劉一飛，李天成，曾雪花，王義江，高婧賢，周爍釹

(中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室；力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

泡沫混凝土流動性好、密度范圍廣、隔熱性能優(yōu)、原材料消耗低，可作為裝配式建筑輕型墻體及外保溫層，也可作為地下廢棄管線、孔洞充填材料，其物理力學性質(zhì)及工程應用研究頗受關(guān)注[1-3]。

泡沫混凝土的強度主要與密度、水灰比、骨料類型及含量、泡沫種類及添加量、泡孔直徑及形狀、養(yǎng)護方法等諸多因素有關(guān)[4-5]。Sun等[6]研究發(fā)現(xiàn)，干密度為600 kg/m3時，泡沫混凝土最佳水灰比為0.32，28 d齡期泡沫混凝土的抗壓強度達到4.37 MPa。Jiang等[7]發(fā)現(xiàn)，孔隙率在88.5%～95.4%時，泡沫混凝土的抗壓強度為0.12～0.75 MPa，使用早強劑和少量塑化劑以及低水灰比有利于減小泡沫混凝土的干縮及塌落。Pan等[8]也研究了超低干密度泡沫混凝土的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)干密度為150～300 kg/m3時，泡沫混凝土的抗壓強度為0.33～1.1 MPa，吸水率為6.6%～8.3%。使用穩(wěn)泡劑后的泡沫要比普通方法產(chǎn)生的泡沫更穩(wěn)定，機械發(fā)泡和化學發(fā)泡制備的試樣，強度也分別提升34%和20%[9]。添加玻璃纖維可以增大高孔隙率泡沫混凝土抗壓強度，Akthar等[10]研究發(fā)現(xiàn)，纖維未充分分散的試樣，強度并未得到提高，而纖維充分分散的試樣，強度得到提高。陳兵等[11]研究發(fā)現(xiàn)，添加微硅粉和聚丙烯纖維可以顯著提高泡沫混凝土抗壓強度，且摻入纖維后還可提高劈裂抗拉強度，并降低干縮率。

1 試驗材料與方案

1.1 原材料

1)水泥：普通復合硅酸鹽水泥，篩余度1.05%，初凝時間220 min、終凝時間320 min，抗壓強度20.51 MPa(3 d)、抗折強度4.67 MPa(3 d)；其化學成分如表1所示，主要組分為CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3。

表1 硅酸鹽水泥化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of cement (by mass)

2)發(fā)泡劑：JT復合動物蛋白發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)30，發(fā)泡倍數(shù)35，泡沫孔徑0.5～2 mm，泌水性72 mL(1 h)。

3)聚丙烯纖維(Polypropylene Fiber, PF)：直徑31 μm，密度0.91×103kg/m3，彈性模量3.5 GPa，抗拉強度400 MPa，延伸率30%，熔點170 ℃。其中，絲狀纖維選擇3、9、12、19 mm這4種長度，網(wǎng)狀纖維選擇12、19 mm兩種長度。

4)骨料：選用標準砂作為骨料，添加量為水泥漿液質(zhì)量的5%，標準砂級配為粒徑0.075～0.25 mm，質(zhì)量分數(shù)為33.5%，0.25～0.5 mm占1.5%，0.5～1 mm占38.3%，1～2 mm占26.7%。

1.2 試驗方案

考慮水灰比、纖維長度、纖維類型及纖維添加量共4類因素：

1)水灰比：0.40、0.45、0.50。

2)纖維長度：3、9、12、19 mm。

3)纖維類型：絲狀、網(wǎng)狀。

4)纖維添加量：0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(質(zhì)量分數(shù)，下同)。

1.3 試樣制備

具體步驟：

1)稱取水泥、骨料等，加入攪拌機干拌2 min。

2)加入水，繼續(xù)攪拌2 min。

3)加入纖維，攪拌4 min。

4)加入泡沫，攪拌2～3 min(短纖維攪拌時間短)。制備好的泡沫混凝土通過攪拌機反轉(zhuǎn)方式逐一澆注到標準模具，適當手工振搗并刮平表面，靜置24 h后脫模，置于實驗室定期噴水養(yǎng)護7 d。

