朱蓓蓉，黎 志，馬一平，王 洋，楊曉杰

(同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804)

隨著我國對(duì)建筑節(jié)能的日益重視，以泡沫混凝土為代表的新型輕質(zhì)保溫材料也日益得到重視，它具有很多優(yōu)良的性能，如密度小，可用于建筑物的內(nèi)外墻體以及非承重部位;保溫絕熱性能好，特別是干表觀密度低于500kg/m3的泡沫混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)一般小于0.09w/(m.k)，是一種良好的保溫絕熱材料［1］。但是與此同時(shí)，與普通水泥混凝土一樣，泡沫混凝土也一樣存在收縮開裂的問題，因此影響了泡沫混凝土的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

為了改善泡沫混凝土的收縮開裂問題，通過摻加各類短切纖維，如聚丙烯纖維、玻璃纖維等，能取得較好的效果。鄭念念等［2］研究發(fā)現(xiàn):摻加聚丙烯纖維后，泡沫混凝土28d 的干燥收縮值降低了2.5%，說明聚丙烯纖維能改善泡沫混凝土的干縮;李啟金等［3］研究了改性聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土塑性收縮開裂、力學(xué)性能及泡孔結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明:聚丙烯纖維可改善泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)，并降低其塑性收縮開裂、細(xì)化其塑性收縮裂縫，同時(shí)可提高其抗折、抗壓強(qiáng)度及彎曲韌性。國內(nèi)外針對(duì)纖維對(duì)泡沫混凝土的收縮開裂影響的研究較多，但對(duì)于表觀密度300kg/m3以下的超輕泡沫混凝土開裂的影響則未見有相關(guān)研究報(bào)道，為此本試驗(yàn)采用物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法分別制備出干表觀密度在300kg/m3以下的超輕泡沫混凝土，比較兩種泡沫混凝土的力學(xué)性能，研究聚丙烯纖維摻量和發(fā)泡方式對(duì)超輕泡沫混凝土塑性收縮開裂和硬化收縮開裂的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料及儀器

1.1.1 原材料

(1)水泥:上海海螺水泥廠生產(chǎn)的P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥;(2)聚丙烯纖維:上海金山石化廠生產(chǎn)，纖維長度為9mm;(3)粉煤灰:上海石洞口電廠出產(chǎn)的II 級(jí)粉煤灰;(4)氯化鈣:上海毫升化學(xué)有限公司生產(chǎn);(5)減水劑:湖南岳陽產(chǎn)雨虹牌聚羧酸減水劑;(6)發(fā)泡劑:物理發(fā)泡劑(河南華泰HTW-I 復(fù)合發(fā)泡劑)，化學(xué)發(fā)泡劑(上海遠(yuǎn)大公司產(chǎn)27.5%雙氧水);(7)穩(wěn)泡劑:河北產(chǎn)穩(wěn)泡劑。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

(1)JJ-5 型水泥膠砂攪拌機(jī);(2)物理發(fā)泡機(jī)(上海華凝自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn));(3)精度為0.1g的電子天平;(4)914mm×610mm×20mm 的木模;(5)KON-FK(N)型數(shù)顯裂縫寬度測試儀。

1.2 泡沫混凝土的制備

物理法制備泡沫混凝土:按照發(fā)泡劑與水的不同比例配制發(fā)泡溶液，用物理發(fā)泡機(jī)發(fā)泡后將泡沫靜置5min，同時(shí)按照一定水灰比的水泥、水?dāng)嚢?min 后，加入速凝劑等外加劑及纖維攪拌3min，隨后將泡沫與料漿混合均勻，成型試件進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

化學(xué)法制備泡沫混凝土:先在砂漿攪拌機(jī)中加入一定量水，按一定配合比稱取膠凝材料及其它混合材，攪拌180s 后成均勻漿體，然后加入一定量的雙氧水，攪拌約6-8s 后停止攪拌，迅速將制得的泡沫混凝土漿體倒出，成型后進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)將分別用物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法制備出250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三個(gè)密度等級(jí)的超輕泡沫混凝土(定義一個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土干表觀密度變化范圍為±20kg/m3，如200kg/m3密度等級(jí)的泡沫混凝土，其干表觀密度變化范圍為180-220kg/m3)。原材料的配合比如表1、表2 所示。

表1 物理法泡沫混凝土試驗(yàn)配比

表1 中原材料的用量均是與以水泥用量為基準(zhǔn)的比值，聚丙烯纖維的摻量為0、0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3。

表2 化學(xué)法泡沫混凝土試驗(yàn)配比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 塑性收縮開裂試驗(yàn)方法(Karri 板法)

