為主要膠凝材料，硅灰、偏高嶺土和粉煤灰為輔助膠凝材料，稻草纖維為增強(qiáng)材料，采用物理發(fā)泡法制備纖維增強(qiáng)泡沫混凝土；通過全因子試驗(yàn)，研究在不同水膠比和發(fā)泡劑摻量下，稻草纖維摻量對泡沫混凝土的密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗凍性能的影響。結(jié)果表明：對于不同水膠比和發(fā)泡劑摻量，泡沫混凝土的密度、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化規(guī)律；抗壓強(qiáng)度隨密度增加呈冪函數(shù)增加關(guān)系；劈裂抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加呈指數(shù)函數(shù)增加關(guān)系；當(dāng)水膠比為0.45時，抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增加后降低，當(dāng)水膠比為0.50時，抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增加；纖維的摻入增大了泡沫混凝土的泡孔尺寸和吸水率，降低了其抗凍性能。

關(guān)鍵詞：稻草纖維；泡沫混凝土；泡孔尺寸；力學(xué)性能；抗凍性能

中圖分類號：TU528.2 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0189-09

Experimental study on the physical and mechanical properties of straw fiber reinforced foam concrete

WANG Xiuli，?PAN Xubin，?WU Zheng

（School of Civil Engineering；?Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， P. R. China）

Abstract： In order to study the properties of straw fiber reinforced foam concrete， fiber-reinforced foam concrete was prepared by the physical foaming method with ordinary Portland cement as the main cementitious material， silica fume， metakaolin and fly ash as the supplementary cementitious materials， and rice straw fiber as reinforcement material. The effects of straw fiber content on the density， water absorption， compressive strength， flexural strength， splitting tensile strength and frost resistance of foam concrete were investigated by full factorial tests at different water-to-binder ratios and foaming agent dosages. The results showed that the density， compressive strength and splitting tensile strength of straw fiber reinforced foam concrete increased first and then decreased with the increase of fiber content for different water-to-binder ratios and foaming agent dosages. The compressive strength increased with density as a power function. The splitting tensile strength increased exponentially with the increase of compressive strength. When the water-to-binder ratio was 0.45， the flexural strength increased first and then decreased with the increase of fiber content. When the water-to-binder ratio was 0.50， the flexural strength increased with the increase of fiber content. The incorporation of fiber increased the pore size and water absorption rate of foam concrete， and reduced its frost resistance.

Keywords： straw fiber；?foam concrete；?bubble pore size；?mechanical properties；?frost resistance

泡沫混凝土是用機(jī)械方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，然后將已制得的泡沫和以水泥等膠凝材料所制成的料漿均勻攪拌，經(jīng)澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成的含有大量、微小、獨(dú)立、均勻分布?xì)馀莸妮p質(zhì)混凝土材料^[1]。由于該材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑圍護(hù)墻體中應(yīng)用廣泛^[2-6]。但泡沫混凝土抗拉強(qiáng)度低、抗沖擊能力差、抗裂能力差，導(dǎo)致其在一些工程中的應(yīng)用受限^[7]。

在泡沫混凝土中，三維亂向分布纖維的摻入可以使其由典型的脆性行為變?yōu)閺椝苄孕袨椋瑥亩岣呖箟簭?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延性等性能^[8]。Daneti等^[9]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維在提高輕質(zhì)泡沫混凝土抗彎韌性和控制收縮開裂行為方面有顯著的效果。Mirza等^[10]研究了耐堿玻璃纖維對泡沫混凝土抗彎強(qiáng)度、延性、約束收縮開裂和耐溫性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%（體積分?jǐn)?shù)為0.25%～0.5%）時，能夠有效控制泡沫混凝土的約束收縮裂縫，提高其抗彎韌性。Sun等^[11]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維對泡沫混凝土的干燥收縮有抑制作用。劉一飛等^[12]研究了聚丙烯纖維長度和纖維類型對泡沫混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)短絲纖維對強(qiáng)度的提升優(yōu)于長絲纖維，網(wǎng)狀纖維對強(qiáng)度的改善優(yōu)于絲狀纖維。Falliano等^[13]發(fā)現(xiàn)聚合物纖維能大大提高泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度，但對提高抗壓強(qiáng)度作用不大。

