玄武岩纤维泡沫混凝土性能研究及抗裂评价

范然森, 程 新, 詹炳根

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥 230009)

近年来,泡沫混凝土作为建筑节能材料在国内大范围应用[1],但在实际工程应用中,泡沫混凝土墙体材料仍存在着收缩大、容易出现裂缝等缺陷[2]，从而使其使用受到了限制。

目前加入泡沫混凝土中的纤维主要有玻璃纤维、聚乙烯醇纤维、碳纤维及玄武岩纤维等,但后者的系统研究相对较少。文献[3]研究了聚乙烯醇纤维对泡沫混凝土吸水率、强度、收缩率等影响，结果表明,聚乙烯醇纤维能提高泡沫混凝土的力学性能及抗裂性能；文献[4]研究发现在泡沫混凝土中加入硅灰、粉煤灰以及不同纤维，在一定程度上能够大幅度地改善其力学性能,并且碳纤维和抗碱玻璃纤维均可以很好地提高水泥基材的力学性能以及断裂韧性；文献[5]通过试验发现掺入玻璃纤维能够使得泡沫混凝土的干燥收缩减少；文献[6]探讨了玄武岩纤维对泡沫混凝土的力学性能和热导性的影响,尚未对收缩和抗裂性能进行研究。

影响开裂的因素有很多，例如抗拉强度、弹模、水化温升、线膨胀系数、极限拉伸值、徐变等。目前,大多数学者在对水泥基材料开裂问题的研究过程中,提出的评价方法多与收缩有关联[7-8]。少部分学者则以变形能力和抗拉强度评价泡沫混凝土的抗裂性能,存在一定的片面性和局限性。

本文系统地研究了玄武岩纤维长度、掺量对泡沫混凝土强度、弹性模量、干燥收缩及开裂的影响。在此基础上提出了3个可能适用于评价泡沫混凝土抗裂的指标,并将其与实际开裂情况进行对比,找出最适合评价泡沫混凝土抗裂的指标。

1 原材料及试验

1.1 原材料

(1) 水泥。选用巢湖海螺公司的P.O 52.5级黑水泥,其相关性能指标见表1所列。

表1 硅酸盐水泥的各项指标

(2) 发泡剂。本试验所使用的发泡剂是实验室自制的蛋白类发泡剂,其稳定性高、泌水率低,发泡倍数较高,外观呈淡黄色液体,密度1.02 g/cm3,烘干后剩余质量分数为37%,pH值经测定为9～10。

(3) 玄武岩纤维(BF)。本试验所选用的玄武岩纤维由安徽梦谷高新材料有限公司提供,其密度为2.945 g/cm3,平均直径为13.0 μm,拉伸强度为3 500 MPa,弹性模量为80.0 GPa。

(4) 拌合水。选用自来水。

1.2 抗裂评价指标

当试件在两端被限制后,泡沫混凝土开裂,自身收缩在其内部产生了拉应力,当拉应力超过其本身的抗拉强度时就会引起开裂[9]。因此可以考虑采用内部拉应力与基体抗拉强度的相对大小来评价纤维对泡沫混凝土阻裂的作用,拉应力大则试件开裂,拉应力小则不开裂。内部拉应力σ(ε)和σ(ε)/ft的计算公式分别为：

σ(ε)=Eε

(1)

σ(ε)/ft=φEε/ft

(2)

其中,E为弹性模量;ε为干缩值;φ为修正系数。采用K1=Eε/ft(内部拉应力与基体抗拉强度比值)来评价泡沫混凝土的抗裂性能,可以侧向体现阻裂的效果。除此之外,可引入用于评价混凝土抗裂性能的指标弹强比[10]来评价泡沫混凝土。考虑采用K2=E/fc(基体弹性模量与抗压强度比值)来评价泡沫混凝土的抗裂性能。另外,可引入用于评价水泥砂浆抗裂性能的指标压折比(砂浆抗裂性的指标之一)来评价泡沫混凝土。考虑采用K3=fc/ff(基体抗压强度与抗折强度比值)来评价泡沫混凝土的抗裂性能。间接抗裂指标K1、K2、K3的值越小,抗裂性能越好。

通过椭圆环约束试验观察泡沫混凝土的实际开裂时间和裂缝宽度提出实际开裂指标K4=W/tcr(裂缝宽度与开裂时间比值),该值越小,则说明抗裂性能越好。

1.3 试验方案

首先采用物理发泡机制备泡沫,按水灰比0.2且加入泡沫搅拌,再掺入纤维进行搅拌,随后将混合筑模养护,到规定龄期再进行后续试验。本次试验用物理发泡法制备出密度为500～600 kg/m3的泡沫混凝土。设置纤维长度分别为5、10、15 mm,纤维掺量分别为0.15%、0.30%、0.45%，并设置一个不掺纤维的基准组。

