范然森, 程 新, 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)

近年來(lái),泡沫混凝土作為建筑節(jié)能材料在國(guó)內(nèi)大范圍應(yīng)用[1],但在實(shí)際工程應(yīng)用中,泡沫混凝土墻體材料仍存在著收縮大、容易出現(xiàn)裂縫等缺陷[2]，從而使其使用受到了限制。

目前加入泡沫混凝土中的纖維主要有玻璃纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維及玄武巖纖維等,但后者的系統(tǒng)研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[3]研究了聚乙烯醇纖維對(duì)泡沫混凝土吸水率、強(qiáng)度、收縮率等影響，結(jié)果表明,聚乙烯醇纖維能提高泡沫混凝土的力學(xué)性能及抗裂性能；文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)在泡沫混凝土中加入硅灰、粉煤灰以及不同纖維，在一定程度上能夠大幅度地改善其力學(xué)性能,并且碳纖維和抗堿玻璃纖維均可以很好地提高水泥基材的力學(xué)性能以及斷裂韌性；文獻(xiàn)[5]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入玻璃纖維能夠使得泡沫混凝土的干燥收縮減少；文獻(xiàn)[6]探討了玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土的力學(xué)性能和熱導(dǎo)性的影響,尚未對(duì)收縮和抗裂性能進(jìn)行研究。

影響開(kāi)裂的因素有很多，例如抗拉強(qiáng)度、彈模、水化溫升、線膨脹系數(shù)、極限拉伸值、徐變等。目前,大多數(shù)學(xué)者在對(duì)水泥基材料開(kāi)裂問(wèn)題的研究過(guò)程中,提出的評(píng)價(jià)方法多與收縮有關(guān)聯(lián)[7-8]。少部分學(xué)者則以變形能力和抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)泡沫混凝土的抗裂性能,存在一定的片面性和局限性。

本文系統(tǒng)地研究了玄武巖纖維長(zhǎng)度、摻量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度、彈性模量、干燥收縮及開(kāi)裂的影響。在此基礎(chǔ)上提出了3個(gè)可能適用于評(píng)價(jià)泡沫混凝土抗裂的指標(biāo),并將其與實(shí)際開(kāi)裂情況進(jìn)行對(duì)比,找出最適合評(píng)價(jià)泡沫混凝土抗裂的指標(biāo)。

1 原材料及試驗(yàn)

1.1 原材料

(1) 水泥。選用巢湖海螺公司的P.O 52.5級(jí)黑水泥,其相關(guān)性能指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 硅酸鹽水泥的各項(xiàng)指標(biāo)

(2) 發(fā)泡劑。本試驗(yàn)所使用的發(fā)泡劑是實(shí)驗(yàn)室自制的蛋白類發(fā)泡劑,其穩(wěn)定性高、泌水率低,發(fā)泡倍數(shù)較高,外觀呈淡黃色液體,密度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(BF)。本試驗(yàn)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13.0 μm,拉伸強(qiáng)度為3 500 MPa,彈性模量為80.0 GPa。

(4) 拌合水。選用自來(lái)水。

1.2 抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)試件在兩端被限制后,泡沫混凝土開(kāi)裂,自身收縮在其內(nèi)部產(chǎn)生了拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)其本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)引起開(kāi)裂[9]。因此可以考慮采用內(nèi)部拉應(yīng)力與基體抗拉強(qiáng)度的相對(duì)大小來(lái)評(píng)價(jià)纖維對(duì)泡沫混凝土阻裂的作用,拉應(yīng)力大則試件開(kāi)裂,拉應(yīng)力小則不開(kāi)裂。內(nèi)部拉應(yīng)力σ(ε)和σ(ε)/ft的計(jì)算公式分別為：

σ(ε)=Eε

(1)

σ(ε)/ft=φEε/ft

(2)

其中,E為彈性模量;ε為干縮值;φ為修正系數(shù)。采用K1=Eε/ft(內(nèi)部拉應(yīng)力與基體抗拉強(qiáng)度比值)來(lái)評(píng)價(jià)泡沫混凝土的抗裂性能,可以側(cè)向體現(xiàn)阻裂的效果。除此之外,可引入用于評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能的指標(biāo)彈強(qiáng)比[10]來(lái)評(píng)價(jià)泡沫混凝土?？紤]采用K2=E/fc(基體彈性模量與抗壓強(qiáng)度比值)來(lái)評(píng)價(jià)泡沫混凝土的抗裂性能。另外,可引入用于評(píng)價(jià)水泥砂漿抗裂性能的指標(biāo)壓折比(砂漿抗裂性的指標(biāo)之一)來(lái)評(píng)價(jià)泡沫混凝土?？紤]采用K3=fc/ff(基體抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度比值)來(lái)評(píng)價(jià)泡沫混凝土的抗裂性能。間接抗裂指標(biāo)K1、K2、K3的值越小,抗裂性能越好。