目前增強(qiáng)泡沫混凝土最常見的纖維類型是合成纖維。然而，使用天然纖維作為增強(qiáng)材料越來越普遍。由于天然纖維具有力學(xué)性能良好、密度低、成本低、可生物降解、可再生和促進(jìn)可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注^[14-17]。農(nóng)作物秸稈纖維作為天然纖維，在中國儲量極為豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年大約生產(chǎn)10億t農(nóng)作物秸稈，給城市和自然環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)^[18]?？紤]到資源和環(huán)境問題，將農(nóng)作物秸稈纖維利用到建筑材料領(lǐng)域，既能為農(nóng)作物秸稈資源綜合利用提供新渠道，又能響應(yīng)國家綠色建筑的號召。近年來，許多研究已經(jīng)證實(shí)了秸稈纖維與水泥基材料復(fù)合的可行性^[19-23]，但對于秸稈纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的研究相對較少。筆者采用動物蛋白發(fā)泡劑，通過機(jī)械發(fā)泡法，以普通硅酸鹽水泥、硅灰、偏高嶺土、粉煤灰為膠凝材料、稻草纖維為增韌材料，制備泡沫混凝土，研究纖維摻量對不同水膠比和發(fā)泡劑摻量泡沫混凝土的物理力學(xué)性能的影響，為農(nóng)作物秸稈纖維在泡沫混凝土中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1）膠凝材料：42.5級普通硅酸鹽水泥，初凝時間150 min，終凝時間230 min，抗壓強(qiáng)度45.91 MPa（28 d），抗折強(qiáng)度6.88 MPa（28 d）；硅灰，比表面積約為20 m²/g；偏高嶺土，比表面積約為0.93 m²/g；粉煤灰，Ⅰ級粉煤灰。

2）發(fā)泡劑：市售動物蛋白發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)30，發(fā)泡倍數(shù)35，泌水性70 mL/h。

3）減水劑：聚羧酸系高性能減水劑。

4）稻草纖維：先用5%的NaOH溶液浸泡48 h，然后清洗至中性（清洗用水pH值在7～8范圍內(nèi)即視為中性），并在（50±5）℃的烘箱中烘至恒重備用（每隔12 h稱重一次，相鄰兩次稱重的質(zhì)量差小于1%即視為恒重）。纖維長度6～10 mm，處理前后的纖維如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方案及測試方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

采用全因子試驗(yàn)，研究纖維摻量對不同水膠比和發(fā)泡劑摻量泡沫混凝土的物理力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)配合比見表1。其中，水膠比分別為0.45和0.50；纖維摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%（占膠凝材料：水泥、硅灰、偏高嶺土和粉煤灰的總質(zhì)量比）；發(fā)泡劑摻量分別為0.3%和0.6%（占膠凝材料總質(zhì)量比）；硅灰和偏高嶺土摻量均固定占膠凝材料總質(zhì)量的10%；粉煤灰摻量固定占膠凝材料總質(zhì)量的5%；CaCl₂作為促凝劑，摻量固定占膠凝材料總質(zhì)量的1%；減水劑用量以膠凝凈漿流動度保持在（215±5）mm范圍內(nèi)為依據(jù)。表中編號中的W/B代表水膠比，F(xiàn)代表發(fā)泡劑摻量。例如W/B-0.45，F(xiàn)-0.3%表示水膠比為0.45，發(fā)泡劑摻量為0.3%。