泡沫混凝土的塑性收縮開裂試驗(yàn)借鑒普通水泥基材料的塑性階段收縮開裂實(shí)驗(yàn)方法，采用914mm ×610mm×20mm 的木模，上下層間用塑料薄膜隔開，木模內(nèi)Φ8mm 的矩形鋼筋架與模板周邊距離均為20mm，鋼筋架4 個(gè)頂點(diǎn)處用細(xì)鋼絲做成約6mm 的撐腳以免鋼筋與模底接觸。水泥基材料收縮時(shí)受到鋼筋架限制，由此產(chǎn)生的裂紋只在鋼筋架范圍內(nèi)。將拌合料沿木模中心螺旋式向試模邊緣澆注，直至拌合料自動(dòng)流滿整個(gè)木模，立即用鋁合金刮尺刮平試件表面。成型后即打開位于試模短邊的風(fēng)速約為3.5m/s 的電風(fēng)扇，并開啟位于試模上方1.5m 處的1000W 碘鎢燈，光照4h 后關(guān)燈，風(fēng)吹24h 后關(guān)閉電風(fēng)扇，然后用KONFK(N)型數(shù)顯裂縫寬度測試儀(檢測范圍:0.01～3.00mm，估測精度:0.01mm)測量試件的裂縫寬度，按照裂縫寬度分段測量裂縫長度Ii，與表3 中列出的裂縫寬度權(quán)值A(chǔ)i 一起，計(jì)算塑性收縮開裂權(quán)重值W =ΣAi·Ii，用塑性收縮開裂權(quán)重值來表征泡沫混凝土塑性收縮開裂的程度。

表3 裂縫寬度權(quán)值表

1.3.2 硬化干縮開裂試驗(yàn)方法

泡沫混凝土硬化早期干燥收縮開裂試驗(yàn)方法如下:將攪拌好的泡沫混凝土漿體澆注到如圖1 所示的硬化早期收縮開裂試模中。試樣是內(nèi)徑為150mm、高為150mm、厚度20mm 的圓筒體，以外徑為150mm、高為150mm、厚度為30mm 的鋼制圓筒體置于其內(nèi)部作為約束體。試件成型后在烘箱內(nèi)加速干燥，以升溫10℃/h、恒溫1h 的升溫制度升溫至70℃，然后恒溫干燥試件放入烘箱3d 后取出［4］。硬化收縮開裂試件的裂縫寬度測量方法和開裂權(quán)重值計(jì)算方法同塑性收縮開裂試驗(yàn)，用測得的硬化收縮開裂權(quán)重值來表征泡沫混凝土的硬化收縮開裂程度。

圖1 泡沫混凝土硬化早期收縮開裂試模

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 兩種發(fā)泡方式制備的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度比較

兩種發(fā)泡方式制備出的泡沫混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度隨干表觀密度的變化如圖2 所示。對(duì)比可知，采用兩種發(fā)泡方式制備而出的超輕泡沫混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度存在較大差別。在干表觀密度為80～160kg/m3時(shí)，其28d 抗壓強(qiáng)度差異不大;但在干表觀密度為160～270kg/m3的范圍內(nèi)，化學(xué)發(fā)泡法泡沫混凝土的28d抗壓強(qiáng)度隨干表觀密度的增長而增大，而物理發(fā)泡法泡沫混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度則基本沒有變化。因此，在制備超低表觀密度的水泥基材料時(shí)，化學(xué)法制備出的超輕泡沫混凝土的力學(xué)性能比物理法制備的要好。

圖2 泡沫混凝土在兩種發(fā)泡方式下抗壓強(qiáng)度與干表觀密度之間的關(guān)系

2.2 聚丙烯纖維摻量對(duì)泡沫混凝土塑性收縮開裂的影響

由劉靜靜的相關(guān)研究［5］可知:在物理法制備的泡沫混凝土中，干表觀密度對(duì)泡沫混凝土的塑性收縮開裂有著顯著影響。當(dāng)干表觀密度在1553-761kg/m3范圍內(nèi)時(shí)，泡沫混凝土的塑性收縮開裂權(quán)重值較小，且隨著干表觀密度的降低，開裂權(quán)重值緩慢降低;在干表觀密度為578-310kg/m3的范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)塑性收縮開裂現(xiàn)象;但是隨著干表觀密度(310-80kg/m3)的降低，水泥基材料的開裂權(quán)重值急劇上升;干表觀密度為80kg/m3，泡沫混凝土的開裂權(quán)重值可高達(dá)3632cm。因此超低表觀密度(干表觀密度≤250 kg/m3)的泡沫混凝土的塑性收縮開裂現(xiàn)象比較嚴(yán)重，值得進(jìn)行深入研究。

