纖維泡沫混凝土復合材料的制備與性能研究

0提高材料的力學性能泡沫混凝土中存在許多封閉孔，具有良好的耐寒性。它通常用于建筑物的墻體保溫隔熱材料。但泡沫混凝土存在著料漿穩(wěn)定性差、強度低、收縮大、易開裂吸水、韌性較差等問題,限制了它的廣泛應用。大量研究表明,纖維在水泥基材料中可起到增強、阻裂和增韌的作用。在輕質(zhì)保溫材料方面,在微孔輕質(zhì)混凝土系列墻體制品中加入短切聚丙烯纖維,可以明顯改善柔韌性;利用摻加改性聚丙烯纖維的膨脹珍珠巖制作的輕質(zhì)保溫隔熱建筑砌塊,保溫隔熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的普通混凝土,且解決了墻體干縮開裂、二次裝修困難等問題;纖維能顯著降低節(jié)能砌塊混凝土的脆性,提高其抗折強度及抗?jié)B性和熱工性能。纖維用在墻體保溫材料中具有較好的效果,在泡沫混凝土中采用纖維是否也能起到較好的改性作用,研究報道極少。文獻認為,可以通過增加纖維來改善其力學性能,其中碳纖維能有效增大基材的強度和斷裂韌性。本文的研究,著眼于解決泡沫混凝土應用中的問題,采用玻璃纖維來改進泡沫混凝土,考察了纖維對泡沫混凝土物理力學性能的影響,制備出性能較好的纖維泡沫混凝土材料。1測試1.1原材料(1)骨料安徽舒城產(chǎn)特細砂,實測表觀密度為2.65g/cm3,堆積密度為1.6g/cm3,細度模數(shù)為1.2。(2)水泥選用巢東股份東關水泥廠生產(chǎn)的東關牌42.5級普通硅酸鹽水泥,其化學成分、礦物組成及有關技術性能指標見表1和表2所列。(3)纖維采用了一種抗堿玻璃纖維,其物理力學性能見表3所列。(4)發(fā)泡劑本試驗采用一種植物性發(fā)泡劑。1.2纖維摻量調(diào)整設計2類配合比:Ⅰ類是在其他材料不變的情況下,外摻體積率為0.15%、0.3%、0.45%和0.6%的纖維,纖維摻量以達到均勻分散、混凝土成型密實為限,體積率較低;Ⅱ類是密度相等(濕密度控制在(1150±15)kg/m3),摻入較多的纖維(外摻體積摻量分別為0.4%、0.8%、1.2%和1.6%),調(diào)整水用量,保證纖維均勻分散、成型密實?？疾?類混凝土中纖維對泡沫混凝土密度、強度、韌性、收縮和導熱性等性能的影響,具體配合比見表4所列。1.3測試方法(1)發(fā)泡劑和水按比例混合制備泡沫成型工藝:先將水泥和砂干拌1min,然后加水(扣除泡沫制備用水)攪拌2min,加入纖維攪拌4min(不摻纖維的省去此步);砂漿攪拌的同時,將發(fā)泡劑和水按比例混合用高速攪拌機制備泡沫。將制備好的泡沫加到砂漿中一起攪拌2min,最后將泡沫混凝土澆注到試模中,用木板刮平表面。試件放在(20±1)℃,濕度為60±5%,2d拆模,然后放在混凝土標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至28d進行性能測試。(2)強型混凝土—測試方法。測試強度和韌性的試件尺寸為40mm×40mm×160mm,標準養(yǎng)護28d取出,擦干表面水分,在水泥強度試驗機上測試抗壓強度和抗折強度。采用四點彎曲試驗測試彎曲韌性,支座間距135mm。在電子萬能試驗機上測定試件荷載-撓度曲線,試驗在初裂前的加荷速度為0.03kN/s,初裂后的撓度變化速度為0.03mm/min。采用日本土木工程協(xié)會的JCI-SF4當量抗折強度法計算泡沫混凝土韌性。此方法采用(1)式來計算當量抗折強度或彎曲韌性系數(shù),即其中,σb表示當量抗折強度或彎曲韌性系數(shù);Tb表示撓度為δtb時曲線下的面積;L表示試件跨度;δtb表示預定撓度L/150=0.8mm;b、h分別為梁的寬度和高度。測試導熱系數(shù)試件尺寸為300mm×300mm×50mm,試件標準養(yǎng)護25d后,放入電熱鼓風干燥箱內(nèi),在(105±5)℃溫度下連續(xù)烘3d,然后取出試件,放到干燥器中冷卻至室溫,用導熱系數(shù)測定儀測定導熱系數(shù)。測試干燥收縮的試件尺寸25mm×25mm×280mm,試件兩端安置銅頭,試件拆模后標準養(yǎng)護2d,然后取出試件放到恒溫恒濕室,控制恒溫恒濕室溫度在(20±1)℃,濕度為60±5%,用水泥比長儀測定試件初始長度,并在3d、7d、14d、28d、45d和60d測定干燥收縮量。