詹奇淇, 詹炳根

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

0 引 言

水泥基泡沫混凝土作為新型綠色建筑材料不僅具有良好的保溫隔熱性能,而且其較低的密度還有效地降低了建筑自重和造價(jià),現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于墻體保溫、路基回填等建筑工程中,研究前景廣闊。但是隨著我國(guó)墻體革新的深入,建筑領(lǐng)域?qū)ε菽炷恋男阅芴岢隽烁涌量痰囊?則需要容重更低的泡沫混凝土,從而造成了泡沫混凝土的強(qiáng)度難以滿足工程需要,嚴(yán)重制約了其在輕質(zhì)高強(qiáng)方向上的發(fā)展。本文將泡沫混凝土的韌性和抗壓強(qiáng)度作為響應(yīng),由于其大小可以較好地顯示出泡沫混凝土抵抗外荷載和開裂后能夠持續(xù)工作能力的強(qiáng)弱[1],通過(guò)增強(qiáng)泡沫混凝土的韌性和抗壓強(qiáng)度來(lái)解決低密度等級(jí)泡沫混凝土力學(xué)性能較差的問(wèn)題。

現(xiàn)階段已有大量研究表明,纖維對(duì)泡沫混凝土的力學(xué)性能有較好的優(yōu)化作用。文獻(xiàn)[2]研究表明聚丙烯纖維可顯著提高泡沫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,降低干縮率,且隨泡沫摻量越大,效果越明顯;文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇纖維在最適宜的長(zhǎng)度和摻量下,泡沫混凝土具有最高的抗壓抗折強(qiáng)度;文獻(xiàn)[4]研究表明,聚丙烯纖維和玻璃纖維復(fù)摻的情況下可提高泡沫混凝土的抗折性能,但不利于泡沫混凝土的保溫性能;文獻(xiàn)[5]研究表明在抗折強(qiáng)度上,玄武巖纖維比聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維表現(xiàn)更好;文獻(xiàn)[6]通過(guò)研究得出,玻璃纖維可改善泡沫混凝土的比強(qiáng)度。但是目前纖維在泡沫混凝土中應(yīng)用的研究仍集中在800 kg/m3以上的密度等級(jí),急需補(bǔ)充低密度等級(jí)下纖維改善泡沫混凝土力學(xué)性能的研究。因此,本文制定了向泡沫混凝土中外加玄武巖纖維的試驗(yàn)方案,研究其對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,并使用混凝土韌性測(cè)試方法,選取三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行泡沫混凝土韌性實(shí)驗(yàn)的研究,考慮玄武巖纖維摻量和長(zhǎng)徑比為因素,以韌性指數(shù)I5和I10為響應(yīng),系統(tǒng)地研究纖維對(duì)不同密度等級(jí)泡沫混凝土的增韌效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

(1) 水泥。選用巢湖潤(rùn)基公司提供的P.0 52.5級(jí)黑水泥,其有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)見表1所列。

(2) 發(fā)泡劑。本文所使用的發(fā)泡劑是實(shí)驗(yàn)室自制的蛋白類發(fā)泡劑,具有較好的穩(wěn)定性、較低的泌水率以及發(fā)泡倍數(shù)較高的特點(diǎn),外觀呈淡黃色液體,密度為1.02 g/cm3,烘干后剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%,pH值經(jīng)測(cè)定為9～10。

(3) 玄武巖纖維。本文所選用的玄武巖纖維由安徽夢(mèng)谷高新材料有限公司提供,其密度為2.945 g/cm3,平均直徑為13 μm,拉伸強(qiáng)度為3 500 MPa,彈性模量為80 GPa。

(4) 功能外加劑。本課題組配制,用來(lái)改善泡沫混凝土的相關(guān)性能。

(5) 拌合用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

表1 硅酸鹽水泥的各項(xiàng)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

本文主要研究玄武巖纖維對(duì)不同密度等級(jí)泡沫混凝土韌性和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。因此本次試驗(yàn)決定選用2種密度等級(jí)的泡沫混凝土為載體,分別為A05、A07級(jí),其干密度范圍分別處于400～500 kg/m3、600～700 kg/m3之間,試驗(yàn)配合比見表2所列。

表2 A05和A07級(jí)泡沫混凝土試驗(yàn)配合比

注:配合比為1 m3用量;A05表示試件密度等級(jí)為 400～

500 kg/m3,A07表示試件密度等級(jí)為600～700 kg/m3。

表2中選用直徑相等、長(zhǎng)度不相等的玄武巖纖維,纖維長(zhǎng)度設(shè)置為5、10、15 mm。玄武巖纖維的摻量以體積摻量設(shè)置,分別為0.15%、0.30%、0.45%。

