程寶軍，康升榮，麻鵬飛，楊文，史博元

（中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610064）

0 前言

高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是以水泥漿或砂漿為基體，以纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料[1]，具有高延性、高耐久、裂縫寬度小且裂縫能夠自愈合等特點(diǎn)[2]。近年來(lái)，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料因其具有防止或減少裂縫、改善長(zhǎng)期工作性能、提高變形能力和耐久性[3]等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，并且都取得了良好的效果。

在我國(guó)，建筑物耗能總量占全社會(huì)總能耗的1/3，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的能量占建筑能耗的2/3[4]。因此，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)革新是解決建筑節(jié)能問(wèn)題的關(guān)鍵，尤其是墻體保溫發(fā)揮作用巨大。國(guó)內(nèi)外許多研究人員，相繼研制一些新型的墻板，如木復(fù)合墻板、石膏復(fù)合墻板、輕質(zhì)鋼骨隔墻等[5-7]。上述墻體材料在使用過(guò)程中存在力學(xué)性能差、保溫及隔聲效果不佳、耐火及耐久性差等問(wèn)題。泡沫混凝土作為一種輕質(zhì)多孔的無(wú)機(jī)材料，保溫、防火以及隔聲是其最基本的優(yōu)點(diǎn)[8]。為此，本文基于高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料和泡沫混凝土設(shè)計(jì)研究了一種新型復(fù)合墻板。該復(fù)合墻板通過(guò)抽芯工藝預(yù)制空心率≥75%的空心墻板，再在空心墻板內(nèi)澆筑泡沫混凝土制得。研究了基于高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料復(fù)合墻板的熱力學(xué)和耐火性能。在火災(zāi)環(huán)境下，水泥水化產(chǎn)物失水、組成/結(jié)構(gòu)演化將使得其力學(xué)性能及保溫性能的劣化，因此研究其耐火極限測(cè)試后復(fù)合墻板微觀結(jié)構(gòu)及物相組成具有重要意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，密度為3160 kg/m3，峨勝水泥集團(tuán)股份有限公司；硅灰：半加密硅灰；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，四川宜賓發(fā)電廠；粉煤灰微珠：一級(jí)，安徽友勝建材科技集團(tuán)有限公司；集料：200目石英粉；減水劑：自制聚羧酸類高性能減水劑，減水率為35%，固含量為50%；消泡劑：SN-DEFOAMER 1370型圣消洛消泡劑，圣諾普科有限公司；纖維素醚：羥丙基甲基纖維素（HPMC）。泡沫混凝土泡沫劑：HTQ-1型復(fù)合發(fā)泡劑，河南華泰新材科技股份有限公司；有機(jī)硅憎水劑：德國(guó)瓦克化學(xué)股份有限公司；纖維：PVA短纖維Ⅱ-PVA，四川維尼綸廠生產(chǎn)，其技術(shù)性能見表1。

表1 PVA纖維的性能

1.2 復(fù)合墻板的制備

基于高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料復(fù)合墻板由高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料空心墻板（基材抗壓強(qiáng)度≥80 MPa，抗折強(qiáng)度≥20 MPa）和不同密度等級(jí)泡沫混凝土芯體[導(dǎo)熱系數(shù)為0.048～0.20 W/（m·K）]組成。其各部分組成見表2。高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料空心墻板的構(gòu)造尺寸及復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2 復(fù)合墻板各部分組成

圖1 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料空心墻板構(gòu)造尺寸及復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)示意

1.3 測(cè)試與表征方法

1.3.1 復(fù)合墻板耐火性測(cè)試

耐火極限和燃燒性能等級(jí)測(cè)試參照GBT 9978—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》進(jìn)行。燃燒性能等級(jí)測(cè)試試件外觀尺寸為100 mm×300 mm×300 mm，每組試驗(yàn)用3塊板；耐火極限試驗(yàn)試件面積為3000 mm×3000 mm，由5塊600 mm×2400 mm×100 mm和5塊600 mm×600 mm×100 mm的墻板拼裝組成。

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

使用德國(guó)布魯克AXS有限公司生產(chǎn)的Bruker D8 AD VANCE A25X型X-射線衍射儀（XRD）、FEI Inspect F50型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）和Super Octane型能譜儀（EDS）對(duì)耐火極限試驗(yàn)前后纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料和泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合墻板的熱力學(xué)性能

2.1.1 熱工性能

針對(duì)高性能纖維增強(qiáng)水泥基材料復(fù)合墻板的隔熱保溫性能，測(cè)試了空腔板和填充不同密度等級(jí)泡沫混凝土的復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 墻板傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表3可知，未填充泡沫混凝土的HW墻板傳熱系數(shù)高達(dá)3.13 W/（m2·K），而在填充泡沫混凝土后墻板的傳熱系數(shù)明顯降低。并且，隨著泡沫混凝土干密度的降低，復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)明顯降低。泡沫混凝土內(nèi)部氣孔含量隨著干密度的降低顯著增加，而水泥基材料的絕熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣，泡沫混凝土的絕熱性能隨其干密度的降低而顯著提高。泡沫混凝土絕熱性能的提升使得復(fù)合墻板整體的傳熱系數(shù)顯著降低。其中，以復(fù)合墻板CW-3的傳熱系數(shù)最低，為0.77 W/（m2·K）。根據(jù)GB 50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，100 mm厚的CW-3墻板能滿足夏熱冬冷地區(qū)公共建筑外墻傳熱系數(shù)要求。

對(duì)空心墻板及填充不同密度等級(jí)泡沫混凝土的復(fù)合墻板進(jìn)行熱工理論計(jì)算研究。在墻板熱工理論計(jì)算中，主要用傳熱阻R0、傳熱系數(shù)K來(lái)評(píng)價(jià)墻板的保溫隔熱性能。墻板傳熱計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 墻板的傳熱計(jì)算結(jié)果

