玄武岩纤维掺量对泡沫混凝土性能的影响

杨瑞环 霍冀川 赵 星

(西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室 四川绵阳 621010)

改革开放以来，我国对创建“环境友好型、资源节约型”国家的力度不断加大，节能材料受到人们的青睐［1］。在我国的能源消耗中，建筑业耗能已经成为三大“耗能大户”之一［2］。因此，研制耗能低的建筑材料，特别是高效保温隔热材料，具有十分重要的意义。我国建设部全面实施推进建筑节能，使建筑保温(隔热)材料成为建筑领域研究的第一热点。泡沫混凝土作为一种防火安全性无机保温材料，得到了全社会越来越广泛的认知和重视，使其在各个领域中得到广泛应用［3］。

泡沫混凝土通常是用机械方法将发泡剂水溶液制成泡沫，将泡沫加入到由含有外加剂、纤维、水及硅、钙等材料制成的料浆中，经混合搅拌制成泡沫料浆，然后浇注成型或现场浇注养护形成的一种轻质微孔材料［4－6］。由于成型方法的特殊性，泡沫混凝土具有轻质、热工性能优越、隔音耐火性能良好［7－8］、可泵送性能好、防水能力强和冲击能量吸收性能好等优点［9］。但是，由于泡沫混凝土内部含有许多气孔，故其性能也存在一定的缺陷，主要表现为强度严重偏低、吸水率较大、开裂问题［10］等。为了改善这些性能，人们试图在泡沫混凝土中添加纤维来改变这种现状。

纤维在水泥基材料中具有增强、阻裂和增韧等作用［11－13］。在泡沫混凝土中加入玻璃纤维可以使抗折强度大大提高［14］。聚丙烯纤维可以增强泡沫混凝土的可塑性和抗拉强度［15］。玄武岩纤维具有化学稳定性强、吸湿性较低、抗酸碱能力强、与水泥相容性良好等特点，能够在水泥基材料中呈三维空间乱向分布，改变泡沫混凝土内部孔结构，从而改善其性能。

本文主要通过单因素试验法对泡沫混凝土的性能进行试验，考察了玄武岩纤维的掺量对泡沫混凝土的物理性能、力学性能、变形性能及热工性能的影响以及玄武岩纤维与泡沫混凝土界面的结合情况。

1 实验

1.1 实验原料

(1)水泥:42.5R级普通硅酸盐水泥，密度为3.15 kg/m3，其各项性能指标均符合 GB 175－2007(通用硅酸盐水泥)标准。

(2)发泡剂:巩义市世邦泡沫混凝土工程有限公司，稀释倍数 20，发泡倍数为 28，稳泡时间15.6 h。

(3)玄武岩纤维(BF):上海某公司提供，其有关性能见表1。

(4)水:普通自来水。

表1 玄武岩纤维的物理性能Table 1 The physical properties of basalt fibers

图1 泡沫混凝土制备流程图Fig.1 The flow diagram of foam concrete preparation

1.2 工艺流程

泡沫混凝土的制备工艺分为两种，一种是预制泡混合法，另一种是混合搅拌法。本试验采用的方法为预制泡混合法。具体工艺流程如图1所示，试验用泡沫混凝土配合比见表2。

表2 每1 m3泡沫混凝土的配合比Table 2 The mixture ratio of foam concrete for per m3

1.3 泡沫混凝土的性能测试

(1)吸水率与含水率采用尺寸为 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm 的试件，依照 GB/T 11970 －1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》及GB/T 50081－2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。

(2)抗压抗折强度采用40 mm×40 mm×160 mm的成型试件，标准养护28 d后，在无锡建仪仪器机械有限公司生产的DZK－6000水泥抗折试验机上进行抗折强度的测试;标准养护后试件放入温度为60±5℃ 干燥箱内烘干至前后两次相隔4 h质量相差不大于1 g的恒质量时，在深圳市新三思材料检测有限公司生产的 CMT5105微机控制电子万能试验机上进行抗压强度测试。

(3)导热系数采用300 mm×300 mm×30 mm的成型试件，标准养护28 d后放入温度为105±5℃ 的智能型电热恒温鼓风干燥箱中烘干至恒重，然后在干燥器内冷却至室温，用JW －III热流计式导热仪进行测试。

(4)线性收缩采用25 mm×25 mm×280 mm的成型试件，脱模后放在温度为20±5℃、湿度为99%的环境中养护，分别测试试块在3 d，7 d，14 d，21 d和28 d的收缩值。

