劉曉賀，岳祖潤(rùn)，周江濤，宋宏芳，狄啟光

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050043；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

泡沫混凝土是以水泥為主要膠凝材料，可摻加粉煤灰、細(xì)砂、礦粉、陶粒、硅灰、纖維等，各摻料按照一定的比例與水充分混合形成漿體，再混合由發(fā)泡劑溶液制備的均勻穩(wěn)定的氣泡形成易澆筑的泡沫流體，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后成型的一種輕質(zhì)微孔的工程材料［1］。該材料具有良好的保溫、隔熱、抗震、吸聲等性能，廣泛應(yīng)用于橋涵臺(tái)背回填［2］、公路拓寬改建及路堤防治［3-4］、寒區(qū)隧道保溫及隧道減震層［5-6］、鐵路路基施工及軟土地基處理［7-9］等工程領(lǐng)域。

隨著泡沫混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，對(duì)泡沫混凝土的研究也逐漸深入。文獻(xiàn)［10］通過(guò)泡沫混凝土的碳化深度、抗凍融循環(huán)能力、干密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系分析了高性能泡沫混凝土的耐久性，總結(jié)了獲得高性能泡沫混凝土的技術(shù)方法，指出創(chuàng)造更耐用的泡沫混凝土材料可以提高材料的使用壽命，促進(jìn)自然資源的合理利用。纖維的摻加可以提高泡沫混凝土的抗壓、抗拉和抗劈裂強(qiáng)度，也可較好地改善其干縮性能［11-12］。文獻(xiàn)［13］研究了摻和料種類對(duì)泡沫混凝土性能的影響，得出在密度一定時(shí)，粉煤灰的增加可提高泡沫混凝土的強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于泡沫混凝土的工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究主要集中在低重度（密度＜1 000 kg/m3）泡沫混凝土的力學(xué)特性、耐久性和物理性能上，對(duì)大重度泡沫混凝土及其導(dǎo)熱特性的研究較少。為使泡沫混凝土的應(yīng)用更加廣泛，對(duì)其研究十分必要。

本文以優(yōu)選的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土為基礎(chǔ)，分別摻加聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，研究不同纖維種類的不同摻加方式對(duì)干密度恒為1 200 kg/m3泡沫混凝土導(dǎo)熱特性的影響，為工程建設(shè)尤其寒區(qū)鐵路工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

1.1 原材料

水泥：河北某公司生產(chǎn)的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間142 min，終凝時(shí)間198 min。

粉煤灰：河北某電廠提供的Ⅰ級(jí)活性粉煤灰，細(xì)度7.7%，需水比88%，燒失量2.34%。

發(fā)泡劑：廣東某公司提供的高性能復(fù)合發(fā)泡劑。

聚丙烯纖維：上海某公司提供，直徑17.85 μm，抗拉強(qiáng)度780 MPa，彈性模量8.75 GPa。

玻璃纖維：取自鹽城市星輝玻纖廠，直徑9 μm，含水率2%。

玄武巖纖維：取自江蘇康達(dá)夫新材料科技有限公司，拉伸強(qiáng)度2.75×103MPa，拉伸彈性模量90.1 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率2.92%。

以上3種纖維的長(zhǎng)度規(guī)格為6，9，12，15 mm。

1.2 試樣的制備

本試驗(yàn)所采用的配合比設(shè)計(jì)體系方法為干表觀密度法［14-15］。試驗(yàn)前將水泥、粉煤灰、水、發(fā)泡液、纖維等按設(shè)計(jì)體系方法及流程進(jìn)行充分混合均勻攪拌并澆筑成型，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，具體的泡沫混凝土制備工藝如圖1所示。

圖1 泡沫混凝土制備工藝

2 粉煤灰泡沫混凝土最優(yōu)配比比選

為找出水泥與粉煤灰的最佳摻量比，依據(jù)配合比設(shè)計(jì)體系的干表觀密度法，設(shè)計(jì)干密度恒為1 200 kg/m3，取粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為0，20%，30%，40%，50%，60%，分別進(jìn)行6 種配合比的泡沫混凝土試驗(yàn)，測(cè)試各配比養(yǎng)護(hù)齡期3，7，14，28 d 的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，并根據(jù)這2項(xiàng)指標(biāo)選出性能最優(yōu)的粉煤灰泡沫混凝土。粉煤灰摻量與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 粉煤灰摻量與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖2（a）可知，隨著粉煤灰摻量的增加，不同齡期的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度呈緩慢降低趨勢(shì)；在養(yǎng)護(hù)齡期14，28 d，粉煤灰摻量不超過(guò)40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加，無(wú)明顯降低；當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加迅速下降。因此，就抗壓強(qiáng)度而言，粉煤灰的最佳摻量為40%。