本試驗(yàn)用物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法分別制備出200kg/m3密度等級(jí)的泡沫混凝土，研究聚丙烯纖維的摻量對(duì)泡沫混凝土塑性收縮開裂的影響，如圖3 所示，可以得出以下結(jié)論:(1)不摻聚丙烯纖維時(shí)，用物理法制備的泡沫混凝土的塑性收縮開裂權(quán)重值高達(dá)786cm，而化學(xué)法泡沫混凝土的權(quán)重值僅為261cm，且物理法泡沫混凝土的塑性收縮裂縫很明顯，其裂縫寬度大都在1mm～2mm，直接用肉眼可以清晰地觀察到，而化學(xué)法泡沫混凝土的塑性收縮裂縫則較小，一般在0～0.5mm范圍內(nèi)，須借助裂縫寬度測試儀才能進(jìn)行觀察;(2)聚丙烯纖維摻量在0-0.6kg/m3時(shí)，物理法和化學(xué)法制備的泡沫混凝土的塑性收縮開裂權(quán)重值都會(huì)急劇降低，其權(quán)重值分別由786cm 降至192cm 和由261cm 降至76cm，減裂率分別為75.5% 和70.9%。纖維摻量在0.6～1.8kg/m3時(shí)，物理法泡沫混凝土的塑性收縮開裂權(quán)重值由192cm 降至49cm，化學(xué)法泡沫混凝土的塑性收縮開裂權(quán)重值由76cm 降至7cm;(3)聚丙烯纖維對(duì)兩種發(fā)泡方式制備的泡沫混凝土的總減裂率分別為93.8%和97.3%，說明聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土的塑性收縮開裂的減裂效果顯著。

圖3 聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土塑性收縮開裂的影響

2.3 聚丙烯纖維摻量對(duì)泡沫混凝土硬化收縮開裂的影響

2.3.1 不摻纖維時(shí)表觀密度對(duì)物理法泡沫混凝土硬化收縮開裂的影響

劉靜靜［5］對(duì)不摻聚丙烯纖維時(shí)的物理法泡沫混凝土的硬化收縮開裂隨干表觀密度的變化進(jìn)行了相關(guān)研究，見圖4。由圖4 可知:在表觀密度1524～270 kg/m3的范圍內(nèi)，泡沫混凝土的硬化收縮開裂權(quán)重值較小且基本沒有太大增長。但是在270～80kg/m3范圍內(nèi)，泡沫混凝土的硬化收縮開裂權(quán)重值隨著表觀密度的降低而急劇增大，收縮開裂權(quán)重值由270kg/m3的46.8cm增至80kg/m3時(shí)的153cm。因此研究聚丙烯纖維對(duì)超低表觀密度(≤250kg/m3)泡沫混凝土硬化收縮開裂影響的研究就顯得尤為重要。

圖4 不摻纖維時(shí)物理法泡沫混凝土硬化收縮開裂隨表觀密度的變化

2.3.2 纖維摻量對(duì)泡沫混凝土硬化收縮開裂的影響

采用物理發(fā)泡法制備超輕泡沫混凝土，并選取干表觀密度為250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象，分別在三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土試樣中摻入聚丙烯纖維，通過改變聚丙烯纖維的摻量來研究不同摻量的聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土硬化收縮開裂的影響，得到泡沫混凝土的硬化收縮開裂權(quán)重值與聚丙烯纖維摻量的關(guān)系，見圖5。由圖5 可知，三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土的硬化收縮開裂權(quán)重值均隨著聚丙烯纖維摻量的增加而減小，在未摻纖維時(shí)，250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土的硬化收縮開裂權(quán)重值分別為37.8cm、61.2cm 和80.4cm，當(dāng)纖維摻量在1.8kg/m3時(shí)，三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土的收縮開裂基本消失，其開裂權(quán)重值分別為0、0 和4.8cm，聚丙烯纖維對(duì)三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土的減裂率分別為100%、100%、94%。

圖5 物理法中纖維摻量對(duì)泡沫混凝土硬化早期開裂的影響

在采用化學(xué)發(fā)泡法時(shí)，同樣研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土硬化收縮開裂的影響，如圖6 所示，可知聚丙烯纖維摻量對(duì)化學(xué)法泡沫混凝土硬化收縮開裂的影響規(guī)律與物理發(fā)泡法相仿。在不摻聚丙烯纖維時(shí)，三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土的開裂權(quán)重值分別為11.8cm、22.3cm、41.7cm。當(dāng)聚丙烯纖維摻量提高到1.8kg/m3時(shí)，其開裂權(quán)重值分別為0、0、1.5cm，說明此時(shí)泡沫混凝土的硬化收縮裂縫基本消失，聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土的減裂率分別為100%、100%、96.4%。

