高耐碱玻纤增强泡沫混凝土探索实验研究

1前言

泡沫混凝土是在以水泥为主要胶凝材料、集料（若需要）、外加剂和水等组份共同制成的料浆中，以物理方式或化学方式引入气泡，经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的轻质多孔混凝土。泡沫混凝土含有大量独立、封闭、微小的气孔，是一种利废、环保、节能、低廉且不燃的新型建筑节能材料。

但因其自身的组成和结构特性，存在强度偏低、脆性大、易开裂、吸水率高、干缩大等问题，限制了它的广泛应用。化学发泡泡沫混凝土通常用于制备板材类预制件（外墙保温板、复合夹心墙板等），然而其存在脆性、开裂、较低的抗折强度，限制了板材尺寸的进一步增大，对于其主要产品泡沫混凝土保温板来说，尺寸通常为长300mm×宽300mm，仅为聚苯板的1/8，施工效率低的缺点严重影响其工程应用。此外，泡沫混凝土自身的脆性使其制品经常出现缺棱掉角、甚至开裂现象，同样是亟待解决的技术问题。本次试验通过在化学发泡泡沫混凝土基体中引入高耐碱玻璃纤维，研究其对泡沫混凝土抗折、抗裂等物理力学性能的影响，探索利用高耐碱玻纤改善泡沫混凝土工程应用性能的可行性。本试验通过掺入PP纤维、高耐碱玻璃纤维，在相同体积掺量的情况下，对比测试两种纤维对泡沫混凝土性能的影响。

2试验

2.1原材料

（1）水泥：基准水泥；

（2）外加剂：巴斯夫聚羧酸减水剂1641；

（3）PP纤维：6mm；

表1 聚丙烯纤维性能参数

（4）耐碱玻纤，泰山玻纤；

表2 高耐碱玻纤性能参数

（5）（物理）泡沫剂自制（稀释比例1：20，泡沫密度42g/l）；

（6）促凝剂，自制。

（7）双氧水，市售，浓度27.5%。

2.2试验流程

（1）物理发泡

首先将水泥与纤维干混均匀，加水进行搅拌(时间3min)。同时将泡沫剂按20倍稀释，并用发泡机进行发泡，称取需要的泡沫，放入搅匀的水泥浆中，搅拌30s，浇筑于三联试模中。试件16小时后脱模、标养到龄期后，放入电热鼓风干燥箱，在65±5℃烘至恒重，进行干密度、抗折强度、抗压强度测试。干缩试验参照 GB/T 11972 － 1997《加气混凝土干燥收缩试验方法》规定的方法进行。

（2）化学发泡

将配方中粉料与纤维在密封袋中进行预混合后备用；在砂浆搅拌机的搅拌锅中加入一定量的水（38℃），并加入防水剂，用玻璃棒稍作搅拌；迅速将预混料倒入搅拌锅内，慢速搅拌30s，然后转为快速搅拌，期间观察料浆稠度进行适当补水，并观察纤维分散性（是否结团）；2min后立刻加入双氧水，快速搅拌6s，停机，取下搅拌锅将料浆倾倒入聚苯乙烯泡沫模具内，静停发泡；约3min后发泡完成。原地静置24h后脱模，进行标准养护。

3实验结果分析

3.1 PP纤维与耐碱玻纤对泡沫混凝土强度影响对比

3.1.1物理发泡

实验用相同体积分数的PP纤维和耐碱玻纤来增强泡沫混凝土，基本配合比见下表

表3  PP纤维和耐碱玻纤对泡沫混凝土强度影响对比

图1  28d强度对比图

图2  7天断面照片（左侧为玻纤,右侧为PP）

图3  28天断面照片（左侧为玻纤,右侧为PP）

从7天的抗压强度和抗折强度数据来看，掺入玻纤的泡沫混凝土抗压强度、抗折强度均明显提升，抗压强度提高了30%，明显大于空白试样和PP纤维试样，主要是纤维在混凝土中乱向分布有助于削弱混凝土的塑性收缩，收缩的能量被分散到每立方米数千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上，有效增加了混凝土的韧性，抑制了混凝土微细裂缝的产生和发展，使强度得到保证。耐碱玻璃纤维的弹性模量为72GPa，远大于聚丙烯纤维(8GPa) ，高弹性模量使纤维的强度提高，不易挠曲。基体收缩时，纤维受到挤压而耐碱玻璃纤维的弹性模量越大，纤维所能分担的挤压应力也越大，纤维的限制变形的能力也越强。断面的玻纤不如PP纤维明显，说明试件抗折破坏时聚丙烯纤维大部分是从试件中被拉出，而耐碱玻纤与水泥有更好的结合，能起到更大的提高力学性能的作用。

