纤维泡沫混凝土复合材料的制备与性能研究

纤维泡沫混凝土复合材料的制备与性能研究

0提高材料的力学性能泡沫混凝土中存在许多封闭孔，具有良好的耐寒性。它通常用于建筑物的墙体保温隔热材料。但泡沫混凝土存在着料浆稳定性差、强度低、收缩大、易开裂吸水、韧性较差等问题,限制了它的广泛应用。大量研究表明,纤维在水泥基材料中可起到增强、阻裂和增韧的作用。在轻质保温材料方面,在微孔轻质混凝土系列墙体制品中加入短切聚丙烯纤维,可以明显改善柔韧性;利用掺加改性聚丙烯纤维的膨胀珍珠岩制作的轻质保温隔热建筑砌块,保温隔热性能明显优于传统的普通混凝土,且解决了墙体干缩开裂、二次装修困难等问题;纤维能显著降低节能砌块混凝土的脆性,提高其抗折强度及抗渗性和热工性能。纤维用在墙体保温材料中具有较好的效果,在泡沫混凝土中采用纤维是否也能起到较好的改性作用,研究报道极少。文献认为,可以通过增加纤维来改善其力学性能,其中碳纤维能有效增大基材的强度和断裂韧性。本文的研究,着眼于解决泡沫混凝土应用中的问题,采用玻璃纤维来改进泡沫混凝土,考察了纤维对泡沫混凝土物理力学性能的影响,制备出性能较好的纤维泡沫混凝土材料。1测试1.1原材料(1)骨料安徽舒城产特细砂,实测表观密度为2.65g/cm3,堆积密度为1.6g/cm3,细度模数为1.2。(2)水泥选用巢东股份东关水泥厂生产的东关牌42.5级普通硅酸盐水泥,其化学成分、矿物组成及有关技术性能指标见表1和表2所列。(3)纤维采用了一种抗碱玻璃纤维,其物理力学性能见表3所列。(4)发泡剂本试验采用一种植物性发泡剂。1.2纤维掺量调整设计2类配合比:Ⅰ类是在其他材料不变的情况下,外掺体积率为0.15%、0.3%、0.45%和0.6%的纤维,纤维掺量以达到均匀分散、混凝土成型密实为限,体积率较低;Ⅱ类是密度相等(湿密度控制在(1150±15)kg/m3),掺入较多的纤维(外掺体积掺量分别为0.4%、0.8%、1.2%和1.6%),调整水用量,保证纤维均匀分散、成型密实。考察2类混凝土中纤维对泡沫混凝土密度、强度、韧性、收缩和导热性等性能的影响,具体配合比见表4所列。1.3测试方法(1)发泡剂和水按比例混合制备泡沫成型工艺:先将水泥和砂干拌1min,然后加水(扣除泡沫制备用水)搅拌2min,加入纤维搅拌4min(不掺纤维的省去此步);砂浆搅拌的同时,将发泡剂和水按比例混合用高速搅拌机制备泡沫。将制备好的泡沫加到砂浆中一起搅拌2min,最后将泡沫混凝土浇注到试模中,用木板刮平表面。试件放在(20±1)℃,湿度为60±5%,2d拆模,然后放在混凝土标准养护室内养护至28d进行性能测试。(2)强型混凝土—测试方法。测试强度和韧性的试件尺寸为40mm×40mm×160mm,标准养护28d取出,擦干表面水分,在水泥强度试验机上测试抗压强度和抗折强度。采用四点弯曲试验测试弯曲韧性,支座间距135mm。在电子万能试验机上测定试件荷载-挠度曲线,试验在初裂前的加荷速度为0.03kN/s,初裂后的挠度变化速度为0.03mm/min。采用日本土木工程协会的JCI-SF4当量抗折强度法计算泡沫混凝土韧性。此方法采用(1)式来计算当量抗折强度或弯曲韧性系数,即其中,σb表示当量抗折强度或弯曲韧性系数;Tb表示挠度为δtb时曲线下的面积;L表示试件跨度;δtb表示预定挠度L/150=0.8mm;b、h分别为梁的宽度和高度。测试导热系数试件尺寸为300mm×300mm×50mm,试件标准养护25d后,放入电热鼓风干燥箱内,在(105±5)℃温度下连续烘3d,然后取出试件,放到干燥器中冷却至室温,用导热系数测定仪测定导热系数。测试干燥收缩的试件尺寸25mm×25mm×280mm,试件两端安置铜头,试件拆模后标准养护2d,然后取出试件放到恒温恒湿室,控制恒温恒湿室温度在(20±1)℃,湿度为60±5%,用水泥比长仪测定试件初始长度,并在3d、7d、14d、28d、45d和60d测定干燥收缩量。