聚丙烯纤维对超轻泡沫混凝土收缩开裂的影响*

朱蓓蓉，黎 志，马一平，王 洋，杨晓杰

(同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804)

随着我国对建筑节能的日益重视，以泡沫混凝土为代表的新型轻质保温材料也日益得到重视，它具有很多优良的性能，如密度小，可用于建筑物的内外墙体以及非承重部位;保温绝热性能好，特别是干表观密度低于500kg/m3的泡沫混凝土，其导热系数一般小于0.09w/(m.k)，是一种良好的保温绝热材料［1］。但是与此同时，与普通水泥混凝土一样，泡沫混凝土也一样存在收缩开裂的问题，因此影响了泡沫混凝土的进一步推广应用。

为了改善泡沫混凝土的收缩开裂问题，通过掺加各类短切纤维，如聚丙烯纤维、玻璃纤维等，能取得较好的效果。郑念念等［2］研究发现:掺加聚丙烯纤维后，泡沫混凝土28d 的干燥收缩值降低了2.5%，说明聚丙烯纤维能改善泡沫混凝土的干缩;李启金等［3］研究了改性聚丙烯纤维对泡沫混凝土塑性收缩开裂、力学性能及泡孔结构的影响，结果表明:聚丙烯纤维可改善泡沫混凝土的泡孔结构，并降低其塑性收缩开裂、细化其塑性收缩裂缝，同时可提高其抗折、抗压强度及弯曲韧性。国内外针对纤维对泡沫混凝土的收缩开裂影响的研究较多，但对于表观密度300kg/m3以下的超轻泡沫混凝土开裂的影响则未见有相关研究报道，为此本试验采用物理发泡法和化学发泡法分别制备出干表观密度在300kg/m3以下的超轻泡沫混凝土，比较两种泡沫混凝土的力学性能，研究聚丙烯纤维掺量和发泡方式对超轻泡沫混凝土塑性收缩开裂和硬化收缩开裂的影响。

1 试 验

1.1 试验原材料及仪器

1.1.1 原材料

(1)水泥:上海海螺水泥厂生产的P.O.42.5 普通硅酸盐水泥;(2)聚丙烯纤维:上海金山石化厂生产，纤维长度为9mm;(3)粉煤灰:上海石洞口电厂出产的II 级粉煤灰;(4)氯化钙:上海毫升化学有限公司生产;(5)减水剂:湖南岳阳产雨虹牌聚羧酸减水剂;(6)发泡剂:物理发泡剂(河南华泰HTW-I 复合发泡剂)，化学发泡剂(上海远大公司产27.5%双氧水);(7)稳泡剂:河北产稳泡剂。

1.1.2 试验仪器

(1)JJ-5 型水泥胶砂搅拌机;(2)物理发泡机(上海华凝自动化科技有限公司生产);(3)精度为0.1g的电子天平;(4)914mm×610mm×20mm 的木模;(5)KON-FK(N)型数显裂缝宽度测试仪。

1.2 泡沫混凝土的制备

物理法制备泡沫混凝土:按照发泡剂与水的不同比例配制发泡溶液，用物理发泡机发泡后将泡沫静置5min，同时按照一定水灰比的水泥、水搅拌1min 后，加入速凝剂等外加剂及纤维搅拌3min，随后将泡沫与料浆混合均匀，成型试件进行后续试验。

化学法制备泡沫混凝土:先在砂浆搅拌机中加入一定量水，按一定配合比称取胶凝材料及其它混合材，搅拌180s 后成均匀浆体，然后加入一定量的双氧水，搅拌约6-8s 后停止搅拌，迅速将制得的泡沫混凝土浆体倒出，成型后进行后续的试验。

本次试验将分别用物理发泡法和化学发泡法制备出250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三个密度等级的超轻泡沫混凝土(定义一个密度等级的泡沫混凝土干表观密度变化范围为±20kg/m3，如200kg/m3密度等级的泡沫混凝土，其干表观密度变化范围为180-220kg/m3)。原材料的配合比如表1、表2 所示。

表1 物理法泡沫混凝土试验配比

表1 中原材料的用量均是与以水泥用量为基准的比值，聚丙烯纤维的掺量为0、0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3。

表2 化学法泡沫混凝土试验配比

1.3 试验方法

1.3.1 塑性收缩开裂试验方法(Karri 板法)