通過(guò)橢圓環(huán)約束試驗(yàn)觀察泡沫混凝土的實(shí)際開(kāi)裂時(shí)間和裂縫寬度提出實(shí)際開(kāi)裂指標(biāo)K4=W/tcr(裂縫寬度與開(kāi)裂時(shí)間比值),該值越小,則說(shuō)明抗裂性能越好。

1.3 試驗(yàn)方案

首先采用物理發(fā)泡機(jī)制備泡沫,按水灰比0.2且加入泡沫攪拌,再摻入纖維進(jìn)行攪拌,隨后將混合筑模養(yǎng)護(hù),到規(guī)定齡期再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)用物理發(fā)泡法制備出密度為500～600 kg/m3的泡沫混凝土。設(shè)置纖維長(zhǎng)度分別為5、10、15 mm,纖維摻量分別為0.15%、0.30%、0.45%，并設(shè)置一個(gè)不摻纖維的基準(zhǔn)組。

本試驗(yàn)對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能、干燥收縮和實(shí)際開(kāi)裂測(cè)試。力學(xué)性能測(cè)試包括抗壓、抗折、彈性模量測(cè)試,其中借鑒文獻(xiàn)[11]的方法,取荷載-撓度曲線上σ=0.5σ0處的割線模量作為彈性模量值。干燥收縮主要通過(guò)比長(zhǎng)儀測(cè)試硬化28 d時(shí)泡沫混凝土的收縮率,實(shí)際開(kāi)裂情況通過(guò)橢圓環(huán)形約束試驗(yàn)觀察試件實(shí)際的開(kāi)裂時(shí)間、裂縫寬度?；谒鶞y(cè)得的各性能數(shù)值,將其代入公式求出間接開(kāi)裂指標(biāo)K1、K2、K3和實(shí)際開(kāi)裂指標(biāo)K4,并將本文所提出的K1、K2、K3的3個(gè)間接抗裂指標(biāo)與實(shí)際開(kāi)裂指標(biāo)K4對(duì)比,找出最適合用來(lái)評(píng)價(jià)泡沫混凝土實(shí)際開(kāi)裂情況的指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

2.1.1 對(duì)強(qiáng)度的影響

玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)28 d抗壓、抗折強(qiáng)度的影響如圖1、圖2所示。圖中，BF5、BF10、BF15分別表示摻入纖維長(zhǎng)度為5、10、15 mm泡沫混凝土。下同。

圖1 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土28 d抗折強(qiáng)度的影響

由圖1可知,加入不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維后,泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均隨纖維摻量的增大而提升;同一摻量下,纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng),抗壓強(qiáng)度越大,摻量為0.45%時(shí),纖維長(zhǎng)度從5 mm增加到10 mm時(shí)抗壓強(qiáng)度漲幅為6.4%,纖維長(zhǎng)度從10 mm增加到15 mm時(shí)抗壓強(qiáng)度漲幅為6.9%;同一長(zhǎng)度下,纖維摻量越多,抗壓強(qiáng)度越大,長(zhǎng)度為15 mm、纖維摻量為0.45%時(shí)抗壓強(qiáng)度比不摻纖維組漲幅為51.2%,此時(shí)抗壓強(qiáng)度比長(zhǎng)度為5 mm和10 mm組均有明顯增長(zhǎng)。

由圖2可知,在同一纖維長(zhǎng)度下,28 d抗折強(qiáng)度隨著纖維摻量的提高而大幅度的增加；長(zhǎng)度為5 mm、纖維摻量為0.45%時(shí)抗折強(qiáng)度比基準(zhǔn)組提升了156%，0.45%摻量下,10 mm和15 mm組的抗折強(qiáng)度分別提升183%、206%；在同一纖維摻量下,抗折強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的變長(zhǎng)而提升,摻量為0.45%時(shí),長(zhǎng)度為15 mm抗折強(qiáng)度最大,依次為10、5 mm。因此,纖維長(zhǎng)度為15 mm且摻量為0.45%時(shí)對(duì)抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為6.08、1.90 MPa。

2.1.2 對(duì)荷載撓度曲線及彈性模量的影響

玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)荷載-位移曲線、彈性模量的影響如圖3、圖4所示。圖3中，BF5-0.15表示摻入纖維的長(zhǎng)度為5 mm、摻入量為0.15%的泡沫混凝土，以此類推。

