纤维泡沫混凝土导热特性试验研究

刘晓贺，岳祖润，周江涛，宋宏芳，狄启光

（1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043；2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄 050043；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

泡沫混凝土是以水泥为主要胶凝材料，可掺加粉煤灰、细砂、矿粉、陶粒、硅灰、纤维等，各掺料按照一定的比例与水充分混合形成浆体，再混合由发泡剂溶液制备的均匀稳定的气泡形成易浇筑的泡沫流体，经养护后成型的一种轻质微孔的工程材料［1］。该材料具有良好的保温、隔热、抗震、吸声等性能，广泛应用于桥涵台背回填［2］、公路拓宽改建及路堤防治［3-4］、寒区隧道保温及隧道减震层［5-6］、铁路路基施工及软土地基处理［7-9］等工程领域。

随着泡沫混凝土的应用领域越来越广，对泡沫混凝土的研究也逐渐深入。文献［10］通过泡沫混凝土的碳化深度、抗冻融循环能力、干密度与抗压强度的关系分析了高性能泡沫混凝土的耐久性，总结了获得高性能泡沫混凝土的技术方法，指出创造更耐用的泡沫混凝土材料可以提高材料的使用寿命，促进自然资源的合理利用。纤维的掺加可以提高泡沫混凝土的抗压、抗拉和抗劈裂强度，也可较好地改善其干缩性能［11-12］。文献［13］研究了掺和料种类对泡沫混凝土性能的影响，得出在密度一定时，粉煤灰的增加可提高泡沫混凝土的强度。国内外学者关于泡沫混凝土的工程应用和试验研究主要集中在低重度（密度＜1 000 kg/m3）泡沫混凝土的力学特性、耐久性和物理性能上，对大重度泡沫混凝土及其导热特性的研究较少。为使泡沫混凝土的应用更加广泛，对其研究十分必要。

本文以优选的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土为基础，分别掺加聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，研究不同纤维种类的不同掺加方式对干密度恒为1 200 kg/m3泡沫混凝土导热特性的影响，为工程建设尤其寒区铁路工程建设提供参考依据。

1 试验过程及方法

1.1 原材料

水泥：河北某公司生产的P·O 52.5普通硅酸盐水泥，初凝时间142 min，终凝时间198 min。

粉煤灰：河北某电厂提供的Ⅰ级活性粉煤灰，细度7.7%，需水比88%，烧失量2.34%。

发泡剂：广东某公司提供的高性能复合发泡剂。

聚丙烯纤维：上海某公司提供，直径17.85 μm，抗拉强度780 MPa，弹性模量8.75 GPa。

玻璃纤维：取自盐城市星辉玻纤厂，直径9 μm，含水率2%。

玄武岩纤维：取自江苏康达夫新材料科技有限公司，拉伸强度2.75×103MPa，拉伸弹性模量90.1 GPa，断裂伸长率2.92%。

以上3种纤维的长度规格为6，9，12，15 mm。

1.2 试样的制备

本试验所采用的配合比设计体系方法为干表观密度法［14-15］。试验前将水泥、粉煤灰、水、发泡液、纤维等按设计体系方法及流程进行充分混合均匀搅拌并浇筑成型，在标准试验养护条件下进行养护，具体的泡沫混凝土制备工艺如图1所示。

图1 泡沫混凝土制备工艺

2 粉煤灰泡沫混凝土最优配比比选

为找出水泥与粉煤灰的最佳掺量比，依据配合比设计体系的干表观密度法，设计干密度恒为1 200 kg/m3，取粉煤灰质量分数占比为0，20%，30%，40%，50%，60%，分别进行6 种配合比的泡沫混凝土试验，测试各配比养护龄期3，7，14，28 d 的抗压强度和导热系数，并根据这2项指标选出性能最优的粉煤灰泡沫混凝土。粉煤灰掺量与泡沫混凝土抗压强度、导热系数的关系见图2。

图2 粉煤灰掺量与泡沫混凝土抗压强度、导热系数的关系

由图2（a）可知，随着粉煤灰掺量的增加，不同龄期的泡沫混凝土抗压强度呈缓慢降低趋势；在养护龄期14，28 d，粉煤灰掺量不超过40%时，抗压强度随着粉煤灰掺量的增加，无明显降低；当粉煤灰掺量超过40%时，抗压强度随着粉煤灰掺量的增加迅速下降。因此，就抗压强度而言，粉煤灰的最佳掺量为40%。

由图2（b）可知，随着粉煤灰掺量的增加，各养护龄期泡沫混凝土的导热系数曲线呈平稳趋势，即导热系数受粉煤灰的掺量变化影响较小。由于粉煤灰呈细微球形颗粒，具有火山灰效应和微集料填充效应［16］，可以配合水泥颗粒将气泡均匀稳定地包裹在混合浆料里，而不影响气泡的分布和存在状态，所以粉煤灰掺量对泡沫混凝土的导热系数影响较小。