泡沫混凝土的塑性收缩开裂试验借鉴普通水泥基材料的塑性阶段收缩开裂实验方法，采用914mm ×610mm×20mm 的木模，上下层间用塑料薄膜隔开，木模内Φ8mm 的矩形钢筋架与模板周边距离均为20mm，钢筋架4 个顶点处用细钢丝做成约6mm 的撑脚以免钢筋与模底接触。水泥基材料收缩时受到钢筋架限制，由此产生的裂纹只在钢筋架范围内。将拌合料沿木模中心螺旋式向试模边缘浇注，直至拌合料自动流满整个木模，立即用铝合金刮尺刮平试件表面。成型后即打开位于试模短边的风速约为3.5m/s 的电风扇，并开启位于试模上方1.5m 处的1000W 碘钨灯，光照4h 后关灯，风吹24h 后关闭电风扇，然后用KONFK(N)型数显裂缝宽度测试仪(检测范围:0.01～3.00mm，估测精度:0.01mm)测量试件的裂缝宽度，按照裂缝宽度分段测量裂缝长度Ii，与表3 中列出的裂缝宽度权值Ai 一起，计算塑性收缩开裂权重值W =ΣAi·Ii，用塑性收缩开裂权重值来表征泡沫混凝土塑性收缩开裂的程度。

表3 裂缝宽度权值表

1.3.2 硬化干缩开裂试验方法

泡沫混凝土硬化早期干燥收缩开裂试验方法如下:将搅拌好的泡沫混凝土浆体浇注到如图1 所示的硬化早期收缩开裂试模中。试样是内径为150mm、高为150mm、厚度20mm 的圆筒体，以外径为150mm、高为150mm、厚度为30mm 的钢制圆筒体置于其内部作为约束体。试件成型后在烘箱内加速干燥，以升温10℃/h、恒温1h 的升温制度升温至70℃，然后恒温干燥试件放入烘箱3d 后取出［4］。硬化收缩开裂试件的裂缝宽度测量方法和开裂权重值计算方法同塑性收缩开裂试验，用测得的硬化收缩开裂权重值来表征泡沫混凝土的硬化收缩开裂程度。

图1 泡沫混凝土硬化早期收缩开裂试模

2 试验结果及讨论

2.1 两种发泡方式制备的泡沫混凝土的抗压强度比较

两种发泡方式制备出的泡沫混凝土的28d 抗压强度随干表观密度的变化如图2 所示。对比可知，采用两种发泡方式制备而出的超轻泡沫混凝土的28d 抗压强度存在较大差别。在干表观密度为80～160kg/m3时，其28d 抗压强度差异不大;但在干表观密度为160～270kg/m3的范围内，化学发泡法泡沫混凝土的28d抗压强度随干表观密度的增长而增大，而物理发泡法泡沫混凝土的28d 抗压强度则基本没有变化。因此，在制备超低表观密度的水泥基材料时，化学法制备出的超轻泡沫混凝土的力学性能比物理法制备的要好。

图2 泡沫混凝土在两种发泡方式下抗压强度与干表观密度之间的关系

2.2 聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土塑性收缩开裂的影响

由刘静静的相关研究［5］可知:在物理法制备的泡沫混凝土中，干表观密度对泡沫混凝土的塑性收缩开裂有着显著影响。当干表观密度在1553-761kg/m3范围内时，泡沫混凝土的塑性收缩开裂权重值较小，且随着干表观密度的降低，开裂权重值缓慢降低;在干表观密度为578-310kg/m3的范围内，没有出现塑性收缩开裂现象;但是随着干表观密度(310-80kg/m3)的降低，水泥基材料的开裂权重值急剧上升;干表观密度为80kg/m3，泡沫混凝土的开裂权重值可高达3632cm。因此超低表观密度(干表观密度≤250 kg/m3)的泡沫混凝土的塑性收缩开裂现象比较严重，值得进行深入研究。

本试验用物理发泡法和化学发泡法分别制备出200kg/m3密度等级的泡沫混凝土，研究聚丙烯纤维的掺量对泡沫混凝土塑性收缩开裂的影响，如图3 所示，可以得出以下结论:(1)不掺聚丙烯纤维时，用物理法制备的泡沫混凝土的塑性收缩开裂权重值高达786cm，而化学法泡沫混凝土的权重值仅为261cm，且物理法泡沫混凝土的塑性收缩裂缝很明显，其裂缝宽度大都在1mm～2mm，直接用肉眼可以清晰地观察到，而化学法泡沫混凝土的塑性收缩裂缝则较小，一般在0～0.5mm范围内，须借助裂缝宽度测试仪才能进行观察;(2)聚丙烯纤维掺量在0-0.6kg/m3时，物理法和化学法制备的泡沫混凝土的塑性收缩开裂权重值都会急剧降低，其权重值分别由786cm 降至192cm 和由261cm 降至76cm，减裂率分别为75.5% 和70.9%。纤维掺量在0.6～1.8kg/m3时，物理法泡沫混凝土的塑性收缩开裂权重值由192cm 降至49cm，化学法泡沫混凝土的塑性收缩开裂权重值由76cm 降至7cm;(3)聚丙烯纤维对两种发泡方式制备的泡沫混凝土的总减裂率分别为93.8%和97.3%，说明聚丙烯纤维对泡沫混凝土的塑性收缩开裂的减裂效果显著。