1.2.2 測試方法

試塊制備：首先將水泥、硅灰、偏高嶺土、粉煤灰干拌30 s，使粉料混合均勻。然后加水（扣除泡沫制備用水）、減水劑和CaCl₂，攪拌1.5 min后加入纖維再攪拌1.5 min（不加纖維省略此步驟）。在漿料攪拌的同時，按比例將發(fā)泡劑用水稀釋之后用高速攪拌器將稀釋液制成泡沫。將泡沫加入漿料中攪拌2 min，使泡沫和漿料混合均勻。最后將泡沫混凝土直接澆筑到試模當(dāng)中，并用保鮮膜覆蓋。試件靜置24 h后脫模，并在溫度為（20±3）℃、相對濕度大于90%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至測試期齡。

吸水率及力學(xué)性能測試：試件養(yǎng)護(hù)完成后，在（80±5）℃下烘至恒重。吸水率按照《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》（GB/T 11969—2020）進(jìn)行；抗壓、抗折強(qiáng)度按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）進(jìn)行；劈裂抗拉強(qiáng)度按照《水泥砂漿和混凝土干燥收縮開裂性能試驗(yàn)方法》（GB/T 29417—2012）進(jìn)行。試件尺寸均為40 mm×40 mm×160 mm。

抗凍性能測試：參考《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》（GB/T 11969—2020），以凍12 h和融12 h作為一次凍融循環(huán)，以此凍融循環(huán)30次。凍融循環(huán)結(jié)束后，將試塊在（80±5）?℃下烘至恒重，再按照GB/T 17671—2021和GB/T 29417—2012測試凍融循環(huán)之后試件的抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度。試件尺寸均為40 mm×40 mm×160 mm。

泡孔尺寸的測量：將40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件四等分，每隔40 mm進(jìn)行切割，并用HC-U81混凝土超聲波檢測儀的測缺功能測量泡沫混凝土的泡孔直徑。每個面任意取3個點(diǎn)進(jìn)行泡孔直徑測量，然后將3個面測得的9個數(shù)值取平均值為該試件平均泡孔直徑。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 泡沫混凝土的密度

泡沫混凝土的密度隨纖維摻量的變化如圖2所示。由圖2可知：

1）對于不同水膠比以及發(fā)泡劑摻量，隨著纖維摻量的增加，泡沫混凝土的密度都呈現(xiàn)出先增加后降低的變化規(guī)律。分析原因：稻草纖維是天然的纖維素纖維，其內(nèi)部孔隙率高達(dá)83.5%^[24]，同時纖維素表面的羥基有很強(qiáng)的親水性^[25]，這導(dǎo)致其吸水性強(qiáng)。稻草纖維的摻入會使膠凝漿體內(nèi)部的水分遷移到纖維內(nèi)部孔隙當(dāng)中，導(dǎo)致漿體流動度下降。當(dāng)纖維摻量較低時，纖維的吸水作用導(dǎo)致纖維膠凝混合漿體流動度降低，且此時纖維對氣泡的“滯留”作用較弱。在混合漿體與泡沫混合攪拌的過程中，細(xì)小、獨(dú)立的氣泡相互之間融合成為較大的氣泡并破滅溢出漿體的程度較高。另外，泡沫的密度遠(yuǎn)低于纖維的密度，因此，密度隨纖維摻量的增加而小幅增加；纖維摻量進(jìn)一步增加，一方面在膠凝漿體攪拌過程中會引入更多的氣泡，這會導(dǎo)致密度有所降低；另一方面，雖然纖維的吸水作用會使膠凝漿體流動度進(jìn)一步下降，且攪拌過程中細(xì)小、獨(dú)立的氣泡相互之間融合成為較大的氣泡的程度進(jìn)一步增加。但此時懸浮在膠凝漿體中的纖維增多，它們亂向分布形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對氣泡的“滯留”作用顯著增強(qiáng)，這能有效防止泡沫破滅溢出漿體，更多的氣泡被纖維滯留在漿體內(nèi)部，從而使密度降低。如圖3所示，泡孔尺寸隨纖維摻量的增加而增加。除此之外，纖維的加入也會使密度進(jìn)一步降低。因此，隨著纖維摻量進(jìn)一步增加，泡沫混凝土的密度逐漸降低。

