張朋，朱雪峰，李清海，李東旭

（1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；

2.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

三維間隔連體玻璃纖維織物增強泡沫混凝土的研究

張朋1，朱雪峰1，李清海2，李東旭1

（1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；

2.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

研究了三維間隔連體玻璃纖維織物增強泡沫混凝土的彎曲強度、拉拔強度以及導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明：三維間隔連體玻璃纖維織物可以使泡沫混凝土的彎曲強度達到3.11 MPa，比空白對照組提高了12倍；拉拔強度達到0.185 MPa，比空白對照組提高了7倍；導(dǎo)熱系數(shù)為0.138 W/（m·K），仍具有很好的保溫隔熱性能。并對三維間隔連體玻璃纖維織物增強泡沫混凝土力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能變化機理進行了研究。

泡沫混凝土；三維間隔連體玻璃纖維織物；彎曲強度；拉拔強度；導(dǎo)熱系數(shù)

泡沫混凝土具有價廉、保溫性能好和防火等級高等優(yōu)點，但其脆性大、拉拔強度和彎曲強度低。隨著泡沫混凝土應(yīng)用的發(fā)展，在一些預(yù)制屋面保溫板的應(yīng)用中提出了提高抗彎強度和拉拔強度的硬性要求。本文通過三維間隔連體玻璃纖維織物（以下簡稱3D織物，見圖1）來改善泡沫混凝土相應(yīng)的力學(xué)性能。3D織物是一種上下面層均由經(jīng)紗（X向）、緯紗（Y向）“十字”交叉編織而成，上下面層之間用芯柱紗線（Z向）進行編織連接的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[1]。3D織物具有整體性、輕質(zhì)、可設(shè)計性等特點[2]。

圖13 D織物實物

關(guān)于3D織物增強泡沫材料的研究，現(xiàn)有文獻中以3D織物增強有機泡沫保溫材料[3-6]居多，如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫本文研究的3D織物增強泡沫混凝土用于屋面保溫板中。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥，邢臺產(chǎn)，化學(xué)成分見表1，主要性能指標(biāo)見表2；粉煤灰：Ⅱ級，比表面積470 m2/kg；減水劑：CBMA萘系高效減水劑，減水率為18%；3D織物：用ZrO2含量為16.7%耐堿玻璃纖維紗編織而成，常州伯龍三維復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，主要性能指標(biāo)見表3；環(huán)氧樹脂：南通星辰合成材料有限公司生產(chǎn)；固化劑：天津市津?qū)幦突瘜W(xué)有限公司生產(chǎn)；雙氧水：50%濃度，市售；水：自來水；添加劑：主要成分為偏鋁酸鈉和氧化鈣等，中國建筑材料科學(xué)研究總院生產(chǎn)。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分%

表2 快硬硫鋁酸鹽水泥的主要性能指標(biāo)

表3 3D織物的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

1.2.1 試件制備

將3D織物放入模具M1（600 mm×400 mm×30 mm）中并固定，另一個相同模具M2中不放3D織物，按表4配合比稱料。干料倒入攪拌桶后加水并攪拌，自加入水時開始計時，先慢速攪拌12 s左右，再快速攪拌至3 min，倒入雙氧水溶液（倒入過程中一直攪拌），再攪拌8 s，立即將攪拌好的漿體倒入模具M1、M2中，靜停發(fā)泡。4 h后脫模，在實驗室自然養(yǎng)護至3 d，將制得的保溫板切割成試驗所需的抗彎試驗試塊（400 mm×100 mm×30 mm）、拉拔試驗試塊（100 mm×100 mm×30 mm）、導(dǎo)熱試驗試塊（300 mm×300 mm×30 mm）后進行相關(guān)性能測試。

表4 3D織物增強泡沫混凝土配合比

1.2.2 四點彎曲測試

參考GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進行，跨距為300 mm，加載速度為5 mm/min。相關(guān)計算公式如

式（1）、式（2）所示。

式中：σLop——抗彎比例極限強度（即抗彎強度），MPa；

E——抗彎彈性模量，MPa；

P1——抗彎比例極限載荷，N；

L——跨距，mm；

b——試件寬度，mm；

δ——跨中撓度，mm；

h——試件厚度，mm。

1.2.3 拉拔強度測試

按照JG 149—2003《膨脹聚苯板抹灰外墻保溫系統(tǒng)》附錄D進行，每組5個試件，試件用環(huán)氧樹脂和固化劑按1∶0.2質(zhì)量比配制的膠粘劑與拉拔頭粘結(jié)，以（5±1）mm/min的速度拉拔。記錄最大拉拔力F，拉拔強度σmt=F/A，A為試件粘結(jié)面積。