2试验结果与分析2.1纤维泡沫混凝土的性能玻璃纤维泡沫混凝土的各项性能,见表5所列。2.2水灰比对泡沫混凝土抗压强度的影响主要考从表5可以看出,随着玻璃纤维掺量的增加,Ⅰ类配合比的泡沫混凝土的抗压强度不断下降。通常,强度取决于水灰比,而对纤维泡沫混凝土,尽管水灰比是相同的,但强度却不断下降,而随干密度的降低而降低。Ⅱ类配合比的混凝土的抗压强度随着纤维掺量的增加先有所增大,然后又有一定程度的降低。HGF00、HGF01和HGF02的水灰比为0.80,而HGF03和HGF04的水灰比分别为0.87和0.93,等湿密度的泡沫混凝土,抗压强度随水灰比增加而降低,而当水灰比不变时,掺入玻璃纤维使泡沫混凝土的抗压强度有一定程度增加,玻璃纤维体积率为0.8%时,泡沫混凝土的抗压强度为4.55MPa,比不掺玻璃纤维的增大30.7%;等密度时抗压强度也随着干密度的降低而降低。Ⅰ类配合比的泡沫混凝土的抗折强度与抗压强度的规律相同,但Ⅱ类配合比的则不相同,不管水灰比是否增加,抗折强度随玻璃纤维体积率的增加而不断增大,不掺玻璃纤维的抗弯强度为1.18MPa,当纤维体积率为1.6%时,抗弯强度增大到2.87MPa,增大143%,增强效果非常明显。由此可见,在混凝土湿密度相同的情况下,玻璃纤维可以明显改善泡沫混凝土的力学性能。2.3拉伸力学性能Ⅰ类配合比纤维掺量较低,纤维对混凝土的增韧效果较差。图1所示是Ⅱ类配合比玻璃纤维泡沫混凝土的四点弯曲荷载-挠度曲线,从图1中可以看出,随着玻璃纤维体积率的增大,最大弯曲荷载不断增大,与抗折强度试验结果一致。通过(1)式,分别计算出HGF00—HGF04的当量抗折强度为0.18、0.52、1.08、1.49和1.64MPa。玻璃纤维掺量为1.6%的泡沫混凝土的韧性比素泡沫混凝土的韧性增加了8.1倍,由此可以看出玻璃纤维对改善泡沫混凝土的韧性效果明显。2.4导热系数的影响从表5数据结果可见,Ⅰ类配合比泡沫混凝土的导热系数随纤维体积掺量的增加大致呈下降趋势,当纤维掺量为0.6%时导热系数降低了20.9%,这是由于加入纤维后泡沫混凝土孔隙率增大导致导热系数降低。而对于Ⅱ类配合比,5个试样的导热系数相差很小,显示等湿密度下,混凝土的导热性能差别很小。固体的传热机理主要是靠弹性波动的作用,愈致密的介质中,弹性波传播能量越容易,导热系数主要取决于材料的干表观密度。从表5可以看出,这些试样的干燥密度相差也不大,可见泡沫混凝土导热系数,主要取决于其干燥密度。2.5泡沫混凝土干缩缩的变化等密度玻璃纤维系列干燥收缩试验结果,见表6所列。在泡沫混凝土中掺入少量抗碱玻璃纤维可使泡沫混凝土的干燥收缩得到一定程度的限制,随着纤维量的增加,泡沫混凝土的干燥收缩值逐渐减小,但是效果不是特别明显,早期干缩降低较多。从表6中的试验结果可以看出,素泡沫混凝土60d的干燥收缩值达到2320.3×10-6。当掺入体积率为0.6%的抗碱玻璃纤维后,泡沫混凝土的3d干燥收缩降低了10.21%,60d干缩降低3.56%。根据表6中的试验结果,当玻璃纤维掺量达到1.6%时,泡沫混凝土的干燥收缩得到很大程度的降低,3d、7d和14d的干燥收缩分别降低40.5%、33.7%和18.68%,纤维对泡沫混凝土早期干缩的抑制作用非常明显。3纤维对泡沫混凝土性能的影响(1)泡沫混凝土的抗压强度主要取决于干密度。湿密度不同的泡沫混凝土,强度与水灰比无关;湿密度相同的泡沫混凝土,强度随水灰比的提高而降低。与同湿密度等级的素泡沫混凝土相比,掺入玻璃纤维,混凝土抗压强度稍有提高,抗折强度有较大提高。当控制灰砂比和泡沫混凝土干燥密度不变时,玻璃纤维使泡沫混凝土的抗压强度最大增大30%,抗折强度最大提高143%,同时使其韧性得到极大提高,韧性最大提高8