2試驗結(jié)果與分析2.1纖維泡沫混凝土的性能玻璃纖維泡沫混凝土的各項性能,見表5所列。2.2水灰比對泡沫混凝土抗壓強度的影響主要考從表5可以看出,隨著玻璃纖維摻量的增加,Ⅰ類配合比的泡沫混凝土的抗壓強度不斷下降。通常,強度取決于水灰比,而對纖維泡沫混凝土,盡管水灰比是相同的,但強度卻不斷下降,而隨干密度的降低而降低。Ⅱ類配合比的混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加先有所增大,然后又有一定程度的降低。HGF00、HGF01和HGF02的水灰比為0.80,而HGF03和HGF04的水灰比分別為0.87和0.93,等濕密度的泡沫混凝土,抗壓強度隨水灰比增加而降低,而當水灰比不變時,摻入玻璃纖維使泡沫混凝土的抗壓強度有一定程度增加,玻璃纖維體積率為0.8%時,泡沫混凝土的抗壓強度為4.55MPa,比不摻玻璃纖維的增大30.7%;等密度時抗壓強度也隨著干密度的降低而降低。Ⅰ類配合比的泡沫混凝土的抗折強度與抗壓強度的規(guī)律相同,但Ⅱ類配合比的則不相同,不管水灰比是否增加,抗折強度隨玻璃纖維體積率的增加而不斷增大,不摻玻璃纖維的抗彎強度為1.18MPa,當纖維體積率為1.6%時,抗彎強度增大到2.87MPa,增大143%,增強效果非常明顯。由此可見,在混凝土濕密度相同的情況下,玻璃纖維可以明顯改善泡沫混凝土的力學性能。2.3拉伸力學性能Ⅰ類配合比纖維摻量較低,纖維對混凝土的增韌效果較差。圖1所示是Ⅱ類配合比玻璃纖維泡沫混凝土的四點彎曲荷載-撓度曲線,從圖1中可以看出,隨著玻璃纖維體積率的增大,最大彎曲荷載不斷增大,與抗折強度試驗結(jié)果一致。通過(1)式,分別計算出HGF00—HGF04的當量抗折強度為0.18、0.52、1.08、1.49和1.64MPa。玻璃纖維摻量為1.6%的泡沫混凝土的韌性比素泡沫混凝土的韌性增加了8.1倍,由此可以看出玻璃纖維對改善泡沫混凝土的韌性效果明顯。2.4導熱系數(shù)的影響從表5數(shù)據(jù)結(jié)果可見,Ⅰ類配合比泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨纖維體積摻量的增加大致呈下降趨勢,當纖維摻量為0.6%時導熱系數(shù)降低了20.9%,這是由于加入纖維后泡沫混凝土孔隙率增大導致導熱系數(shù)降低。而對于Ⅱ類配合比,5個試樣的導熱系數(shù)相差很小,顯示等濕密度下,混凝土的導熱性能差別很小。固體的傳熱機理主要是靠彈性波動的作用,愈致密的介質(zhì)中,彈性波傳播能量越容易,導熱系數(shù)主要取決于材料的干表觀密度。從表5可以看出,這些試樣的干燥密度相差也不大,可見泡沫混凝土導熱系數(shù),主要取決于其干燥密度。2.5泡沫混凝土干縮縮的變化等密度玻璃纖維系列干燥收縮試驗結(jié)果,見表6所列。在泡沫混凝土中摻入少量抗堿玻璃纖維可使泡沫混凝土的干燥收縮得到一定程度的限制,隨著纖維量的增加,泡沫混凝土的干燥收縮值逐漸減小,但是效果不是特別明顯,早期干縮降低較多。從表6中的試驗結(jié)果可以看出,素泡沫混凝土60d的干燥收縮值達到2320.3×10-6。當摻入體積率為0.6%的抗堿玻璃纖維后,泡沫混凝土的3d干燥收縮降低了10.21%,60d干縮降低3.56%。根據(jù)表6中的試驗結(jié)果,當玻璃纖維摻量達到1.6%時,泡沫混凝土的干燥收縮得到很大程度的降低,3d、7d和14d的干燥收縮分別降低40.5%、33.7%和18.68%,纖維對泡沫混凝土早期干縮的抑制作用非常明顯。3纖維對泡沫混凝土性能的影響(1)泡沫混凝土的抗壓強度主要取決于干密度。濕密度不同的泡沫混凝土,強度與水灰比無關;濕密度相同的泡沫混凝土,強度隨水灰比的提高而降低。與同濕密度等級的素泡沫混凝土相比,摻入玻璃纖維,混凝土抗壓強度稍有提高,抗折強度有較大提高。當控制灰砂比和泡沫混凝土干燥密度不變時,玻璃纖維使泡沫混凝土的抗壓強度最大增大30%,抗折強度最大提高143%,同時使其韌性得到極大提高,韌性最大提高8