1.2.4 導(dǎo)熱系數(shù)測試

按照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》進行，試件在（65±2）℃烘干至恒重，升溫與降溫速率控制在10℃/h以內(nèi)。導(dǎo)熱系數(shù)測定儀冷板溫度設(shè)定為15℃，熱板溫度為35℃，預(yù)熱時間30 min，測試并記錄試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與分析

有3D織物增強的和無織物增強的空白對照組泡沫混凝土性能測試結(jié)果見表5。

表5 泡沫混凝土的性能測試結(jié)果

2.1 抗彎強度分析

由表5可見，有3D織物增強的A1組泡沫混凝土試件抗彎強度σLop達到3.11 MPa，相比于空白對照組A2提高了近12倍；抗彎彈性模量E達到78.9 MPa，相比于A2組提高了16.7倍。A1組試件抗彎試驗破壞情況見圖2。

由圖2可以看出，A1組試件在四點彎曲試驗中經(jīng)受最大彎曲荷載后依然能保持很好的形態(tài)，而無3D織物增強的泡沫混凝土試件則完全折斷?？梢?D織物可以有效改善泡沫混凝土的抗彎性能。

圖2 A1組試件抗彎試驗破壞情況

A1組、A2組試件彎曲荷載隨撓度的變化曲線見圖3。

圖3 彎曲荷載隨撓度的變化曲線

由圖3可以看出，在撓度-彎曲荷載曲線的前期，都會出現(xiàn)一段近似的斜線。這一階段，由于有3D織物增強的A1組泡沫混凝土試件下表面經(jīng)紗承受了部分彎曲荷載以及3D織物和泡沫混凝土協(xié)同受彎，也就是說這一段曲線對應(yīng)的彎曲試驗過程中A1組試件3D織物和泡沫混凝土同時在承受彎曲荷載，而A2組試件只有泡沫混凝土承受彎曲荷載，使得A1組試件承受的最大彎曲荷載遠大于A2組試件，計算得到的抗彎彈性模量也遠大于A2組試件。

圖3（a）中，隨著彎曲試驗進行，彎曲荷載變大。當(dāng)彎曲荷載變大到一定值時，即達到抗彎比例極限荷載P1時，彎曲荷載隨之降低，曲線呈現(xiàn)非線性變化。這時，如果沒有3D織物增強，試件將完全斷裂脫離壓頭，四點彎曲試驗應(yīng)當(dāng)?shù)酱私Y(jié)束。但是3D織物在經(jīng)受抗彎比例極限荷載時并未斷裂，由于3D織物的斷裂伸長率遠大于泡沫混凝土，所以A1組試件在經(jīng)歷抗彎比例極限荷載以后，其下表面經(jīng)紗依然在承受彎曲荷載。并且由于3D織物的拉伸斷裂強度較高，故經(jīng)過一段的下降趨勢后，彎曲荷載又逐漸上升，并最終維持在較高值。

A1組試件在整個彎曲試驗過程中，上表面的泡沫混凝土受到擠壓，下表面的3D織物經(jīng)紗一直受到拉伸。由于3D織物經(jīng)紗、緯紗和芯柱相互交織網(wǎng)絡(luò)整個試件，使得下表面受到的彎曲荷載通過紗線傳遞、分散，并傳遞到泡沫混凝土內(nèi)部最終，A1組試件整體協(xié)同承受彎曲荷載和經(jīng)紗的拉伸阻止作用使得泡沫混凝土的斷裂大大延遲。由于3D織物本身具有較高的抗拉強度，從而使得最終3D織物在泡沫混凝土板斷裂后仍能承受一定時間的較高彎曲荷載。

在本次四點彎曲試驗后期A1組試件嚴(yán)重變形，雖然能維持彎曲荷載在較高值，但基層已經(jīng)嚴(yán)重破壞，失去了使用價值。

2.2 拉拔強度分析

由表5可見，有3D織物增強的A1組泡沫混凝土試件拉拔強度為0.185 MPa，相比于沒有織物增強的空白對照組A2提高了7倍。原因有以下2點：

（1）在拉拔試驗中，A1組試件的3D織物和泡沫混凝土同時通過環(huán)氧樹脂與拉拔頭粘結(jié)，A2組試件僅泡沫混凝土與拉拔頭粘結(jié)。并且，3D織物與拉拔頭的粘結(jié)相較于泡沫混凝土與拉拔頭的粘結(jié)更加牢固，故A1組試件的拉拔強度會更高。