2）水膠比和發(fā)泡劑摻量不同，纖維摻量對泡沫混凝土的密度增幅的影響也不相同。當(dāng)水膠比為0.45時，Ⅰ、Ⅱ系列試件的密度在1%纖維摻量時便達(dá)到峰值，且相比素泡沫混凝土增幅相對較小，分別為0.71%和4.07%；當(dāng)水膠比為0.5時，Ⅲ、Ⅳ系列試件的密度在纖維摻量為2%時達(dá)到峰值，且相比素泡沫混凝土增幅相對較大，分別為14.06%和23.81%。這是因?yàn)楫?dāng)水膠比為0.45時，膠凝漿體本身含水率低，泡沫破滅量較大。當(dāng)摻入纖維時，由纖維吸水作用導(dǎo)致的泡沫破滅量增加的程度相對較低，因而密度增幅小。另外，纖維的“滯留”作用也能防止部分泡沫破滅溢出漿體，這也會減小密度的增幅；當(dāng)水膠比為0.5時，膠凝漿體本身含水量高，泡沫破滅量相對較小。纖維的摻入使膠凝漿體流動度下降明顯，泡沫破滅量顯著增加，因此，密度增幅大。但同時，纖維的“滯留”作用能在一定程度上防止泡沫破滅溢出，使密度增幅放緩。如圖2所示，Ⅲ、Ⅳ系列試件密度的增幅大于Ⅰ、Ⅱ系列試件，且增幅隨纖維摻量的增加而逐漸放緩。

3）水膠比和發(fā)泡劑摻量不同，在達(dá)到最大密度之后，泡沫混凝土的密度隨纖維摻量增加而降低的程度也不相同。當(dāng)纖維摻量為4%時，0.45水膠比試件的密度相比峰值降低幅度相對較大，分別為28.76%和54.19%；0.5水膠比試件的密度相比峰值降低幅度相對較小，分別為16.77%和7.20%。這是因?yàn)閷τ诘退z比試件而言，其本身泡沫破滅量較高，在纖維摻量較高時，纖維的“滯留”作用大大減少了泡沫的破滅溢出量，大部分泡沫互相融合并被滯留在膠凝漿體內(nèi)部，因此，密度降低幅度較大；對于高水膠比試件，其本身泡沫破滅量較少，在纖維摻量較高時，由纖維吸水導(dǎo)致的泡沫破裂量增加和纖維的“滯留”效果綜合作用，導(dǎo)致密度降低幅度較小。

2.2 泡沫混凝土的吸水率

泡沫混凝土的吸水率如圖4所示。吸水率隨纖維摻量的增加而增加，且當(dāng)纖維摻量較低時，纖維摻量對吸水率的影響較小，在達(dá)到一定數(shù)值后，纖維摻量對吸水率的影響增加。當(dāng)纖維摻量達(dá)到最大時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ系列試件的吸水率分別為31.60%、58.66%、28.99%和44.71%，相比纖維摻量為0的試件分別提高了16.39%、20.87%、10.21%和15.85%。分析原因：試驗(yàn)中，泡沫混凝土吸水主要通過毛細(xì)孔滲透作用、纖維的吸水滲透作用和連通孔滲透作用進(jìn)行，增加泡沫混凝土中連通孔的比率將增加其吸水率^[26]。隨著纖維摻量的增加，泡孔尺寸逐漸增大，并且連通泡孔比例增加，這會使吸水率增加。另外，通常增加泡沫混凝土的密度會降低其吸水率，但試驗(yàn)試件吸水率沒有出現(xiàn)隨密度的增加而降低的現(xiàn)象。這是因?yàn)椋环矫?，雖然當(dāng)纖維摻量較低時，纖維的摻入會使泡沫破滅溢出漿體的數(shù)量增加，但由于纖維吸水率高，這在一定程度上能抵消一部分由泡沫破滅而導(dǎo)致的吸水率降低；另一方面，本試驗(yàn)選取的纖維長度在6～10 mm范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于泡孔直徑，大量纖維會貫穿數(shù)個泡孔。同時由于纖維的孔隙率高，吸水、滲水性強(qiáng)，因此可以將纖維貫穿的泡孔近似看作連通狀態(tài)，這也會使吸水率增加。綜上，在纖維摻量較低時，雖然泡沫破滅量較大，密度有所增加，吸水率依然不降反增，但增幅較??；在纖維摻量較高時，吸水率同樣隨纖維摻量的增加而持續(xù)增加，且增幅明顯變大。