图3 聚丙烯纤维对泡沫混凝土塑性收缩开裂的影响

2.3 聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土硬化收缩开裂的影响

2.3.1 不掺纤维时表观密度对物理法泡沫混凝土硬化收缩开裂的影响

刘静静［5］对不掺聚丙烯纤维时的物理法泡沫混凝土的硬化收缩开裂随干表观密度的变化进行了相关研究，见图4。由图4 可知:在表观密度1524～270 kg/m3的范围内，泡沫混凝土的硬化收缩开裂权重值较小且基本没有太大增长。但是在270～80kg/m3范围内，泡沫混凝土的硬化收缩开裂权重值随着表观密度的降低而急剧增大，收缩开裂权重值由270kg/m3的46.8cm增至80kg/m3时的153cm。因此研究聚丙烯纤维对超低表观密度(≤250kg/m3)泡沫混凝土硬化收缩开裂影响的研究就显得尤为重要。

图4 不掺纤维时物理法泡沫混凝土硬化收缩开裂随表观密度的变化

2.3.2 纤维掺量对泡沫混凝土硬化收缩开裂的影响

采用物理发泡法制备超轻泡沫混凝土，并选取干表观密度为250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三个密度等级的泡沫混凝土作为试验对象，分别在三个密度等级的泡沫混凝土试样中掺入聚丙烯纤维，通过改变聚丙烯纤维的掺量来研究不同掺量的聚丙烯纤维对泡沫混凝土硬化收缩开裂的影响，得到泡沫混凝土的硬化收缩开裂权重值与聚丙烯纤维掺量的关系，见图5。由图5 可知，三个密度等级的泡沫混凝土的硬化收缩开裂权重值均随着聚丙烯纤维掺量的增加而减小，在未掺纤维时，250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三个密度等级的泡沫混凝土的硬化收缩开裂权重值分别为37.8cm、61.2cm 和80.4cm，当纤维掺量在1.8kg/m3时，三个密度等级的泡沫混凝土的收缩开裂基本消失，其开裂权重值分别为0、0 和4.8cm，聚丙烯纤维对三个密度等级的泡沫混凝土的减裂率分别为100%、100%、94%。

图5 物理法中纤维掺量对泡沫混凝土硬化早期开裂的影响

在采用化学发泡法时，同样研究了聚丙烯纤维掺量对250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三个密度等级的泡沫混凝土硬化收缩开裂的影响，如图6 所示，可知聚丙烯纤维掺量对化学法泡沫混凝土硬化收缩开裂的影响规律与物理发泡法相仿。在不掺聚丙烯纤维时，三个密度等级的泡沫混凝土的开裂权重值分别为11.8cm、22.3cm、41.7cm。当聚丙烯纤维掺量提高到1.8kg/m3时，其开裂权重值分别为0、0、1.5cm，说明此时泡沫混凝土的硬化收缩裂缝基本消失，聚丙烯纤维对泡沫混凝土的减裂率分别为100%、100%、96.4%。

由上可知，不管是物理发泡法还是化学法制备的泡沫混凝土，其硬化早期收缩开裂均会随着聚丙烯纤维掺量的增加而减少，到一定掺量时其硬化收缩裂缝就会基本消失，这是因为:(1)超低表观密度泡沫混凝土(≤250kg/m3)的孔隙率较大，微裂缝也较多，泡沫混凝土在硬化过程中，如果泡沫混凝土的开裂抗拉强度低于其收缩应力，那么泡沫混凝土里的微小裂缝就会扩展，而随着聚丙烯纤维掺入泡沫混凝土中，乱向分布的纤维能跨越裂缝起到桥接作用，缓解了裂缝的尖端应力集中，增加了裂缝的扩张阻力，从而提高了泡沫混凝土的断裂能;(2)泡沫混凝土的弹性模量较小，如干表观密度为205kg/m3的泡沫混凝土的弹性模量仅约为180MPa［6］，而聚丙烯纤维的弹性模量约为8GPa，由于聚丙烯纤维的弹性模量比泡沫混凝土大得多，因此在裂纹扩展过程中，由于毛细管失水收缩产生的能量能被聚丙烯纤维所吸收，随着聚丙烯纤维掺量的增大，吸收的能量就越多，泡沫混凝土硬化收缩产生的裂缝也越少，当纤维掺量到一定量时，泡沫混凝土的硬化收缩开裂能够基本消失［7］。