圖3 不同纖維長(zhǎng)度及摻量下的荷載-位移曲線

圖4 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土彈性模量的影響

由圖3可知,摻入纖維能提高泡沫混凝土的極限荷載;同一長(zhǎng)度下,極限荷載隨纖維摻量的增大而提高;同一摻量下,極限荷載隨纖維摻量的增大而提高;荷載-位移曲線所包圍的面積可以用破壞能來(lái)表征,摻入纖維也能提高荷載-位移曲線所包圍的面積,此面積越大破壞能越大,泡沫混凝土抗裂性越好;纖維長(zhǎng)度為15 mm、摻量為0.45%時(shí)面積最大,破壞能為0.057 7 J,比纖維長(zhǎng)度為5 mm、摻量為0.15%時(shí)增長(zhǎng)99%,抗裂性能得到明顯改善。

由圖4可知,摻入纖維能明顯提高泡沫混凝土的彈性模量；同一長(zhǎng)度下,彈性模量隨摻量的增加而增加,長(zhǎng)度為5 mm、纖維摻量為0.45%時(shí)彈性模量比基準(zhǔn)組上升了29%,0.45%摻量下,10 mm和15 mm組別彈性模量分別提升34%、45%;在同一纖維摻量下,彈性模量隨著纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而提高,摻量為0.45%時(shí),纖維長(zhǎng)度從5 mm增加到10 mm時(shí)彈性模量增長(zhǎng)6.1%,纖維長(zhǎng)度從10 mm增加到15 mm時(shí)彈性模量增長(zhǎng)7.9%,此時(shí)彈性模量最大,為529 MPa,說(shuō)明纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)彈性模量越有利。

2.2 纖維對(duì)泡沫混凝土抗裂性能的影響

2.2.1 對(duì)干燥收縮及開(kāi)裂的影響

玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)干燥收縮值、開(kāi)裂時(shí)間的影響如圖5、圖6所示。

圖5 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土28 d干燥收縮的影響

圖6 玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土開(kāi)裂的影響

由圖5可知,摻入纖維能明顯降低泡沫混凝土28 d的干燥收縮值；同一長(zhǎng)度下,干燥收縮值隨纖維摻量先下降后有小幅上升,當(dāng)摻量為0.30%時(shí)各長(zhǎng)度下干燥收縮值已經(jīng)達(dá)到最低,繼續(xù)摻入纖維反而會(huì)使收縮略增大;同一摻量下,纖維越長(zhǎng),干燥收縮值越低,這是由于長(zhǎng)纖維對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力能很好地限制其收縮應(yīng)力的發(fā)展。因此,當(dāng)纖維長(zhǎng)度為15 mm、摻量為0.30%時(shí)對(duì)抑制干燥收縮發(fā)展的效果最佳。

由圖6可知,摻入纖維能明顯延長(zhǎng)泡沫混凝土的開(kāi)裂時(shí)間。開(kāi)裂時(shí)間隨著纖維摻量增大先上升后降低,當(dāng)摻量小于0.30%時(shí),開(kāi)裂時(shí)間隨纖維摻量的增加而延長(zhǎng)。摻量大于0.30%后,繼續(xù)摻入纖維反而會(huì)降低其開(kāi)裂時(shí)間;同一摻量下,開(kāi)裂時(shí)間最晚的是10 mm組別,其次是5 mm,15 mm纖維開(kāi)裂時(shí)間反而更早。因此,當(dāng)纖維摻量為0.30%、長(zhǎng)度為10 mm對(duì)延遲開(kāi)裂時(shí)間最有利,此時(shí)開(kāi)裂時(shí)間為69 h,比基準(zhǔn)組延長(zhǎng)了42 h。各長(zhǎng)度的纖維均能有效減少泡沫混凝土的裂縫寬度,且隨著纖維摻量增加裂縫寬度表現(xiàn)為先增后減,在摻量為30%時(shí),各長(zhǎng)度下裂縫寬度均達(dá)到最低,且長(zhǎng)度為15 mm時(shí)裂縫寬度均明顯小于5、10 mm。因此當(dāng)纖維摻量為0.30%、長(zhǎng)度為15 mm時(shí)對(duì)減小裂縫寬度最有利,此時(shí)裂縫寬度僅為0.4 mm,較基準(zhǔn)組降幅75%。

2.2.2 抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于各性能測(cè)試所計(jì)算的抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2所列。