1.3 試件制作

先將水泥和外加劑等粉料干拌均勻,再加水?dāng)嚢? min,同時(shí)在攪拌過(guò)程中把事先處理好的纖維分散撒入攪拌鍋內(nèi),待纖維混合均勻后使用發(fā)泡機(jī)進(jìn)行物理發(fā)泡,并將制備出的泡沫加入水泥漿體中攪拌30 s,時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng);拌合出均勻的纖維泡沫混凝土后,入模并用薄膜覆蓋,靜置24 h后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4 測(cè)試方法

本文采用ASTM C1018韌性指數(shù)法,是以理想的彈塑性材料為基礎(chǔ),進(jìn)行彎曲韌性試驗(yàn)后得到荷載撓度曲線,此時(shí)通過(guò)觀察可以確定，試件在外力作用下產(chǎn)生的初始裂縫所對(duì)應(yīng)的撓度,以此作為數(shù)據(jù)研究的基準(zhǔn),記錄撓度δ,確定δ后,在3.0和5.5倍δ的荷載撓度曲線下所對(duì)應(yīng)的面積與撓度δ對(duì)應(yīng)初裂點(diǎn)相應(yīng)面積的比值,分別記為I5、I10,以此作為韌性指數(shù),進(jìn)行泡沫混凝土韌性的研究工作。

試驗(yàn)所選用試件的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d取出后將表面水分擦干。彎曲韌性試驗(yàn)所需儀器為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),采用三點(diǎn)加載方式,加載尺寸如圖1所示,韌性試驗(yàn)加載斷裂后產(chǎn)生的2塊試件可用來(lái)測(cè)試抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)符合以下規(guī)定:

(1) 彎曲韌性試尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體,取出3個(gè)試件作為待檢試件。

(2) 加載速度取0.5 mm/min,開動(dòng)電機(jī),直至試件折斷,記錄荷載-位移曲線,導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

(3) 將數(shù)據(jù)用Origin繪制成平滑的曲線,并求積分得到圖下面積,作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彎曲韌性試驗(yàn)試件的破壞形態(tài)

500 kg/m3和700 kg/m3級(jí)空白組泡沫混凝土,其撓度曲線在達(dá)到極限抗彎荷載前呈線性變化,隨后,荷載迅速下降撓度較小，如圖2所示。

圖2 不同密度玄武巖纖維泡沫混凝土荷載-撓度曲線

不摻纖維泡沫混凝土彎曲韌性試驗(yàn)破壞情況如圖3所示,2組空白組泡沫混凝土底部中間處最先出現(xiàn)裂縫,并迅速形成貫穿裂縫,使得試件斷裂而喪失承載力,最終發(fā)生脆性破壞。

圖3 不摻纖維泡沫混凝土彎曲韌性試驗(yàn)破壞圖

纖維組相對(duì)于空白組泡沫混凝土在加載到極限荷載之前,荷載位移曲線也呈現(xiàn)出線性上升,符合胡克定律,在該階段,泡沫混凝土承受的荷載要遠(yuǎn)多于纖維,隨后當(dāng)外荷載到達(dá)極限承載力,在纖維泡沫混凝土試件的底部開始出現(xiàn)微裂縫,由于裂縫的產(chǎn)生,泡沫混凝土基體在裂縫處的黏結(jié)力直接喪失,此時(shí)纖維開始承擔(dān)全部的荷載,基體撓度得到加大,曲線表現(xiàn)為非線性,隨著外荷載繼續(xù)增大,纖維承擔(dān)的荷載值比例也慢慢增加,如果外力超過(guò)纖維自身的承受能力,那么纖維在基體內(nèi)將面臨拉斷或者拉出泡沫混凝土2種情況,最終泡沫混凝土完全斷開,試件破壞。如圖2韌性試驗(yàn)加載曲線所示,纖維組泡沫混凝土加載曲線下所圍繞的面積要遠(yuǎn)大于不摻纖維的對(duì)照組,其被破壞需要更多的能量,玄武巖纖維增強(qiáng)泡沫混凝土韌性顯著,具體韌性指數(shù)的量化分析見2.2節(jié)。

玄武巖纖維組泡沫混凝土韌性試驗(yàn)破壞情況如圖4所示,試件開裂后沒(méi)有立即斷裂,而是繼續(xù)承載著一定的荷載,直至內(nèi)部纖維被拉斷。

圖4 玄武巖纖維泡沫混凝土韌性試驗(yàn)破壞情況

2.2 彎曲韌性的評(píng)價(jià)和試驗(yàn)結(jié)果分析

本文對(duì)泡沫混凝土彎曲韌性的評(píng)價(jià)采用ASTM C1018試驗(yàn)方法,該方法的響應(yīng)包括韌性指數(shù)I5和I10。