2.3 抗壓強(qiáng)度

泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的變化如圖5所示。由圖5可知：

1）試件的抗壓強(qiáng)度均隨纖維摻量的增加先增加后降低。分析原因：在泡沫混凝土中，抗壓強(qiáng)度與泡孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。雖然纖維的摻入會使泡孔尺寸增加，但改性稻草纖維與膠凝材料黏結(jié)較好，并且能夠約束裂縫的發(fā)展。因此，在一定摻量范圍內(nèi)，纖維能提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)纖維摻量較高時，泡孔尺寸和連通泡孔數(shù)量過大會導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此，試件抗壓強(qiáng)度先增加后降低。

2）相同水膠比，纖維對0.3%發(fā)泡劑摻量試件抗壓強(qiáng)度的提升低于0.6%發(fā)泡劑摻量的試件。例如，當(dāng)水膠比為0.45時，Ⅰ、Ⅱ系列試件的最大抗壓強(qiáng)度相比素泡沫混凝土分別增加了0.16%和22.5%；水膠比為0.5時，Ⅲ、Ⅳ系列試件的最大抗壓強(qiáng)度相比素泡沫混凝土提高了5.42%和120.69%。這說明在一定摻量范圍內(nèi)，纖維對低密度泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的提升作用更大。

3）相同發(fā)泡劑摻量，纖維對0.5水膠比試件抗壓強(qiáng)度的提升大于0.45水膠比的試件。例如在0.3%發(fā)泡劑摻量下，Ⅲ系列試件的最大抗壓強(qiáng)度相比素泡沫混凝土提升大于I系列試件；Ⅳ系列試件的最大抗壓強(qiáng)度相比素泡沫混凝土的提升大于Ⅱ系列試件。結(jié)合圖2泡沫混凝土的密度，這同樣也說明在一定摻量范圍內(nèi)，纖維對低密度泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅更為明顯。

稻草纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度受到密度、纖維摻量、泡孔結(jié)構(gòu)、發(fā)泡劑摻量和水膠比等因素的綜合影響。為了分析稻草纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的密度對抗壓強(qiáng)度的影響，對抗壓強(qiáng)度與密度之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合，如圖6所示，試件的抗壓強(qiáng)度隨密度增加呈冪函數(shù)增加關(guān)系，抗壓強(qiáng)度P與密度ρ之間的關(guān)系式為P=2.64×10^-7ρ^2.58，R²=0.98，擬合效果良好。

2.4 抗折強(qiáng)度

圖7給出了泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度與纖維摻量之間的關(guān)系，由圖7可知：

1）水膠比不同，纖維摻量對泡沫混凝土抗折強(qiáng)度的影響不同。當(dāng)水膠比為0.45時，試件的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增加后降低。當(dāng)水膠比為0.5時，試件的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增加。這是因?yàn)榈静堇w維增強(qiáng)泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度主要受纖維摻量和泡孔特征的影響。當(dāng)水膠比較低時，膠凝漿體含水率較低。隨著纖維摻量的增加，纖維的吸水作用使泡孔尺寸和連通泡孔數(shù)量的增幅較大，從而導(dǎo)致纖維的“加筋”作用降低嚴(yán)重。當(dāng)纖維摻量過高時，在加載過程中，隨著裂縫的開展，纖維在較低荷載水平下便被拔出。因此，當(dāng)纖維摻量達(dá)到一定數(shù)值后，抗折強(qiáng)度不升反降；當(dāng)水膠比較高時，膠凝漿體含水率高，泡孔尺寸和連通泡孔數(shù)量的增幅較小，纖維與基體黏結(jié)力高，“加筋”作用明顯，因此強(qiáng)度持續(xù)增加。