由圖2（b）可知，隨著粉煤灰摻量的增加，各養(yǎng)護(hù)齡期泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)曲線呈平穩(wěn)趨勢(shì)，即導(dǎo)熱系數(shù)受粉煤灰的摻量變化影響較小。由于粉煤灰呈細(xì)微球形顆粒，具有火山灰效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)［16］，可以配合水泥顆粒將氣泡均勻穩(wěn)定地包裹在混合漿料里，而不影響氣泡的分布和存在狀態(tài)，所以粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響較小。

綜上所述，干密度為1 200 kg/m3的泡沫混凝土粉煤灰最佳摻量為40%。圖3為粉煤灰摻量為40%的泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。

圖3 40%粉煤灰的泡沫混凝土齡期與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖3可知，導(dǎo)熱系數(shù)隨齡期的增長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)下降，相關(guān)系數(shù)為0.944 7。以此為最優(yōu)配比進(jìn)行不同種類纖維不同摻加方式的泡沫混凝土導(dǎo)熱特性試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4為摻加聚丙烯纖維的泡沫混凝土在纖維含量一定的情況下，隨著聚丙烯纖維的長(zhǎng)度變化，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期7，28 d時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線。

圖4 不同含量聚丙烯纖維的長(zhǎng)度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖4可知，養(yǎng)護(hù)齡期7 d 時(shí)，含量為0.15%的聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土的保溫性能改善效果最佳；養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時(shí)，聚丙烯纖維的含量、長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響變化趨勢(shì)與養(yǎng)護(hù)齡期7 d 時(shí)接近，當(dāng)聚丙烯纖維含量為0.15%，長(zhǎng)度為9 mm 時(shí)，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值0.217 4 W/（m·K），比不摻加纖維時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)降低26.2%。

聚丙烯纖維可以使泡沫混凝土的孔壁及孔間隙中的空洞、裂縫等缺陷數(shù)量減少，內(nèi)部氣孔數(shù)量增多，平均氣孔孔徑變?。?7］，使氣孔結(jié)構(gòu)得到改善，進(jìn)而提高泡沫混凝土的孔隙率?？紫堵适怯绊憣?dǎo)熱系數(shù)的重要因素?？紫堵试礁撸菽炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)越低。所以不同含量不同長(zhǎng)度聚丙烯纖維的摻加有利于改善泡沫混凝土熱工性能，提高其保溫隔熱性能。

3.2 玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖5為摻加特定含量玻璃纖維的泡沫混凝土，隨著纖維長(zhǎng)度的變化，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期7，28 d 導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線。

圖5 不同含量玻璃纖維的長(zhǎng)度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖5可知：養(yǎng)護(hù)齡期7 d時(shí)，含量0.10%的各長(zhǎng)度玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土熱工性能的改善效果最佳，含量0.15%的玻璃纖維次之；養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，各含量各長(zhǎng)度的玻璃纖維對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響趨勢(shì)接近齡期7 d時(shí)的情況；含量0.10%、長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維使泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值0.228 5 W/（m·K），比不摻加纖維的導(dǎo)熱系數(shù)降低22.4%。玻璃纖維可以提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性，減小孔徑，改善孔的形貌［18］，這樣可使氣泡的破壞率下降，提高孔隙率，進(jìn)而降低導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖6為不同含量玄武巖纖維的長(zhǎng)度變化對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期7，28 d的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響關(guān)系曲線。

圖6 不同含量玄武巖纖維的長(zhǎng)度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖6可知，含量0.05%的各玄武巖纖維長(zhǎng)度變化對(duì)泡沫混凝土熱工性能的改善效果最佳，各含量下的玄武巖纖維長(zhǎng)度均為9 mm 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)值達(dá)到最??；養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時(shí)，含量0.05%、長(zhǎng)度為9 mm 的玄武巖纖維使泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值0.239 3 W/（m·K），比不加纖維泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低18.8%。玄武巖纖維在泡沫混凝土中以束狀的形式分布，且與泡沫混凝土的界面結(jié)合不緊密，對(duì)性能的改善不顯著［19］。隨著玄武巖纖維含量的增加，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，可知高含量的玄武巖不利于改善其熱工性能。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)比分析不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)，得出粉煤灰的最佳摻量為40%，粉煤灰摻量40%的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨齡期的增長(zhǎng)按照y=-0.171lnx+0.829 7 呈對(duì)數(shù)降低，相關(guān)系數(shù)為0.944 7。

2）以優(yōu)選的粉煤灰泡沫混凝土為基礎(chǔ)，聚丙烯纖維的最佳含量、長(zhǎng)度為0.15%、9 mm，對(duì)應(yīng)的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.217 4 W/（m·K），比不加纖維泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低26.2%；玻璃纖維的最佳含量、長(zhǎng)度分別為0.10%、12 mm，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.228 5 W/（m·K），比不加纖維泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低22.4%；玄武巖纖維的最佳含量、長(zhǎng)度：0.05%、9 mm，對(duì)應(yīng)的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.239 3 W/（m·K），比不加纖維的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低18.8%。

3）在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)變量范圍內(nèi)，含量0.15%、長(zhǎng)度9 mm的聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土的熱工性能改善效果最佳，為大重度改性保溫泡沫混凝土的配制及工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。