（2）30 mm厚度的A1組試件中3D織物芯柱非直線型而是呈“Ω”型，也就是說在芯柱受拉過程中，需要先“伸直”才能承受最大的拉拔力。芯柱在“伸直”過程中需要克服泡沫混凝土對其的束縛，這個過程泡沫混凝土和芯柱同時受到拉拔極大提高了A1組試件的拉拔強度。

3D織物增強后的泡沫混凝土A1試件的拉拔強度相較于A2組得到了很大提高，這為泡沫混凝土作為預(yù)制保溫板的設(shè)計提供了新思路：3D織物可以使得屋面保溫板上下面板通過芯柱連接，通過控制芯柱的粗細，以適應(yīng)上下面板互相牽制所需的拉拔力。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)分析

由表5可見，有3D織物增強的A1組泡沫混凝土試件干密度為406.2kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.138W（/m·K）。沒有3D織物增強的A2組試件干密度為335 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.083 W/ （m·K）。A1組試件干密度相較于A2組增大了21.3%，這是由于3D織物占據(jù)了原本屬于泡沫混凝土的空間，并且3D織物的干密度比泡沫混凝土大；另外，3D織物“阻隔”發(fā)泡過程導(dǎo)致“破泡”，也增大了A1組試件的干密度。A1組試件導(dǎo)熱系數(shù)較A2組增大了66.3%，說明3D織物的復(fù)合導(dǎo)致泡沫混凝土隔熱性能下降，原因有2點：（1）在泡沫混凝土發(fā)泡過程中，3D織物摻加導(dǎo)致密度上升，同時氣孔率下降；（2）玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)[7]為1.09 W/（m·K），也就是說玻璃纖維編織的3D織物導(dǎo)熱系數(shù)遠大于空氣和泡沫混凝土，并且3D織物芯柱是連通了上下面板，這也會形成一定意義上的“熱橋”，促進了上下面板的熱量傳導(dǎo)，從而使保溫板的隔熱性能下降。

干密度為406.2 kg/m3的3D織物增強泡沫混凝土試件，導(dǎo)熱系數(shù)為0.138 W/（m·K），仍然具有很好的保溫隔熱性能。

3 結(jié)論

（1）3D織物增強泡沫混凝土試件的彎曲強度達到3.11 MPa，比空白對照組提高了12倍。這是由于試件下表面3D織物中的經(jīng)紗承受了部分彎曲荷載，同時經(jīng)紗、緯紗和芯柱與泡沫混凝土協(xié)同受彎、整體增強所致。

（2）3D織物增強泡沫混凝土試件拉拔強度達到0.185 MPa，比空白對照組提高了7倍。這是因為3D織物與拉拔頭的粘結(jié)相較于泡沫混凝土與拉拔頭的粘結(jié)更牢固，同時3D織物芯柱的拉拔強度高。

（3）3D織物增強泡沫混凝土試件干密度為406.2 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.138 W/（m·K）。干密度較空白對照組增大了21.3%，這是由于3D織物占據(jù)了原本屬于泡沫混凝土的空間，同時3D織物“阻隔”發(fā)泡過程，導(dǎo)致“破泡”，也增大了試件的密度。隔熱性能較空白對照組降低了67%，這是由于3D織物增強泡沫混凝土干密度增大，以及上下板連通的3D織物芯柱形成的“熱橋”效應(yīng)所致。但3D織物增強泡沫混凝土保溫板仍然具有良好的保溫隔熱性能。

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Study on foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric

ZHANG Peng1，ZHU Xuefeng1，LI Qinghai2，LI Dongxu1
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China；
2.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

Bending strength，tensile strength and thermal conductivity of foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric were studied.The experimental results show that 3D glass fiber spacer fabric can significantly increase the bending strength of foam concrete to 3.11 MPa，increased 12 times.Tensile strength reached to 0.185 MPa，increased 7 times.Thermal conductivity is 0.138 W/（m·K），which still has very good thermal insulation property.The mechanical properties of foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric and the change mechanisms of foam concrete thermal conductivity were also studied.

foam concrete，3D glass fiber spacer fabric，bending strength，tensile strength，thermal conductivity

TU528.2

A

1001-702X（2016）09-0091-04

國家科技支撐計劃項目（2014BAL03B04）

2016-02-29

張朋，男，1989年生，河南沈丘人，碩士，主要研究方向為建筑保溫材料。