2.2.1 韌性指數(shù)I5、I10

測(cè)試方法已對(duì)韌性指數(shù)計(jì)算方法和原理做出了解釋。其中,關(guān)于I5、I10的計(jì)算分別取3.0倍和5.5倍δ在荷載位移曲線下面積與δ對(duì)應(yīng)的曲線下面積的比值,計(jì)算公式為:

(1)

其中,T為對(duì)應(yīng)撓度下荷載-位移曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積；I5、I10為韌性指標(biāo)。關(guān)于ASTM C1018 定義的韌性指數(shù)值見表3所列。

表3 ASTM C1018定義的韌性指數(shù)值

2.2.2 韌性指數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于A05級(jí)或A07級(jí)同一密度等級(jí)的泡沫混凝土,韌性指數(shù)I5隨著纖維體積摻量增加而增大，如圖5所示。圖5中BF表示纖維長(zhǎng)度,BF5表示纖維長(zhǎng)度5 mm,以此類推，下同。

(a) A05級(jí)泡沫混凝土

(b) A07級(jí)泡沫混凝土圖5 玄武巖纖維對(duì)A05級(jí)和A07級(jí)泡沫混凝土I5的影響

由圖5可知，在A05級(jí)體系中,纖維長(zhǎng)度為15 mm、纖維體積摻量為0.45%試件的I5為2.56,比體積摻量為0.15%、長(zhǎng)度為15 mm的玄武巖泡沫混凝土增長(zhǎng)了約9.4%,由此可知摻量的提高對(duì)于基體韌性的提升起到良好的作用。纖維長(zhǎng)徑比也是韌性變化的重要因素,纖維長(zhǎng)度增加,韌性指數(shù)I5也逐漸增加。當(dāng)體積摻量保持0.45%不變時(shí),纖維從5 mm到10 mm,I5增加了0.06,纖維從10 mm到15 mm,I5增加了0.03,可見纖維長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)增加對(duì)于泡沫混凝土韌性增強(qiáng)是有利的,但增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)逐漸減弱。另外可以發(fā)現(xiàn),同纖維摻量和長(zhǎng)度條件下,A05級(jí)泡沫混凝土韌性指數(shù)I5均小于A07級(jí),說(shuō)明纖維對(duì)高密度等級(jí)泡沫混凝土韌性的增強(qiáng)效果更顯著。

玄武巖纖維對(duì)A05級(jí)和A07級(jí)泡沫混凝土韌性指數(shù)I10的影響，如圖6所示?；贏05或者A07體系中,I10是隨著摻量增加呈現(xiàn)出先增后趨于水平的變化趨勢(shì)。

(a) A05級(jí)泡沫混凝土

(b) A07級(jí)泡沫混凝土圖6 玄武巖纖維對(duì)A05級(jí)和A07級(jí)泡沫混凝土I10的影響

對(duì)于A05級(jí)泡沫混凝土,纖維體積摻量為0.45%、長(zhǎng)度為15 mm的玄武巖纖維泡沫混凝土組,I10達(dá)到最大,為3.47,比體積摻量為0.15%、長(zhǎng)度為15 mm的玄武巖泡沫混凝土組增長(zhǎng)了約21.8%,纖維長(zhǎng)徑比從5 mm增加到15 mm的過(guò)程中,I10是逐漸增大的。當(dāng)體積摻量保持0.45%不變時(shí),纖維從5 mm到10 mm,I10增加了0.16,纖維從10 mm到15 mm,I10增加了0.08,因此可以說(shuō)明在一定范圍內(nèi),纖維長(zhǎng)徑比對(duì)于提高韌性是有利的,且增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)逐漸減弱。另外與I5表現(xiàn)出的規(guī)律一樣,同纖維摻量、長(zhǎng)度條件下,A05級(jí)泡沫混凝土韌性指數(shù)I10均小于A07級(jí),再次表明纖維對(duì)高密度等級(jí)泡沫混凝土韌性的增強(qiáng)效果更強(qiáng)。

纖維摻量因素在提高韌性指數(shù)I5和I10的過(guò)程中表現(xiàn)出其優(yōu)越性,纖維摻量增加后,整個(gè)有機(jī)的纖維泡沫混凝土整體可以承擔(dān)相比于前者更多的荷載,因此也有了較大的變形,通過(guò)觀察曲線可以看出曲線更飽滿,這表明在合理范圍內(nèi),纖維摻量較大的試件可以消耗的能量也越多,韌性指數(shù)更大[7]。

此外,纖維長(zhǎng)度亦是提高韌性的主要因素,纖維彎曲韌性試驗(yàn)后,經(jīng)過(guò)觀察玄武巖纖維泡沫混凝土的斷面情況,發(fā)現(xiàn)有大量纖維露出,并且立于斷面。可知,當(dāng)纖維的長(zhǎng)徑比變大時(shí),使得玄武巖纖維與基體之間接觸的連續(xù)性得到了保障,單根纖維與基體接觸的面積也越大,因此通過(guò)黏結(jié)力使其承載力也會(huì)提高,這就表明纖維長(zhǎng)度的適當(dāng)增加能夠提高泡沫混凝土的韌性。

