纳米纤维增韧泡沫混凝土的机理研究

邱军付，孙桂芳，王永魁，罗淑湘

纳米纤维增韧泡沫混凝土的机理研究

邱军付，孙桂芳，王永魁，罗淑湘

（北京建筑技术发展有限责任公司，北京100055）

用普通硅酸盐水泥为原料，制备了干表观密度低于180 kg/m3的泡沫混凝土制品。采用纳米纤维与聚丙烯纤维复合对泡沫混凝土制品进行增韧；通过XRD和SEM等对制品微观结构和增韧机理进行了研究。结果表明，纳米纤维与聚丙烯纤维的复合能够有效提高泡沫混凝土制品的抗裂性能。

泡沫混凝土；纳米纤维；增韧；机理

0　引言

泡沫混凝土制品因其含有大量均匀分布的封闭气孔而具有轻质、防潮、防火、隔声及良好的保温隔热功能，尤其适用于建筑外墙保温工程［1-4］。但是水泥基制品通常具有脆性大、韧性差、易开裂等缺陷；而泡沫混凝土制品由于强度性能远低于常规的混凝土制品，所以泡沫混凝土制品的内部裂纹对其性能的影响也更为显著；尤其是对干表观密度低于180 kg/m3的泡沫混凝土，即使是制品内部少量的裂纹也足以严重影响该产品的工程应用质量。

现代混凝土常用纤维来实现混凝土制品的增韧阻裂，不同纤维对制品的增韧效果也有较大差异［5-8］，但是以往对混凝土制品的增韧研究主要集中在加入毫米级的纤维实现增韧阻裂，很少有报导采用纳米纤维与毫米级纤维复合增韧的研究。本文拟通过在泡沫混凝土中掺入适量的纳米纤维，利用纳米纤维和毫米级纤维复合增韧技术，充分发挥2种不同维度纤维材料在抑制裂纹扩展方面的优势，有效解决泡沫混凝土制品的开裂问题。

1　试验

1.1原材料

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，唐山冀东水泥厂；粉煤灰：Ⅱ级，京能热电有限公司；双氧水发泡剂：浓度35%，北京中远华盾科贸有限公司；聚丙烯纤维：长6～9 mm，北京安顺达装饰有限公司；外加剂：工业级元明粉与生石灰按质量比1∶1混合而成，市售；纳米纤维：主要成分是硅铝化合物，市售。

1.2试验方法

利用普通硅酸盐水泥作胶凝材料、双氧水作发泡剂，采用化学发泡的方法制备泡沫混凝土保温板。普通硅酸盐水泥基泡沫混凝土的基础配方为：水胶比0.5、粉煤灰掺量为水泥的30%～35%，双氧水掺量为固体粉料的5%，外加剂掺量8%。试验时先称取原料，再将干粉预混均匀，然后加入水，搅拌均匀，再加入发泡剂，搅拌均匀后快速浇注入模具，静停，切割、养护。

1.3测试方法

混凝土净浆流动度参照GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验》进行测试；强度参照GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》进行测试。

2　结果与讨论

2.1纳米纤维对净浆流动度的影响

泡沫混凝土净浆的流动度对其发泡、浆体初凝、孔结构等均有较大的影响，合理的净浆流动度是制备高性能泡沫混凝土制品的关键因素之一。固定水胶比为0.5，用纳米纤维等量取代水泥，其对净浆流动度的影响如图1所示。

图1　纳米纤维掺量对净浆流动度的影响

由图1可见，当纳米纤维掺量不大于0.5%时，水泥净浆流动度随着纳米纤维掺量的增加而增大，在纳米纤维掺量超过0.5%时，流动度随纳米纤维掺量的增加而下降。因此，对于水泥净浆流动度来说纳米纤维存在一个最佳掺量，即当掺量为0.5%时，水泥净浆流动度最大为169 mm。

2.2纳米纤维对制品强度的影响

用纳米纤维对无机材料进行增韧是一种较为有效的技术手段，可以实现对裂纹扩展的有效抑制［9-11］。本文在泡沫混凝土制品中引入纳米纤维，标准养护7 d后试样的抗压和抗拉强度如图2所示。制品的干表观密度为（170±10）kg/m3，试样1为空白试样，试样2掺入0.5%的9 mm聚丙烯纤维，试样3掺入0.5%的纳米纤维，试样4为掺入0.25%的纳米纤维+ 0.25%的9 mm聚丙烯纤维。

图2　纤维掺量对制品强度的影响

从图2可知，在泡沫混凝土制品中掺入聚丙烯纤维和纳米纤维均能提高制品的抗压和抗拉强度，而纳米纤维对制品强度提升的幅度大于聚丙烯纤维。单掺聚丙烯纤维的制品的抗压强度和抗拉强度较空白试样分别增长了60%和52.4%；单掺纳米纤维的制品抗压强度和抗拉强度较空白试样分别增长了93%和78.6%；而掺入复合纤维的制品抗压强度和抗拉强度较空白试样分别增长了180%和169%。