2）相同水膠比，發(fā)泡劑摻量不同，纖維摻量對?試件抗折強(qiáng)度的影響也不相同。當(dāng)水膠比為0.45時，纖維對低發(fā)泡劑摻量試件的抗折強(qiáng)度提升率大于高發(fā)泡劑摻量的試件，0.5水膠比的試件也有類似結(jié)論。分析原因：由于水膠比固定，0.3%發(fā)泡劑摻量所需的發(fā)泡用水相對較少，膠凝漿體含水率相對較高，纖維的吸水作用對泡孔結(jié)構(gòu)的影響相對較小。除此之外，低發(fā)泡劑摻量的試件泡沫含量低，孔壁相對較厚，纖維與膠凝基體的粘結(jié)力相對較高，“加筋”作用明顯；而0.6%發(fā)泡劑所需的發(fā)泡用水相對較多，膠凝漿體含水率降低，纖維的吸水作用對泡孔結(jié)構(gòu)的影響增加。另外，泡沫含量增加導(dǎo)致孔壁變薄，纖維的“加筋”作用降低。因此，低發(fā)泡劑摻量試件的抗折強(qiáng)度增幅更大。

2.5 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖8給出了劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維摻量之間的關(guān)系。由圖8可知：

1）泡沫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增大后減小。雖然纖維的“加筋”作用能在一定程度上提高泡沫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，但同時由于纖維的吸水作用，泡孔尺寸也隨其摻量的增加而逐漸增加，這會對強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。兩者綜合作用，使泡沫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先增加后降低。

2）水膠比相同，發(fā)泡劑摻量不同，纖維對試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響不同。例如，當(dāng)水膠比0.45時，Ⅰ系列試件的劈裂抗拉強(qiáng)度在纖維摻量為2%時達(dá)到最大值，而Ⅱ系列試件在纖維摻量為1%時達(dá)到最大。0.5水膠比的試件也有類似結(jié)論。分析原因：如圖3所示，0.3%發(fā)泡劑摻量試件在纖維摻量為2%時的泡孔尺寸與0.6%發(fā)泡劑摻量試件在纖維摻量為1%時的泡孔尺寸相當(dāng)甚至更小，即纖維的吸水作用對低發(fā)泡劑摻量試件的泡孔結(jié)構(gòu)影響較小，因此最大劈裂抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的纖維摻量相對較高。

3）在劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值后，在發(fā)泡劑摻量相同的情況下，纖維摻量的增加對0.45水膠比試件劈裂抗拉強(qiáng)度的降低程度大于0.5水膠比的試件。且當(dāng)纖維摻量超過一定數(shù)值后，0.45水膠比試件的劈裂抗拉強(qiáng)度甚至低于素泡沫混凝土。原因是當(dāng)發(fā)泡劑摻量相同時，由于纖維的吸水作用，低水膠比試件泡孔尺寸明顯大于高水膠比的試件，這會使其強(qiáng)度降低更加明顯。

4）泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度會對其劈裂抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響。這是因?yàn)樵谂哑茐倪^程中，抗壓強(qiáng)度較低的試件局部壓碎現(xiàn)象更嚴(yán)重。如圖9所示，Ⅳ-4試件的局部壓碎程度明顯高于Ⅲ-4試件。為了進(jìn)一步分析劈裂抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，對兩者進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)劈裂抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)函數(shù)增加關(guān)系，如圖10所示。兩者關(guān)系式為P_s=-1.22×e^-P/5.41+1.18，式中P_s劈裂抗拉強(qiáng)度，P為抗壓強(qiáng)度。R²=0.96，擬合效果良好。

2.6 抗凍性能

為了研究纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的抗凍性能，對試件進(jìn)行30次凍融循環(huán)，然后測試并分析其抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度在凍融循環(huán)前后的變化。試件強(qiáng)度變化按式（1）計(jì)算。 （1）