1.4 參數(shù)測試

干密度按照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2008)規(guī)定進行測定，抗壓、抗拉強度按照《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》(GB/T 5486.2—2001)和《泡沫混凝土砌塊》(JC/T 1062—2007)要求進行測試。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組選擇不少于3塊試樣，且測試值離散度符合規(guī)范要求。

2 抗壓強度變化

2.1 水灰比

選擇工程常用的長度9 mm單絲纖維，測試添加量分別為0.5%、1.0%和1.5%時不同孔隙率下水灰比對抗壓強度的影響，如圖1所示。分析可知：

1)添加纖維后，不同水灰比下，試樣抗壓強度隨孔隙率增加呈指數(shù)降低關(guān)系。如水灰比為0.40、纖維添加量分別為0.5%、1.0%和1.5%時，抗壓強度P與孔隙率φ間的關(guān)系式分別為P=46.59e-0.040φ、P= 87.68e-0.056φ和P=51.22e-0.045φ，3個擬合公式相關(guān)性均為0.99以上。文獻[11]指出，抗壓強度隨干密度增加呈指數(shù)增大，與本文中得出的抗壓強度隨試樣孔隙率增加呈指數(shù)降低的規(guī)律一致。

圖1 纖維泡沫混凝土抗壓強度與孔隙率關(guān)系Fig.1 Effect of porosity on compressive strength of

2)纖維添加量不同，水灰比對抗壓強度的影響也不相同。纖維添加量為0.5%時，低水灰比試樣抗壓強度相對較高。纖維添加量為1.0%時，3種水灰比試樣抗壓強度基本相等。當纖維添加量為1.5%、水灰比為0.50時，抗壓強度又與孔隙率有關(guān),當孔隙率小于40%時，低水灰比試樣抗壓強度相對較高；當孔隙率高于40%時，高水灰比試樣抗壓強度較高。

3)纖維添加量不同，泡沫混凝土抗壓強度的提升幅度也不同。與素泡沫混凝土相比，孔隙率為60%、纖維添加量為0.5%、水灰比為0.40、0.45和0.50時，纖維泡沫混凝土試樣的抗壓強度升幅分別為29.7%、21.8和77.5%。纖維添加量為1.0%時，3種水灰比下抗壓強度分別提升0%、44.9%和83.2%。纖維添加量為1.5%時，3種水灰比下抗壓強度分別增加1.6%、6.2%和156.6%。

2.2 纖維長度

選擇長度分別為3、9、19 mm的3種絲狀纖維，測試干密度600 kg/m3左右試樣的抗壓強度和抗拉強度。其中，抗拉強度采用巴西劈裂法測試，抗拉強度計算公式如式(1)所示。

(1)

式中:f為試樣劈裂抗拉強度，MPa；P為破壞荷載，N；A為試件劈裂面面積，mm2。測試結(jié)果為3個試樣算數(shù)平均值，且同時考慮尺寸系數(shù)0.85，3組結(jié)果的最大值或最小值偏離中間值不超過15%。測試結(jié)果如圖2所示。分析發(fā)現(xiàn)：

1)不同長度絲狀纖維對抗壓/抗拉強度的提升幅度明顯不同。從試驗選擇的3種纖維長度實測來看，短纖維更利于提升抗壓、抗拉強度。添加長度

圖2 纖維長度對抗壓/抗拉強度影響Fig.2 Effect of fiber length on compressive and

為3、9、19 mm的纖維，試樣抗壓強度由同干密度、同水灰比素泡沫混凝土時的1.2 MPa分別增加到3.43、2.86和2.40 MPa，增幅分別為180%、130%和100%；抗拉強度由最初的0.37 MPa分別增大到0.69、0.65、0.52 MPa，增幅分別為86%、75%、40%，對比發(fā)現(xiàn)，3 mm絲狀纖維對抗壓/抗拉強度的提升幅度最大。

2)纖維長度不同，最大抗壓/抗拉強度對應的纖維添加量也不相同。纖維長度為3、9、19 mm時，最優(yōu)纖維添加量分別為0.5%、0.5%、1.0%和1.5%、0.5%、1.0%。試樣的抗壓強度和抗拉強度并非隨纖維添加量增加而單調(diào)增加；當纖維添加量超過一定限值后，試樣強度反而會降低。