图6 化学法中纤维掺量对泡沫混凝土硬化早期开裂的影响

比较两种发泡方式制备得到的泡沫混凝土，可知在相同的聚丙烯纤维掺量下，化学法制备的250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三个密度等级的泡沫混凝土硬化干缩开裂权重值均比物理法制备的泡沫混凝土的开裂权重值要小得多。两种发泡方式制备的泡沫混凝土的硬化收缩开裂的裂缝形貌如图7a、7b 所示，可知化学法泡沫混凝土的收缩裂缝要比物理法的小，究其原因可能是:化学发泡法和物理发泡法的发泡机理不同而导致其泡孔结构的不同［8］，利用化学发泡法制备泡沫混凝土是先将水泥等胶凝材料、添加剂和掺合料等搅拌成均匀浆体后再加入化学发泡剂，然后高速搅拌一段时间，使发泡剂均匀分布在浆体中，从而能够得到均匀而致密的气泡，分散在水泥浆体之间，待泡沫混凝土成型后，其结构中的孔洞细而均匀，在硬化过程中，由于毛细管失水收缩而导致的裂纹在扩展时，会被这些小的气孔阻隔，因此裂纹比较细而短小;而采用物理发泡法制备的泡沫混凝土是将发好的泡沫加入水泥浆中搅拌，泡沫在浆体中不可能完全均匀地分布，会出现较大的气孔，在泡沫混凝土硬化过程中，结构中出现一些微裂纹会由于较大的气孔被破坏而连通，导裂纹在泡沫混凝土硬化干缩的过程中随着水泥水化而扩展，进而出现较大的裂缝。

图7 不掺纤维时两种泡沫混凝土的硬化干缩开裂试件

3 结 论

(1)在干表观密度为250kg/m3以下时，化学法制备出的泡沫混凝土的力学性能比物理法制备的泡沫混凝土要好。

(2)掺加聚丙烯纤维对干表观密度为200kg/m3的泡沫混凝土的塑性收缩开裂的减裂效果显著。在聚丙烯纤维掺量为1.8kg/m3时，物理发泡法和化学发泡法两种发泡方式制备的泡沫混凝土的塑性收缩开裂现象基本消失。

(3)聚丙烯纤维能够有效降低甚至消除泡沫混凝土硬化收缩开裂。聚丙烯纤维对250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3密度等级的物理法泡沫混凝土的减裂率分别为100%、100%、94%，相应的化学法泡沫混凝土的减裂率分别为100%、100%、96.4%，两者效果类似。

在相同聚丙烯纤维掺量时时，化学法制备的250kg/m3、200kg/m3和160kg/m3三个密度等级的泡沫混凝土硬化干缩开裂权重值均比物理法制备的同对应密度等级泡沫混凝土的硬化收缩开裂权重值小。

［1］任先艳等.泡沫混凝土的研究现状与展望［J］.混凝土.2011(02):139-41 +44.

［2］郑念念等.大掺量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究［J］.武汉理工大学学报.2009 (07):96-9 +119.

［3］李启金，李国忠，杜传伟.改性聚丙烯纤维对发泡水泥性能的影响［J］.复合材料学报.2013 (03):14-20.

［4］马一平，杨晓杰，王培铭.纤维增强对水泥基材料早期干缩开裂性能的影响［J］.同济大学学报(自然科学版).2007 (05):644-8.

［5］刘静静.超低表观密度水泥基材料的制备及性能研究［D］.上海:同济大学.2014.

［6］马一平等.表观密度和聚丙烯纤维对泡沫混凝土收缩开裂的影响［J］.材料导报.2012 (06):121-5.

［7］王成启，吴科如.不同弹性模量的纤维对高强混凝土力学性能的影响［J］.混凝土与水泥制品.2002 (03):36-7.

［8］李博，张晏清.化学发泡泡沫混凝土制备及力学性能研究［J］.粉煤灰综合利用.2014 (02):17-20.