从宏观角度分析，在泡沫混凝土体系中，聚丙烯纤维与水泥浆料有极强的结合力，在制品中形成三维不定向网状支撑体系抑制裂纹的扩散，起到增强增韧作用；从微观角度分析，由于泡沫混凝土的骨架结构是由未水化的水泥颗粒、水化产物及毛细孔等组成，毛细孔由泡沫混凝土中未被水化颗粒及水化产物所填满［11］。当制品中掺入纳米纤维时，纳米纤维能够均匀填充在毛细孔之间，减小毛细管孔隙，因此，这部分空间越小，泡沫混凝土越密实，强度也越高。此外，纳米纤维还能够防止和减少后期的干缩微裂缝及温度变化引起的裂缝，提高了泡沫混凝土的韧性。

2.3机理分析

在混凝土制品中掺入纳米材料时，纳米粒子因较大的表面能，可以发挥“晶种”的功效，使水化产物特别是氢氧化钙迅速聚集在“现成晶核”表面，减少氢氧化钙的取向度，加速水化进程。使水泥水化过程直接跳过“形成CSH稳定晶核”的过程，即CSH直接在纳米材料提供的“现成晶核”表面继续生长，而不是吸附于未水化水泥颗粒表面。CSH凝胶的巨大表面能很容易吸附其它离子，水泥颗粒表面就不会有厚的保护层阻碍水化的进行，从而影响水泥水化的速度和深度。此外，“现成晶核”除了中心质效应外，还可以填充混凝土空隙，密实混凝土，进一步强化界面结构，起到结构增韧的效果。

2.4XRD和SEM分析

图3为掺入复合纤维的泡沫混凝土试样（试样4）和空白试样（试样1）水化产物的XRD图谱，图4为试样4和试样1水化产物的SEM照片。

图3　试样4和试样1水化产物的XRD图谱

图4　试样4与试样1水化产物的SEM照片

从图3可以看出，掺复合纤维的试样与空白试样相比，水泥水化产物种类并没有发生显著的变化，但水化程度和水化产物的量都有所增大。试样4的主要水化产物衍射特征峰强度较强，晶格参数略有位移变化。根据X射线衍射中各种物相的含量与其衍射峰峰强成正比的半定量原理可知，在试样4中水化产物钙矾石AFt和CSH的含量较多，泡沫混凝土的水化程度高。即纳米纤维的掺入可以促进泡沫混凝土早期水化，有利于提高泡沫混凝土制品的早期强度。

从图4可以看出，水化产物中的高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石AFt）为柱状或针状晶体，溶解度小，在水化初期可起骨架作用，有助于提高混凝土制品的早期强度［11］。试样4的水化产物中发现有大量的相互交叉咬合的纤维状、柱状水化产物，外形完整，结合XRD分析证明是AFt相，说明试样4中生成了大量的钙矾石AFt，这有利于提高泡沫混凝土的早期强度。而试样1的水化产物中有较多凝胶状物质和六方板状晶体，即单硫型水化硫铝酸钙（AFm），而AFm的溶解度比AFt大，体积增加小，强度不大，结构较松散，这些分散性的结构将会大大降低泡沫混凝土制品的强度性能，因此试样4具有比试样1更高的7 d强度。

因此，当采用毫米级纤维与纳米纤维复合掺入后，2种增韧材料均匀分散在水化产物中，与水泥水化产物大量原位咬合，把松散的水化硅酸钙凝胶变成以纳米纤维为核心、毫米级纤维互相交织的网状结构，有效地降低泡沫混凝土的早期塑性收缩速率，抑制裂纹的形成和扩展，大大削弱了制品内部的集中应力，减少离析裂缝的出现和延伸，大幅度提高制品的强度，实现增韧、防开裂的效果。

3　结论

（1）合理的净浆流动度是制备高性能泡沫混凝土制品的关键因素之一，纳米纤维的掺入对净浆流动度有一定的影响，当掺加0.5%纳米纤维时，净浆流动度最大为169 mm。

（2）纳米纤维可以促进泡沫混凝土早期水化程度，提高泡沫混凝土保温板的早期强度。

（3）在泡沫混凝土制品中掺入聚丙烯纤维和纳米纤维均能提高制品的抗压和抗拉强度，而纳米纤维对制品强度提升的幅度大于聚丙烯纤维。

（4）纳米纤维与宏观纤维材料的复合可有效解决泡沫混凝土保温板的开裂问题。

（5）复合纤维与水泥水化产物大量原位咬合，把松散的水化硅酸钙凝胶变成以纳米纤维为核心、宏观纤维互相交织的网状结构，实现增韧、防开裂的效果。

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Study on toughening mechanism of foam concrete with nano-fiber

QIU Junfu，SUN Guifang，WANG Yongkui，LUO Shuxiang
（Beijing Building Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100055，China）

Foam concrete with density less than 180 kg/m3was prepared by using ordinary Portland cement as the raw material，toughen the foam concrete with composite fiber（nano-fiber and polypropylene fiber），XRD and SEM were used to analyze the mechanism of reinforcing and toughening on the foam concrete.The results showed that the composite fiber can effectively increase the strength and anti-cracking ability.

foam concrete，nano-fiber，toughening，mechanism

TU528

A

1001-702X（2015）12-0037-03

2015-07-27；

2015-09-22

邱军付，男，1977年生，江西上饶人，博士，从事绿色建材开发。