(5)在日立公司生产的 TM－1000微观扫面电镜上观察玄武岩纤维与泡沫混凝土的界面结合情况。

2 结果与讨论

2.1 纤维对泡沫混凝土物理性能的影响

泡沫混凝土的含水率、吸水率对其耐久性能和保温隔热性能的影响较大。泡沫混凝土吸水主要包括毛细孔渗透和连通孔渗透两种形式［16］。毛细孔是泡沫混凝土在水化硬化过程中产生的孔，而连通孔是因水灰比过大，泌水和泡沫液膜使泡沫产生缺陷造成的。本实验所得的试块从断面处看，内部孔分布均匀，无大孔且连通孔较少，说明本试验的泡沫混凝土试块的吸水主要是通过毛细孔渗透来实现的。由图2可以看出:加入玄武岩纤维后，泡沫混凝土的含水率与空白样相比基本不变，几乎都在接近20% 处，说明纤维对泡沫混凝土的含水率影响不大。而泡沫混凝土的吸水率与空白样相比，则都在40% 处出现很小的浮动，可能是由于误差造成的。由此可以得出，玄武岩纤维对泡沫混凝土的含水率、吸水率影响不大。

图2 玄武岩纤维掺量对泡沫混凝土含水率、吸水率的影响Fig.2 The influence of basalt fiber dosage on the moisture content and the moisture absorption rate of foam concrete

2.2 纤维对泡沫混凝土力学性能的影响

泡沫混凝土的强度来源主要是胶凝材料，当其内部的孔径越小、孔分布越均匀、孔的形态越好时，强度越高。由图3可以看出，加入玄武岩纤维后，泡沫混凝土28 d的强度与空白样相比均有所变化。掺量为0.4 kg/m3时，泡沫混凝土中加入纤维不但没有起到增强作用，反而使强度降低，可能是因为纤维掺加量较少，不能在泡沫混凝土内部形成三维网络结构用以支撑整个浆体材料，反而破坏了浆体中的泡沫结构。掺量为0.8 kg/m3时，基体内部单位体积的纤维量增加，使纤维在内部局部形成三维网络分布，起到支撑浆体的作用。但是，由于玄武岩纤维本身存在黏结现象，使纤维在泡沫混凝土内部分布不均匀，造成内部部分空隙增加，故整体表现为纤维对泡沫混凝土强度增强效果不好。掺量增加到1.2 kg/m3时，三维网络结构趋于稳固，能更好支撑整个浆体，且纤维增加了泡沫混凝土的韧性，抑制了其微细裂纹的产生和发展，故抗压抗折强度比空白组提高，分别达到 7.75%，9.56%。掺量大于 1.2 kg/m3时，强度呈现下降趋势，因为浆体中纤维的掺量太多，导致纤维在浆体中的分散性不好，严重破坏了浆体的内部结构，使内部空隙增加，强度下降。因此，掺量为1.2 kg/m3时，纤维对泡沫混凝土的力学性能改善效果达到最佳。

图3 玄武岩纤维掺量对泡沫混凝土抗压抗折强度的影响Fig.3 The influence of basalt fiber dosage on the compressive and flexural strengths of foam concrete

2.3 纤维对泡沫混凝土线性收缩的影响

线性收缩容易导致泡沫混凝土表面开裂，影响其应用。由图4看出:未掺加纤维时，泡沫混凝土的线性收缩值随着时间的延长呈增加趋势，但是28 d的收缩值却小于21 d的收缩值，可能是因为21 d后外界环境中湿度的变化引起的。

加入玄武岩纤维后，泡沫混凝土 3 d，7 d，14 d和21 d时的线性收缩值均降低，说明纤维能有效抑制泡沫混凝土线性收缩，且掺量为1.2 kg/m3时，抑制效果最为显著。因为纤维的三维乱向分布使泡沫混凝土在干燥收缩的过程中必然受到其阻挡。掺量小于1.2 kg/m3时，纤维在泡沫混凝土中破坏了其内部孔结构，形成连通孔，不能支撑浆体，所以收缩较大。掺量大于1.2 kg/m3时，因纤维量太多，使其不能均匀分散，容易结团，同样增大内部的部分孔隙，增加线性收缩。泡沫混凝土养护28 d时，收缩值表现为加入纤维的试样大于空白样，可能是由于水化后期，纤维与浆体的界面不断老化，使两者之间的黏接强度降低，结构疏松，故收缩增大。但是，线性收缩值的变化规律还是与早期收缩规律相符合的。综上，掺量为1.2 kg/m3时，纤维对泡沫混凝土的收缩抑制作用最强。