本试验对试件进行力学性能、干燥收缩和实际开裂测试。力学性能测试包括抗压、抗折、弹性模量测试,其中借鉴文献[11]的方法,取荷载-挠度曲线上σ=0.5σ0处的割线模量作为弹性模量值。干燥收缩主要通过比长仪测试硬化28 d时泡沫混凝土的收缩率,实际开裂情况通过椭圆环形约束试验观察试件实际的开裂时间、裂缝宽度。基于所测得的各性能数值,将其代入公式求出间接开裂指标K1、K2、K3和实际开裂指标K4,并将本文所提出的K1、K2、K3的3个间接抗裂指标与实际开裂指标K4对比,找出最适合用来评价泡沫混凝土实际开裂情况的指标。

2 试验结果与分析

2.1 纤维对泡沫混凝土力学性能的影响

2.1.1 对强度的影响

玄武岩纤维长度及掺量对28 d抗压、抗折强度的影响如图1、图2所示。图中，BF5、BF10、BF15分别表示掺入纤维长度为5、10、15 mm泡沫混凝土。下同。

图1 玄武岩纤维对泡沫混凝土28 d抗压强度的影响

图2 玄武岩纤维对泡沫混凝土28 d抗折强度的影响

由图1可知,加入不同长度的玄武岩纤维后,泡沫混凝土的28 d抗压强度均随纤维掺量的增大而提升;同一掺量下,纤维长度越长,抗压强度越大,掺量为0.45%时,纤维长度从5 mm增加到10 mm时抗压强度涨幅为6.4%,纤维长度从10 mm增加到15 mm时抗压强度涨幅为6.9%;同一长度下,纤维掺量越多,抗压强度越大,长度为15 mm、纤维掺量为0.45%时抗压强度比不掺纤维组涨幅为51.2%,此时抗压强度比长度为5 mm和10 mm组均有明显增长。

由图2可知,在同一纤维长度下,28 d抗折强度随着纤维掺量的提高而大幅度的增加；长度为5 mm、纤维掺量为0.45%时抗折强度比基准组提升了156%，0.45%掺量下,10 mm和15 mm组的抗折强度分别提升183%、206%；在同一纤维掺量下,抗折强度随着纤维长度的变长而提升,掺量为0.45%时,长度为15 mm抗折强度最大,依次为10、5 mm。因此,纤维长度为15 mm且掺量为0.45%时对抗压、抗折强度达到最大，分别为6.08、1.90 MPa。

2.1.2 对荷载挠度曲线及弹性模量的影响

玄武岩纤维长度及掺量对荷载-位移曲线、弹性模量的影响如图3、图4所示。图3中，BF5-0.15表示掺入纤维的长度为5 mm、掺入量为0.15%的泡沫混凝土，以此类推。

图3 不同纤维长度及掺量下的荷载-位移曲线

图4 玄武岩纤维对泡沫混凝土弹性模量的影响

由图3可知,掺入纤维能提高泡沫混凝土的极限荷载;同一长度下,极限荷载随纤维掺量的增大而提高;同一掺量下,极限荷载随纤维掺量的增大而提高;荷载-位移曲线所包围的面积可以用破坏能来表征,掺入纤维也能提高荷载-位移曲线所包围的面积,此面积越大破坏能越大,泡沫混凝土抗裂性越好;纤维长度为15 mm、掺量为0.45%时面积最大,破坏能为0.057 7 J,比纤维长度为5 mm、掺量为0.15%时增长99%,抗裂性能得到明显改善。

由图4可知,掺入纤维能明显提高泡沫混凝土的弹性模量；同一长度下,弹性模量随掺量的增加而增加,长度为5 mm、纤维掺量为0.45%时弹性模量比基准组上升了29%,0.45%掺量下,10 mm和15 mm组别弹性模量分别提升34%、45%;在同一纤维掺量下,弹性模量随着纤维长度的增长而提高,掺量为0.45%时,纤维长度从5 mm增加到10 mm时弹性模量增长6.1%,纤维长度从10 mm增加到15 mm时弹性模量增长7.9%,此时弹性模量最大,为529 MPa,说明纤维长度越长对弹性模量越有利。

2.2 纤维对泡沫混凝土抗裂性能的影响

2.2.1 对干燥收缩及开裂的影响

玄武岩纤维长度及掺量对干燥收缩值、开裂时间的影响如图5、图6所示。

图5 玄武岩纤维对泡沫混凝土28 d干燥收缩的影响

图6 玄武岩纤维对泡沫混凝土开裂的影响

由图5可知,掺入纤维能明显降低泡沫混凝土28 d的干燥收缩值；同一长度下,干燥收缩值随纤维掺量先下降后有小幅上升,当掺量为0.30%时各长度下干燥收缩值已经达到最低,继续掺入纤维反而会使收缩略增大;同一掺量下,纤维越长,干燥收缩值越低,这是由于长纤维对泡沫混凝土内部产生的拉应力能很好地限制其收缩应力的发展。因此,当纤维长度为15 mm、掺量为0.30%时对抑制干燥收缩发展的效果最佳。