2.3 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

在抗壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,普通泡沫混凝土破壞時(shí)會(huì)直接炸裂開,表面碎片分散。而外加玄武巖纖維的泡沫混凝土受壓破壞后未碎裂,僅在受壓區(qū)形成非彈性形變及細(xì)小裂紋,破壞情況如圖7所示。

圖7 試件單軸受壓破環(huán)情況

玄武巖纖維對(duì)A05、A07級(jí)泡沫混凝土,28 d抗壓強(qiáng)度的影響如圖8所示。

由圖8可知，A05、A07級(jí)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨著纖維體積摻量的提高而增強(qiáng),且增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸放緩;當(dāng)摻量保持不變時(shí),纖維長(zhǎng)度對(duì)于提高基體抗壓強(qiáng)度的影響也表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí),在適宜的摻量下,500 kg/m3的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)52.3%,700 kg/m3的泡沫混凝土增強(qiáng)33%,玄武巖纖維可以更好地提高低密度等級(jí)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。

產(chǎn)生上述試驗(yàn)結(jié)果,是因?yàn)樾鋷r纖維具有很小的直徑,其表面積較大,纖維表面留存有較多的水分。因此，玄武巖纖維泡沫混凝土相對(duì)于素泡沫混凝土,水分轉(zhuǎn)移的過(guò)程表現(xiàn)得更慢,而泡沫混凝土強(qiáng)度的提升主要來(lái)自于基體水化的情況,摻有玄武巖纖維的泡沫混凝土,其內(nèi)部在水分充分的環(huán)境下,強(qiáng)度得到了充分的發(fā)展,這也是纖維泡沫混凝土強(qiáng)度高于素泡沫混凝土強(qiáng)度的主要原因。

(a) A05級(jí)泡沫混凝土

(b) A07級(jí)泡沫混凝土圖8 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響

此外,強(qiáng)度成長(zhǎng)的過(guò)程中往往伴隨著收縮,收縮受到約束時(shí)則會(huì)出現(xiàn)收縮裂縫,會(huì)增加其薄弱點(diǎn)的數(shù)量,削弱試件的整體性,致使泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度降低。外摻玄武巖纖維后,纖維在泡沫混凝凝土內(nèi)各向的分布形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),限制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展,同時(shí)也會(huì)通過(guò)變形來(lái)轉(zhuǎn)移泡沫混凝土所承受的外力,從而減少泡沫混凝土內(nèi)部薄弱點(diǎn)的數(shù)量,整體性得到提高,因此可以認(rèn)為適當(dāng)?shù)男鋷r纖維摻量和長(zhǎng)度有利于抗壓強(qiáng)度發(fā)展[8]。但是過(guò)量則適得其反,主要是因?yàn)檫^(guò)多的纖維在攪拌過(guò)程中容易造成泡沫的破裂以及泡沫與泡沫之間的合并,致使較多大泡的形成,使得泡沫混凝土表現(xiàn)出不均勻性,所以當(dāng)玄武巖纖維摻量很高時(shí),則對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度不利。

3 結(jié) 論

(1) 相對(duì)于普通組,在彎曲韌性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中纖維泡沫混凝土組充分體現(xiàn)出受力后的變形與延展,且纖維體積摻量越高,纖維泡沫混凝土的變形隨著摻量的提升表現(xiàn)得越強(qiáng),試驗(yàn)曲線相對(duì)于不摻纖維泡沫混凝土表現(xiàn)得更飽滿。

(2) 用來(lái)評(píng)價(jià)韌性的指數(shù)I5和I10,在一定范圍內(nèi),基于A05、A07級(jí)泡沫混凝土,均隨纖維體積摻量和纖維長(zhǎng)徑比的增大而增大。纖維對(duì)A07級(jí)泡沫混凝土韌性的提高作用比A05級(jí)更顯著。

(3) A05級(jí)、A07級(jí)的泡沫混凝土,在玄武巖纖維長(zhǎng)徑比相同的情況下,其抗壓強(qiáng)度都是隨纖維體積摻量的提高而提高。在相同纖維體積摻量下,不同密度等級(jí)泡沫混凝土在玄武巖纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí),其抗壓強(qiáng)度最大。在適宜玄武巖纖維外摻和長(zhǎng)徑比下,A05級(jí)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度可提高至6.09 MPa,相對(duì)于不摻纖維泡沫混凝土增加52.3%,A07級(jí)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度可提高至6.65 MPa,相對(duì)于不摻纖維泡沫混凝土增加33%,玄武巖纖維增強(qiáng)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的效果明顯,且其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于現(xiàn)階段市場(chǎng)上同等密度等級(jí)的泡沫混凝土。