28天的数据可以看出，空白试样、PP纤维、玻璃纤维的压折比分别为4.04、3.31和2.50，表明掺入玻璃纤维后，材料的韧性明显提升。

3.1.2化学发泡

表4  力学性能测试结果（14d）

图4 力学性能测试结果柱状对比图

对①、②、③样品进行了14d抗压、抗折、抗拉强度测定，并以压折比表征试样韧性，由于长玻纤分散问题未解决，所以暂不进行其性能测试。由表4可以看出，添加纤维后，试样的抗压强度未出现明显变化；添加聚丙烯纤维后抗折强度略高于空白样，可见聚丙烯纤维由于质地柔软不能显著提高泡沫混凝土抗折强度；添加短玻纤后抗折强度提高明显，是①空白样的3.15倍，可见短玻纤对于泡沫混凝土基体的增韧抗折作用显著。

为了模拟工厂实际生产时大体积发泡试块内部水化热温度较高的情况，在脱模后对掺加短玻纤的试样进行了24h、80℃的蒸汽养护，旨在观察高温湿热环境对掺加短玻纤试样力学性能的影响。由表4可看出，蒸养后试样的抗压强度未出现明显变化，抗折强度略有降低，但仍远高于①空白试样和②掺加聚丙烯纤维试样。

3.2不同玻纤掺量对泡沫混凝土（物理发泡）强度的影响

玻纤加入后，有很好的分散性，但是会增大浆体的稠度，随着耐碱玻纤掺量的增加，水泥浆体流动性越来越差，掺量为水泥质量2.5%时浆体过稠，试件有出现分层现象。耐碱玻纤与泡沫有很好的相容性，没有产生消泡的现象。中掺入耐碱玻璃纤维，平均孔径减小，这是因为纤维的掺入，提高了泡沫混凝土料浆的稳定性，也使泡沫（泡孔）更加稳定，不易串泡。

表5不同玻纤掺量对泡沫混凝土（物理发泡）强度的影响

不同纤维掺量对材料密度影响不大，干密度数值均在（550±10）kg/m³范围内。随着耐碱玻纤掺量的增加，浆体稠度越来越大，强度和抗折强度也不断增大，但是当掺量为水泥质量的2%（体积掺量8g/L）时，强度和抗折强度却开始下降，分析认为玻纤掺入过量会影响泡孔的正常结构，导致力学性能下降。空白样的压折比为2.87，而掺入耐碱玻璃纤维后压折比不断降低。证明耐碱玻纤可以大幅提高材料韧性。

3.3不同长度耐碱玻纤对泡沫混凝土基本性能的影响

3.3.1物理发泡

图6 玻纤不同长度对泡沫混凝土强度（7d）的影响

 图7纤维团聚在搅拌机底部              图8冲洗搅拌锅残留的纤维

不同长度纤维按照同样的掺量，同样的配比工艺进行试验，发现12mm和18mm纤维搅拌完成后，浇筑到试模时，搅拌锅底部有一层纤维团聚的料浆，如上图，说明有一定量的纤维并没有按配比混匀在料浆中，6mm和9mm纤维未发现此种情况，说明纤维长度增加后，均匀分散到泡沫料浆中的难度加大，可能需要其他形式的搅拌设备，实验室标准的立式胶砂搅拌机不能达到要求。所以在这种情况下形成的试块，12mm和18mm纤维的掺量实际并未达到1.5%。

由上表实验数据可以看到9mm玻纤压折比最小，12mm和18mm纤维实际参入量虽未达1.5%，压折比仍低于6mm和空白样，9mm时抗折强度最高，抗压强度略低于6mm玻纤的数据，说明随着纤维长度的增加，对抗折强度有很大的增大作用，由于质量掺量相同，6mm玻纤比9mm玻纤总根数要多1.5倍，这可能是6mm玻纤抗压强度稍大的一个原因。