圖3為3、9、19 mm的3種長度纖維微觀分布圖，分析發(fā)現(xiàn)，纖維長度越長，試樣內(nèi)部越容易出現(xiàn)纖維團聚。如長度19 mm纖維添加量為1.5%時，出現(xiàn)纖維團聚現(xiàn)象，而長度3、9 mm纖維添加量為1.5%時，纖維分布仍相對分散。對試樣強度影響因素分析發(fā)現(xiàn)，纖維越分散，說明試樣內(nèi)部越趨于各向同性，其強度相應越高；如試樣內(nèi)部出現(xiàn)大面積纖維團聚，則會導致試樣強度降低。

2.3 纖維類型

選擇長度為12、19 mm的絲狀和網(wǎng)狀纖維分別進行強度測試，得到如圖4所示的抗壓強度與抗拉強度變化曲線，分析發(fā)現(xiàn)：

圖3 不同長度纖維分布圖Fig.3 Distribution of fiber with different length

圖4 纖維類型對抗壓/抗拉強度的影響Fig.4 Effect of fiber type on compressive and tensile strengths of

1)隨纖維添加量增加，網(wǎng)狀、絲狀纖維試樣的抗壓/抗拉強度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律；當含量超過一定數(shù)值后，抗壓/抗拉強度甚至低于素泡沫混凝土。原因是纖維在泡沫混凝土中起到“加筋”作用，當添加量過多時，漿體中纖維無法均勻分散，導致漿體固化后無法與纖維緊密連接，反而使得抗壓與抗拉強度減小，如12、19 mm絲狀纖維添加量為2.0%時，試樣抗壓/抗拉強度均低于素泡沫混凝土強度。

2)纖維添加量不同時，絲狀和網(wǎng)狀纖維對抗壓/抗拉強度的提升幅度不同。如圖4(c)、(d)所示，當含量為0.5%時，12、19 mm絲狀及網(wǎng)狀纖維試樣抗拉強度基本相等，而其他含量時，抗拉強度有較大差別；圖4(a)、(b)所示的抗壓強度也有類似結(jié)論，12 mm時，絲狀和網(wǎng)狀纖維間均有較大差異，19 mm時，只有含量在1.0%～1.5%之間時差異較小。

3)網(wǎng)狀纖維對試樣抗壓/抗拉強度的提升優(yōu)于絲狀纖維。只有圖4(a)所示的含量為0.5%和1.0%時，除19 mm絲狀纖維抗壓強度較高外，其余含量以及12 mm纖維網(wǎng)狀試樣抗壓/抗拉強度均高于絲狀纖維。

圖5所示為試樣切割后的截面，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀纖維有較細的分支且彼此交織，與泡沫漿體連接更牢固，且在泡沫漿液中更容易均勻分散；而絲狀纖維分散明顯不均，出現(xiàn)纖維團聚現(xiàn)象，從而影響了試樣的強度。

2.4 應力應變?nèi)€

圖6 纖維泡沫混凝土應力應變?nèi)€Fig.6 Complete stress-strain curves of

2)纖維泡沫混凝土的峰值應力對應的峰值應變減小。素泡沫混凝土峰值應變約為1.4%，而纖維泡沫混凝土的峰值應變一般在0.5%～0.7%之間。說明纖維泡沫混凝土的彈性變形比素泡沫混凝土小，即相同變形時，纖維泡沫混凝土更容易發(fā)生塑性破壞。

3)泡沫混凝土的彈性模量在添加纖維后大幅增加。如圖6(a)所示，干密度600 kg/m3左右時，素泡沫混凝土的彈性模量平均為0.86×102MPa；添加0.5%的9 mm纖維后，泡沫混凝土彈性模量增加到3.8×102MPa，為素泡沫混凝土的4倍。此外，纖維添加量以及纖維長度不同時，彈性模量值存在小幅差異，相同長度絲狀和網(wǎng)狀纖維試樣的彈性模量基本相同。