式中：W為強(qiáng)度變化率；f₀為試件凍融前強(qiáng)度，MPa；f₁為試件凍融后強(qiáng)度，MPa。凍融循環(huán)后的抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度變化率見圖11～圖13。分析可知：

1）試件的抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度在經(jīng)過凍融循環(huán)之后均出現(xiàn)不同程度的降低，且降低率隨纖維摻量的增加而增加。這是因?yàn)槔w維本身吸水率高，在凍融循環(huán)過程中纖維與基體的粘結(jié)被削弱。如圖14所示，凍融循環(huán)之前，纖維與基體粘結(jié)良好；凍融循環(huán)之后，纖維與基體產(chǎn)生明顯的間隙，這會使纖維的增強(qiáng)作用降低，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

2）凍融循環(huán)后，纖維的摻量對抗折強(qiáng)度降低率影響最大，劈裂抗拉強(qiáng)度次之，抗壓強(qiáng)度最小。這是因?yàn)榕菽炷量箟簭?qiáng)度主要取決于泡孔結(jié)構(gòu)和膠凝基體強(qiáng)度，纖維本身對抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對較小。而對于抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度，膠凝基體的抗拉強(qiáng)度較低，纖維對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對較大。凍融循環(huán)之后，纖維與膠凝基體之間的粘結(jié)作用削弱嚴(yán)重，而對膠凝基體本身的損傷較小，因此，抗壓強(qiáng)度降低率小于抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

3）低纖維摻量對抗壓強(qiáng)度降低率的影響較小，在達(dá)到一定數(shù)值后，其對抗壓強(qiáng)度降低率的影響變大。例如Ⅰ、Ⅲ系列試件的抗壓強(qiáng)度降低率在纖維摻量超過2%后突然增大，Ⅱ、Ⅳ系列試件在超過3%后突然增大。

4）對于含有稻草纖維的試件，在同一水膠比下，0.3%發(fā)泡劑摻量試件的抗折/劈裂抗拉強(qiáng)度降低率低于0.6%發(fā)泡劑摻量的試件，在同一發(fā)泡劑摻量下，0.5水膠比試件的抗折/劈裂抗拉強(qiáng)度降低率低于0.45水膠比的試件；劈裂抗拉強(qiáng)度降低率也有類似的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

1）纖維摻量較低時，其“滯留”作用較弱，受纖維吸水的影響，泡沫破滅量相對較大，試件密度增加；纖維摻量較高時，“滯留”作用增強(qiáng)，泡沫破滅量減小，試件密度降低。纖維摻量對試件密度的影響隨水膠比和發(fā)泡劑摻量的不同而不同。

2）高吸水、滲水率稻草纖維的摻入使泡孔尺寸和連通泡孔數(shù)量增加，泡沫混凝土的吸水率隨纖維摻量的增加而增加。

3）抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增加后減小。在一定摻量范圍內(nèi)，纖維對低密度等級泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅更為明顯?？箟簭?qiáng)度隨密度增加呈冪函數(shù)增長。

4）劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增加后減小。低發(fā)泡劑摻量試件的最大強(qiáng)度對應(yīng)的纖維摻量更高。在達(dá)到最大強(qiáng)度后，纖維摻量對高水膠比試件強(qiáng)度的影響小于低水膠比的試件。劈裂抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加呈指數(shù)增加關(guān)系。

5）稻草纖維的加入能顯著提高泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度，強(qiáng)度增幅受纖維摻量、水膠比和發(fā)泡劑摻量的綜合影響。0.5水膠比試件的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增加，0.45水膠比試件的抗折強(qiáng)度在纖維摻量超過一定限值后不增反降。纖維對低發(fā)泡劑摻量試件的抗折強(qiáng)度提升更大。

6）凍融循環(huán)對纖維與膠凝基體的粘結(jié)損傷較大。隨著纖維摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度在凍融循環(huán)之后的損失率均逐漸增加，且損失程度：抗折強(qiáng)度>劈裂抗拉強(qiáng)度>抗壓強(qiáng)度。

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（編輯??王秀玲）