由图6可知,掺入纤维能明显延长泡沫混凝土的开裂时间。开裂时间随着纤维掺量增大先上升后降低,当掺量小于0.30%时,开裂时间随纤维掺量的增加而延长。掺量大于0.30%后,继续掺入纤维反而会降低其开裂时间;同一掺量下,开裂时间最晚的是10 mm组别,其次是5 mm,15 mm纤维开裂时间反而更早。因此,当纤维掺量为0.30%、长度为10 mm对延迟开裂时间最有利,此时开裂时间为69 h,比基准组延长了42 h。各长度的纤维均能有效减少泡沫混凝土的裂缝宽度,且随着纤维掺量增加裂缝宽度表现为先增后减,在掺量为30%时,各长度下裂缝宽度均达到最低,且长度为15 mm时裂缝宽度均明显小于5、10 mm。因此当纤维掺量为0.30%、长度为15 mm时对减小裂缝宽度最有利,此时裂缝宽度仅为0.4 mm,较基准组降幅75%。

2.2.2 抗裂评价指标

基于各性能测试所计算的抗裂评价指标见表2所列。

表2 抗裂性能评价指标计算结果

由表2可知,纤维泡沫混凝土的K1值都小于基准组,且同一长度下,K1值随着纤维掺量增加持续降低;同一掺量下,K1值随着长度变长而减小,掺量为0.45%、长度为15 mm时K1值最小。掺入纤维后K2值均略小于基准组,随着掺量增加,K2有小幅度下降,但是纤维长度对泡沫混凝土K2值基本没有影响。掺入纤维后K3值都低于基准组,同一长度下其K3值均由掺量增加呈现下降的趋势;掺量相同时,10 mm组与15 mm组的K3降低效果相近，且优于5 mm组。

2.2.3 抗裂评价指标与实际开裂情况对比

抗裂评价指标与实际开裂情况对比如图7所示。

图7 K1、K2、K3与K4的线性相关性

由图7可知,实际开裂指标K4与间接开裂指标K1、K2、K3之间相关系数依次为0.934 42、0.417 92、0.857 87。以上反映了实际开裂指标K4与间接开裂指标K1、K2、K3之间存在着显著的相关关系。并且由于0.934 42>0.857 87>0.417 92,间接反映了泡沫混凝土抗裂性能的三大指标K1、K2、K3中,K1与K4之间的线性相关性更显著,其次分别是K3、K2。因此认为采用K1作为泡沫混凝土抗裂性能的评价指标更具代表性。

纤维掺量、长度对K1的影响见表3所列。从表3可以看出,对于玄武岩纤维泡沫混凝土的K1值,掺量的F值比长度大，为14.295,其Sig值比长度小，为0.015,说明掺量是影响K1最主要的因素,其次是纤维长度。纤维掺量从0.15%增加至0.45%时,其K1估算均值均表现出持续降低的趋势,则说明随着纤维掺量的增加,对泡沫混凝土K1的影响作用表现出降低的趋势;纤维长度对泡沫混凝土K1的估算均值为5 mm最大、10 mm其次、15 mm最小,说明纤维长度的增加对K1的降低起到较好的作用。综上分析,对于泡沫混凝土K1的影响,纤维掺量为0.45%、长度为15 mm的玄武岩纤维对提升抗裂能力最好。

表3 纤维掺量、长度对K1的影响

3 结 论

(1) 在泡沫混凝土中加入不同长度、掺量的玄武岩纤维能提高其抗压、抗折强度及弹性模量。同一长度下,掺量越多,强度和弹性模量越高;同一掺量下,长度越长,强度和弹性模量越高。当纤维长度为15 mm、掺量为0.45%时,28 d抗压、抗折强度及弹性模量达到最大,分别为6.08、1.90、529 MPa。

(2) 在泡沫混凝土中加入不同长度、掺量的玄武岩纤维能有效限制其干燥收缩及开裂的发展。纤维长度为15 mm、掺量为0.3%时,28 d干燥收缩值最小。纤维掺量为0.30%,长度为10 mm时,对延迟开裂时间最有利,此时开裂时间比基准组延长了42 h;当纤维掺量为0.30%、长度为15 mm时,裂缝宽度最小仅为0.4 mm。

(3) 基于各性能测试的结果提出3个间接抗裂评价指标K1、K2、K3,它们与实际开裂指标K4的线性相关性分别为0.934 42、0.417 92、0.857 87。说明采用K1来评价泡沫混凝土的抗裂性能更合适,且通过分析得出影响K1的主次因素依次为纤维掺量、纤维长度。并得出玄武岩纤维掺量为0.45%、长度为15 mm时对改善抗裂性能最有利。