4)殘余應力在添加纖維后得到不同程度提升。素泡沫混凝土殘余應力為0.86 MPa，而添加纖維后，殘余應力大都在1.5 MPa以上。圖6(b)所示的纖維長度3 mm、含量0.5%的試樣殘余應力約為2.4 MPa，為素泡沫混凝土的2.8倍。

3 孔徑分布及吸水性能變化

3.1 孔徑分布

采用可以自動統(tǒng)計泡孔周長、直徑等參數(shù)的三維視頻顯微系統(tǒng)(HIROX KH-3000VD)，獲得泡沫混凝土試樣截面的孔隙分布圖，同時，對不同直徑的泡孔數(shù)量進行統(tǒng)計，結(jié)果分別如圖7和表2所示。

圖7 不同纖維添量時泡孔圖Fig.7 Images of pore for different fiber

纖維添量/%試樣孔徑分布/%0～20 μm20～30 μm30～40 μm40～50 μm50～100 μm100～300 μm>300 μm00.36.530.911.06.76.65.72.60.538.729.911.16.07.24.82.31.038.629.311.86.68.53.61.51.539.728.613.06.67.83.40.9

圖7所示為長度3 mm纖維添加量分別為0、0.5%、1.0%和1.5%時的泡孔分布，可以發(fā)現(xiàn)，纖維添加量較小時，泡孔圓度較高，且泡孔分布相對均勻；隨著纖維添加量增大，泡孔不再均布，且出現(xiàn)泡孔塌滅現(xiàn)象。表2所示為不同泡孔直徑的統(tǒng)計結(jié)果，小泡孔數(shù)量隨纖維添加量的增加未呈現(xiàn)規(guī)律變化，纖維添加量為0%、0.5%、1.0%和1.5%時，孔徑<20 μm的泡孔數(shù)量百分比分別為36.5%、38.7%、38.6%和39.7%；孔徑100～300 μm和大于300 μm的泡孔數(shù)量隨纖維添加量增大而逐漸降低，如孔徑>300 μm的泡孔占比由纖維添加量0.5%時的2.3%降低到纖維添量1.5%時的0.9%，這與圖7(c)觀測到的泡孔分布圖像吻合。

3.2 吸水性能變化

將添加長度9 mm絲狀纖維后的試樣置于干球溫度和相對濕度分別為30 ℃和75%的恒溫、恒濕機內(nèi)，測試纖維添加量為0.5%、1%和2%的3種試樣含水率隨時間變化情況，如圖8所示。

圖8 含水率變化曲線Fig.8 Variation of water contents with

分析發(fā)現(xiàn)，纖維添加量不同的試樣，含水率隨時間增加逐漸增大，且含水率增幅隨時間增加而不斷降低。原因是試樣與環(huán)境空氣進行的是非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程，初始階段，兩者水蒸氣濃度差較大，故質(zhì)量傳遞速率相應較大。此外，纖維添加量越高，相同時刻內(nèi)試樣含水率也越大，說明泡沫混凝土添加纖維后吸水能力得到不同程度提升。如在20 h時，纖維添加量為0.5%、1%、2%的含水率分別為2.19%、2.35%、2.66%。由于纖維貫通了試樣內(nèi)部的孔隙，纖維添加量越少的試樣，孔隙貫通度越低，材料含水率越低。

4 結(jié)論

1)纖維增強泡沫混凝土的抗壓強度隨孔隙率增加呈指數(shù)降低，水灰比對纖維增強泡沫混凝土的抗壓強度的提升隨纖維添加量、孔隙率不同而不同。

2)短纖維更利于提升抗壓/抗拉強度，強度增幅受纖維添加量影響。當纖維添加量超過限值后，試樣強度不升反降。網(wǎng)狀纖維對試樣抗壓/抗拉強度的提升優(yōu)于絲狀纖維，纖維最優(yōu)添加量與纖維長度、類型等有關(guān)。

4)小孔徑(<20 μm)泡孔數(shù)量隨纖維添加量的變化，未呈現(xiàn)規(guī)律變化，大直徑(>100 μm)泡孔數(shù)量隨纖維添加量增大，逐漸降低；纖維泡沫混凝土的吸水性能隨纖維添加量增加而增強。