3.3.2化学发泡

图9 短玻纤(6mm)的分散情况

图10 长玻纤(12mm)的分散性

本次实验的各种长度纤维事先经过水中分散性测试，均分散良好。18mm玻纤由于在搅拌过程中大量缠绕在叶片上，未能最终进入料浆，所以未进行成型试验。聚丙烯纤维掺量为6g/每kg粉料，各类玻纤均为15g/每kg粉料。

表6  掺加不同类型纤维泡沫砼力学性能测试结果（14d）

图11  掺加不同类型纤维泡沫砼力学性能测试结果柱状对比图

图12 掺入玻纤的化学发泡胚体

由表6和图10可以看出，当制备的泡沫混凝土为200密度等级时，掺加6mm玻纤的样品抗压强度和抗折强度均为最佳，抗折强度达到空白样的2.31倍；而掺加9mm玻纤和12mm玻纤的样品抗折强度分别是空白样的1.68倍和1.75倍。6mm玻纤在料浆中分布较为均匀，结团现象少，而9mm玻纤和12mm玻纤在泡沫混凝土料浆中易结团，导致发泡体系不均匀（如图11所示，试块顶部呈起伏状），因此所制备的泡沫混凝土强度略低于掺加6mm玻纤的样品。另外，有大量9mm玻纤和12mm玻纤缠绕在搅拌机叶片上，未能进入泡沫混凝土料浆，影响了其对基体的增强作用。

耐碱玻纤对化学发泡泡沫混凝土（干密度≤250kg/m³）性能的影响:短玻纤（6mm）在泡沫混凝土中分散较好，最大掺量为15g/每kg粉料，超量将导致塌模；本次采用的长玻纤（12mm）在泡沫混凝土中分散较差，成缕分布，不能起到增强增韧的作用，掺加短玻纤能够显著提高泡沫混凝土抗折强度，约为不掺纤维试样的3倍；掺加短玻纤后垂直板面的抗拉强度相比于不掺纤维和掺加聚丙烯纤维的样品分别提高63%和30%；掺加短玻纤对泡沫混凝土抗压强度无明显影响。

3.4耐碱玻纤对泡沫混凝土（物理发泡）干缩性能的影响

各种纤维的掺入都可以降低泡沫混凝土的收缩，我们选取常用的聚丙烯纤维与耐碱玻纤进行了实验对比，掺入相同体积分数的两种纤维来对比其不同龄期的收缩值，收缩率按照GB/T11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》（试件28d龄期后，浸入水中72h，称重、測初长，以后每隔4天测试一次，直到试件质量变化小于0.1%）进行，实验数据见下表。

图12试件在干空室放置龄期的收缩量对比图

掺入玻纤的试块长度收缩量均为最小，比空白样收缩减少36%，比PP纤维减少19%，控制收缩的作用优于聚丙烯纤维。这是因为抗碱玻璃纤维的弹性模量为72GPa，远大于聚丙烯纤维的8GPa，高弹模使纤维的强度提高，不易挠曲，基体收缩时，纤维受到挤压，而纤维的弹性模量越大，纤维所能分担的挤压应力也越大，纤维的限制变形的能力也越强，比聚丙烯纤维具有更好的限制基体收缩的作用，而且与聚丙烯纤维比，与水泥同为无机材料，具有更好的结合力，因此抗碱玻璃纤维能够更好地限制材料的收缩变形能力。

4结论

耐碱玻璃纤维具有很高的拉伸强度和弹性模量、良好的化学稳定性和热稳定性、抗老化、抗碱性等特性，可广泛用于增强水泥基材料。通过上述实验可知，耐碱玻纤可以大大增强泡沫混凝土的抗折强度、降低泡沫混凝土的收缩值。掺入泡沫混凝土的玻纤的物理发泡时最佳长度为9mm，化学发泡6mm效果最好，物理发泡最佳体积掺量为6g/L，掺入玻纤后，收缩值比空白样减少36%，比同体积掺量的聚丙烯纤维减少19%。玻纤掺量过多，长度过长都会产生分散不均，对泡孔结构造成破坏，对材料力学性能产生负面影响。本实验仅对耐碱玻纤对泡沫混凝土基本性能进行了研究，后续仍需对耐碱玻纤增强泡沫其他力学性能、耐久性以及混凝土微观结构进行深入研究

【本文转自】泡沫混凝土技术交流