图4 纤维掺量对泡沫混凝土线性收缩的影响Fig.4 The influence of fiber dosage on the linear shrinkage of foam concrete

2.4 纤维对泡沫混凝土导热性能的影响

导热系数的大小是衡量墙体保温材料保温性能的主要标志。泡沫混凝土之所以具有较低的导热系数，主要是气相起到了降低的作用，因此，导热系数主要取决于孔隙率和孔的形态。

由图5可知，加入玄武岩纤维后，泡沫混凝土的导热系数明显比空白样的导热系数小。随着纤维掺量的增加，导热系数呈现先减小后增大的趋势。可见纤维对泡沫混凝土的孔结构起到了一定的改善作用。纤维掺量在1.2 kg/m3时，泡沫混凝土的孔隙率最大，故导热系数最小，即保温效果最好。

2.5 纤维与泡沫混凝土的结合界面

由纤维对泡沫混凝土性能的影响结果可以得出，玄武岩纤维对其性能有一定的改善作用，但是作用并不显著。由图6可以看出，一方面可能是由于玄武岩纤维在泡沫混凝土中以束状的形式分布，不易分散，另一方面可能是由于纤维与泡沫混凝土界面发生老化造成的纤维与泡沫混凝土的界面结合不紧密，存在缝隙。

图5 纤维掺量对泡沫混凝土导热系数的影响Fig.5 The influence of fiber dosage on the heat conductivity coefficient of foam concrete

图6 纤维与泡沫混凝土的结合界面Fig.6 The bonding interface between basalt fiber and foam concrete

3 结论

(1)纤维对泡沫混凝土的性能有一定的改善作用，但是对泡沫混凝土的含水率、吸水率影响不大。(2)纤维掺量为1.2 kg/m3时，纤维对泡沫混凝土的性能改善最为显著，其中抗压抗折强度分别提高7.75%，9.56%，收缩性能和保温性能都达到最佳。(3)纤维在泡沫混凝土中以束状形式分布且两者的结合界面存在着一定的缝隙是造成纤维对泡沫混凝土改善作用不显著的原因。

［1］张磊，杨鼎宜.轻质泡沫混凝土的研究及应用现状［J］.混凝土，2005，(8):44－48.

［2］郑明明，陈硕.建筑能耗监测平台的研究［J］.节能技术与检测，2009，(9):65－67.

［3］李应权，闫振甲.我国泡沫混凝土行业蓬勃发展［J］.混凝土世界，2013，(2):24－29.

［4］常蜻莹.浅谈泡沫混凝土在建筑中的应用［J］.房材与应用，2005，(4):21－25.

［5］魏惠媛，任孝平.泡沫混凝土砌块的性能及施工注意事项［J］.砖瓦，2004，(4):32－33.

［6］李术军.泡沫混凝土在国内外建筑工程中的应用［J］.民营科技，2008，(7):192.

［7］ALAETTIN K，CENGIZ D A，ERGUL Y，et al.Highstrength lightweight concrete made with scoria aggregate containing mineral admixtures［J］.Cement and Concrete Research，2003，33(10):1595－1599.

［8］PAUL J T，JAMES P，WILLIAM M D.A met－hod for assessment of the freeze－thaw resistance of preformed foam cellular concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(5):889－893.

［9］闫振甲，何艳君.泡沫混凝土实用生产技术［M］.北京:化学工业出版社，2006，45－52.

［10］徐婷婷，刘连新，蒋宁山，等.泡沫混凝土的研究进展与应用现状［J］.住宅科技，2013，(2):15－17.

［11］谢尔盖.玄武岩纤维的特性及其在中国的应用前景［J］.玻璃纤维，2005，(5):44－48.

［12］李国忠，宁超，原海燕，等.改性聚丙烯纤维对水泥砂浆力学性能的影响［J］.建筑材料学报，2010，(2):135－138.

［13］邓均，霍冀川，宋言红，等.聚乙烯醇纤维泡沫混凝土的性能试验［J］.混凝土与水泥制品，2012，(2):41－44.

［14］詹炳根，郭建雷，林兴胜，等.玻璃纤维增强泡沫混凝土性能试验研究［J］.合肥工业大学学报，2009，32，(2):226 －229.

［15］JONES M R.Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural material［J］.Magazine of Concrete Research，2005，57(l):21 －31.

［16］贺彬，黄海鲲，杨江金，等.轻质泡沫混凝土的吸水率研究［J］.新型墙材，2007，(12):24－28.