表2 抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由表2可知,纖維泡沫混凝土的K1值都小于基準(zhǔn)組,且同一長(zhǎng)度下,K1值隨著纖維摻量增加持續(xù)降低;同一摻量下,K1值隨著長(zhǎng)度變長(zhǎng)而減小,摻量為0.45%、長(zhǎng)度為15 mm時(shí)K1值最小。摻入纖維后K2值均略小于基準(zhǔn)組,隨著摻量增加,K2有小幅度下降,但是纖維長(zhǎng)度對(duì)泡沫混凝土K2值基本沒(méi)有影響。摻入纖維后K3值都低于基準(zhǔn)組,同一長(zhǎng)度下其K3值均由摻量增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);摻量相同時(shí),10 mm組與15 mm組的K3降低效果相近，且優(yōu)于5 mm組。

2.2.3 抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)與實(shí)際開(kāi)裂情況對(duì)比

抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)與實(shí)際開(kāi)裂情況對(duì)比如圖7所示。

圖7 K1、K2、K3與K4的線性相關(guān)性

由圖7可知,實(shí)際開(kāi)裂指標(biāo)K4與間接開(kāi)裂指標(biāo)K1、K2、K3之間相關(guān)系數(shù)依次為0.934 42、0.417 92、0.857 87。以上反映了實(shí)際開(kāi)裂指標(biāo)K4與間接開(kāi)裂指標(biāo)K1、K2、K3之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系。并且由于0.934 42>0.857 87>0.417 92,間接反映了泡沫混凝土抗裂性能的三大指標(biāo)K1、K2、K3中,K1與K4之間的線性相關(guān)性更顯著,其次分別是K3、K2。因此認(rèn)為采用K1作為泡沫混凝土抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)更具代表性。

纖維摻量、長(zhǎng)度對(duì)K1的影響見(jiàn)表3所列。從表3可以看出,對(duì)于玄武巖纖維泡沫混凝土的K1值,摻量的F值比長(zhǎng)度大，為14.295,其Sig值比長(zhǎng)度小，為0.015,說(shuō)明摻量是影響K1最主要的因素,其次是纖維長(zhǎng)度。纖維摻量從0.15%增加至0.45%時(shí),其K1估算均值均表現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢(shì),則說(shuō)明隨著纖維摻量的增加,對(duì)泡沫混凝土K1的影響作用表現(xiàn)出降低的趨勢(shì);纖維長(zhǎng)度對(duì)泡沫混凝土K1的估算均值為5 mm最大、10 mm其次、15 mm最小,說(shuō)明纖維長(zhǎng)度的增加對(duì)K1的降低起到較好的作用。綜上分析,對(duì)于泡沫混凝土K1的影響,纖維摻量為0.45%、長(zhǎng)度為15 mm的玄武巖纖維對(duì)提升抗裂能力最好。

表3 纖維摻量、長(zhǎng)度對(duì)K1的影響

3 結(jié) 論

(1) 在泡沫混凝土中加入不同長(zhǎng)度、摻量的玄武巖纖維能提高其抗壓、抗折強(qiáng)度及彈性模量。同一長(zhǎng)度下,摻量越多,強(qiáng)度和彈性模量越高;同一摻量下,長(zhǎng)度越長(zhǎng),強(qiáng)度和彈性模量越高。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為15 mm、摻量為0.45%時(shí),28 d抗壓、抗折強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到最大,分別為6.08、1.90、529 MPa。

(2) 在泡沫混凝土中加入不同長(zhǎng)度、摻量的玄武巖纖維能有效限制其干燥收縮及開(kāi)裂的發(fā)展。纖維長(zhǎng)度為15 mm、摻量為0.3%時(shí),28 d干燥收縮值最小。纖維摻量為0.30%,長(zhǎng)度為10 mm時(shí),對(duì)延遲開(kāi)裂時(shí)間最有利,此時(shí)開(kāi)裂時(shí)間比基準(zhǔn)組延長(zhǎng)了42 h;當(dāng)纖維摻量為0.30%、長(zhǎng)度為15 mm時(shí),裂縫寬度最小僅為0.4 mm。

(3) 基于各性能測(cè)試的結(jié)果提出3個(gè)間接抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)K1、K2、K3,它們與實(shí)際開(kāi)裂指標(biāo)K4的線性相關(guān)性分別為0.934 42、0.417 92、0.857 87。說(shuō)明采用K1來(lái)評(píng)價(jià)泡沫混凝土的抗裂性能更合適,且通過(guò)分析得出影響K1的主次因素依次為纖維摻量、纖維長(zhǎng)度。并得出玄武巖纖維摻量為0.45%、長(zhǎng)度為15 mm時(shí)對(duì)改善抗裂性能最有利。