综上所述，干密度为1 200 kg/m3的泡沫混凝土粉煤灰最佳掺量为40%。图3为粉煤灰掺量为40%的泡沫混凝土养护龄期与导热系数的关系。

图3 40%粉煤灰的泡沫混凝土龄期与导热系数的关系

由图3可知，导热系数随龄期的增长呈对数下降，相关系数为0.944 7。以此为最优配比进行不同种类纤维不同掺加方式的泡沫混凝土导热特性试验。

3 试验结果与分析

3.1 聚丙烯纤维对泡沫混凝土导热系数的影响

图4为掺加聚丙烯纤维的泡沫混凝土在纤维含量一定的情况下，随着聚丙烯纤维的长度变化，泡沫混凝土养护龄期7，28 d时导热系数的变化曲线。

图4 不同含量聚丙烯纤维的长度与导热系数的关系

由图4可知，养护龄期7 d 时，含量为0.15%的聚丙烯纤维对泡沫混凝土的保温性能改善效果最佳；养护龄期28 d 时，聚丙烯纤维的含量、长度对导热系数的影响变化趋势与养护龄期7 d 时接近，当聚丙烯纤维含量为0.15%，长度为9 mm 时，泡沫混凝土的导热系数达到最小值0.217 4 W/（m·K），比不掺加纤维时导热系数降低26.2%。

聚丙烯纤维可以使泡沫混凝土的孔壁及孔间隙中的空洞、裂缝等缺陷数量减少，内部气孔数量增多，平均气孔孔径变小［17］，使气孔结构得到改善，进而提高泡沫混凝土的孔隙率。孔隙率是影响导热系数的重要因素。孔隙率越高，泡沫混凝土的导热系数越低。所以不同含量不同长度聚丙烯纤维的掺加有利于改善泡沫混凝土热工性能，提高其保温隔热性能。

3.2 玻璃纤维对泡沫混凝土导热系数的影响

图5为掺加特定含量玻璃纤维的泡沫混凝土，随着纤维长度的变化，泡沫混凝土养护龄期7，28 d 导热系数的变化曲线。

图5 不同含量玻璃纤维的长度与导热系数的关系

由图5可知：养护龄期7 d时，含量0.10%的各长度玻璃纤维对泡沫混凝土热工性能的改善效果最佳，含量0.15%的玻璃纤维次之；养护龄期28 d时，各含量各长度的玻璃纤维对导热系数的影响趋势接近龄期7 d时的情况；含量0.10%、长度为12 mm的玻璃纤维使泡沫混凝土的导热系数达到最小值0.228 5 W/（m·K），比不掺加纤维的导热系数降低22.4%。玻璃纤维可以提高泡沫混凝土的稳定性，减小孔径，改善孔的形貌［18］，这样可使气泡的破坏率下降，提高孔隙率，进而降低导热系数。

3.3 玄武岩纤维对泡沫混凝土导热系数的影响

图6为不同含量玄武岩纤维的长度变化对养护龄期7，28 d的泡沫混凝土导热系数影响关系曲线。

图6 不同含量玄武岩纤维的长度与导热系数的关系

由图6可知，含量0.05%的各玄武岩纤维长度变化对泡沫混凝土热工性能的改善效果最佳，各含量下的玄武岩纤维长度均为9 mm 时，导热系数值达到最小；养护龄期28 d 时，含量0.05%、长度为9 mm 的玄武岩纤维使泡沫混凝土的导热系数达到最小值0.239 3 W/（m·K），比不加纤维泡沫混凝土的导热系数降低18.8%。玄武岩纤维在泡沫混凝土中以束状的形式分布，且与泡沫混凝土的界面结合不紧密，对性能的改善不显著［19］。随着玄武岩纤维含量的增加，泡沫混凝土的导热系数逐渐升高，可知高含量的玄武岩不利于改善其热工性能。

4 结论

1）通过对比分析不同掺量粉煤灰的泡沫混凝土的抗压强度与导热系数，得出粉煤灰的最佳掺量为40%，粉煤灰掺量40%的泡沫混凝土导热系数随龄期的增长按照y=-0.171lnx+0.829 7 呈对数降低，相关系数为0.944 7。

2）以优选的粉煤灰泡沫混凝土为基础，聚丙烯纤维的最佳含量、长度为0.15%、9 mm，对应的泡沫混凝土导热系数为0.217 4 W/（m·K），比不加纤维泡沫混凝土的导热系数降低26.2%；玻璃纤维的最佳含量、长度分别为0.10%、12 mm，对应的导热系数为0.228 5 W/（m·K），比不加纤维泡沫混凝土的导热系数降低22.4%；玄武岩纤维的最佳含量、长度：0.05%、9 mm，对应的泡沫混凝土导热系数为0.239 3 W/（m·K），比不加纤维的泡沫混凝土导热系数降低18.8%。

3）在本试验设计的参数变量范围内，含量0.15%、长度9 mm的聚丙烯纤维对泡沫混凝土的热工性能改善效果最佳，为大重度改性保温泡沫混凝土的配制及工程应用提供数据参考。