由上可知，不管是物理發(fā)泡法還是化學(xué)法制備的泡沫混凝土，其硬化早期收縮開裂均會(huì)隨著聚丙烯纖維摻量的增加而減少，到一定摻量時(shí)其硬化收縮裂縫就會(huì)基本消失，這是因?yàn)?(1)超低表觀密度泡沫混凝土(≤250kg/m3)的孔隙率較大，微裂縫也較多，泡沫混凝土在硬化過程中，如果泡沫混凝土的開裂抗拉強(qiáng)度低于其收縮應(yīng)力，那么泡沫混凝土里的微小裂縫就會(huì)擴(kuò)展，而隨著聚丙烯纖維摻入泡沫混凝土中，亂向分布的纖維能跨越裂縫起到橋接作用，緩解了裂縫的尖端應(yīng)力集中，增加了裂縫的擴(kuò)張阻力，從而提高了泡沫混凝土的斷裂能;(2)泡沫混凝土的彈性模量較小，如干表觀密度為205kg/m3的泡沫混凝土的彈性模量僅約為180MPa［6］，而聚丙烯纖維的彈性模量約為8GPa，由于聚丙烯纖維的彈性模量比泡沫混凝土大得多，因此在裂紋擴(kuò)展過程中，由于毛細(xì)管失水收縮產(chǎn)生的能量能被聚丙烯纖維所吸收，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，吸收的能量就越多，泡沫混凝土硬化收縮產(chǎn)生的裂縫也越少，當(dāng)纖維摻量到一定量時(shí)，泡沫混凝土的硬化收縮開裂能夠基本消失［7］。

圖6 化學(xué)法中纖維摻量對(duì)泡沫混凝土硬化早期開裂的影響

比較兩種發(fā)泡方式制備得到的泡沫混凝土，可知在相同的聚丙烯纖維摻量下，化學(xué)法制備的250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土硬化干縮開裂權(quán)重值均比物理法制備的泡沫混凝土的開裂權(quán)重值要小得多。兩種發(fā)泡方式制備的泡沫混凝土的硬化收縮開裂的裂縫形貌如圖7a、7b 所示，可知化學(xué)法泡沫混凝土的收縮裂縫要比物理法的小，究其原因可能是:化學(xué)發(fā)泡法和物理發(fā)泡法的發(fā)泡機(jī)理不同而導(dǎo)致其泡孔結(jié)構(gòu)的不同［8］，利用化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫混凝土是先將水泥等膠凝材料、添加劑和摻合料等攪拌成均勻漿體后再加入化學(xué)發(fā)泡劑，然后高速攪拌一段時(shí)間，使發(fā)泡劑均勻分布在漿體中，從而能夠得到均勻而致密的氣泡，分散在水泥漿體之間，待泡沫混凝土成型后，其結(jié)構(gòu)中的孔洞細(xì)而均勻，在硬化過程中，由于毛細(xì)管失水收縮而導(dǎo)致的裂紋在擴(kuò)展時(shí)，會(huì)被這些小的氣孔阻隔，因此裂紋比較細(xì)而短小;而采用物理發(fā)泡法制備的泡沫混凝土是將發(fā)好的泡沫加入水泥漿中攪拌，泡沫在漿體中不可能完全均勻地分布，會(huì)出現(xiàn)較大的氣孔，在泡沫混凝土硬化過程中，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一些微裂紋會(huì)由于較大的氣孔被破壞而連通，導(dǎo)裂紋在泡沫混凝土硬化干縮的過程中隨著水泥水化而擴(kuò)展，進(jìn)而出現(xiàn)較大的裂縫。

圖7 不摻纖維時(shí)兩種泡沫混凝土的硬化干縮開裂試件

3 結(jié) 論

(1)在干表觀密度為250kg/m3以下時(shí)，化學(xué)法制備出的泡沫混凝土的力學(xué)性能比物理法制備的泡沫混凝土要好。

(2)摻加聚丙烯纖維對(duì)干表觀密度為200kg/m3的泡沫混凝土的塑性收縮開裂的減裂效果顯著。在聚丙烯纖維摻量為1.8kg/m3時(shí)，物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法兩種發(fā)泡方式制備的泡沫混凝土的塑性收縮開裂現(xiàn)象基本消失。

(3)聚丙烯纖維能夠有效降低甚至消除泡沫混凝土硬化收縮開裂。聚丙烯纖維對(duì)250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3密度等級(jí)的物理法泡沫混凝土的減裂率分別為100%、100%、94%，相應(yīng)的化學(xué)法泡沫混凝土的減裂率分別為100%、100%、96.4%，兩者效果類似。

在相同聚丙烯纖維摻量時(shí)時(shí)，化學(xué)法制備的250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土硬化干縮開裂權(quán)重值均比物理法制備的同對(duì)應(yīng)密度等級(jí)泡沫混凝土的硬化收縮開裂權(quán)重值小。

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