從表4可知，空心墻板HW的傳熱阻較低，為0.162（m2·K）/W，而復(fù)合墻板的傳熱阻隨著填充的泡沫混凝土密度等級(jí)的降低而增大。從傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，空心墻板HW傳熱系數(shù)較高，為3.20 W/（m2·K），復(fù)合墻板中CW-3傳熱系數(shù)最低，為0.82 W/（m2·K）。此外，墻板傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相差不大。

2.1.2 耐火性能

燃燒性能指材料燃燒或遇火時(shí)所發(fā)生的物理和化學(xué)變化，這項(xiàng)性能由材料表面的著火性和火焰?zhèn)鞑バ?、發(fā)熱、發(fā)煙、炭化、失重以及毒性生成物的產(chǎn)生等特性來(lái)衡量。對(duì)HW和CW-3墻板的燃燒性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 HW和CW-3墻板燃燒性能測(cè)試結(jié)果

從表5可知，HW和CW-3的燃燒性能均為A1級(jí)，表明二者均為不燃制品，在高溫下幾乎不發(fā)生燃燒反應(yīng)。相較于HW，CW-3爐內(nèi)溫升△T降低40%，質(zhì)量損失率△m降低50%，總熱值PCS降低67%。

耐火極限指在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)條件下[10-11]，建筑構(gòu)件、配件或結(jié)構(gòu)從受火作用時(shí)起，至失去承載能力、完整性或隔熱性時(shí)止所用的時(shí)間。檢測(cè)判據(jù)為構(gòu)件失去完整性或絕熱性。試件表面出現(xiàn)穿透性裂縫或穿火的孔隙即為失去完整性，試件背火面測(cè)溫點(diǎn)平均溫度升到140 ℃或任一測(cè)點(diǎn)溫升到220 ℃即為失去絕熱性。CW-3耐火極限試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 CW-3耐火極限試驗(yàn)過(guò)程

從圖2可以看出，耐火極限試驗(yàn)時(shí)試件背火面隨時(shí)間變化，加熱3 min左右時(shí)，試件開始出現(xiàn)持續(xù)30 min左右的異響，這是由于溫度上升引起材料膨脹，擠壓粘接縫所致。加熱45 min左右時(shí)背火面接縫位置出現(xiàn)由粘結(jié)砂漿水分蒸發(fā)而引起的水印，且水印位置由中心接縫持續(xù)向周圍擴(kuò)展。加熱至90 min左右時(shí)，背火面水印逐漸消失。加熱至180 min時(shí)，背火面未出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間超過(guò)10 s的火焰，棉墊未被點(diǎn)燃，且探棒不可以穿過(guò)縫隙，試件未失去完整性，試件的耐火極限＞180 min。持續(xù)加熱至187 min時(shí)，伴隨著炸裂聲，試件背火面中間位置出現(xiàn)了板面的局部脫落，脫落位置有明顯的火光透出，表明耐火試件已失去完整性。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程背火面最高溫升123 ℃，平均溫升100 ℃，表明CW-3墻板隔熱性能優(yōu)異。耐火極限試驗(yàn)后使墻板自然冷卻至室溫。耐火前后試件受火面外觀變化如圖3所示。

圖3 CW-3墻板耐火極限試驗(yàn)前后受火面外觀變化

從圖3可以看出，在長(zhǎng)達(dá)3 h的持續(xù)高溫下，CW-3受火面高性能纖維增強(qiáng)水泥基材料雖然在不同位置出現(xiàn)了程度不一的破損、脫落，以及保溫材料的外露，其中損壞最嚴(yán)重的部位已經(jīng)將板面整體燒穿，但CW-3整體保存還較完整，能夠支撐自身質(zhì)量豎立。

上述燃燒性能及耐火極限試驗(yàn)表明，HW和CW-3的燃燒性能均為A1級(jí)，屬于不燃制品；CW-3墻板在1000 ℃高溫下耐火極限達(dá)3 h。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)及物相組成分析

耐火極限測(cè)試前后高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的XRD、SEM分析分別如圖4、圖5所示。

圖4 耐火極限測(cè)試前后高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的XRD圖譜

從圖4可以看出：耐火極限測(cè)試前，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的主要物相組成是CaCO3和鈣礬石，其中CaCO3來(lái)源于原料中石灰石粉，鈣礬石則是由水泥水化產(chǎn)物C-A-H（水化鋁酸鈣）和硫酸根離子結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶水化產(chǎn)物；耐火極限測(cè)試后，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的主要物相組成有CaCO3、鈣礬石、CaO和鈣鋁黃長(zhǎng)石，其中CaCO3和鈣礬石是其在高溫下未發(fā)生分解反應(yīng)的殘留物相，鈣鋁黃長(zhǎng)石和CaO由CaCO3和鈣礬石在高溫下化學(xué)反應(yīng)生成。

圖5 耐火極限測(cè)試前后高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的SEM照片

從圖5可以看出：耐火極限測(cè)試前，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中具有棱角的塊狀顆粒為石灰石粉，其來(lái)于原料中的石灰石粉；針棒狀物相為鈣礬石，由水泥水化產(chǎn)物C-A-H（水化鋁酸鈣）和硫酸根粒子結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶物水化硫鋁酸鈣；凝膠狀態(tài)的物相為水化硅酸鈣（C-S-H），是由硅酸三鈣和硅酸二鈣在常溫下水化產(chǎn)生并伴有氫氧化鈣生成。經(jīng)高溫作用后，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料各物相組成發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新物相，呈顆粒狀晶體。1000 ℃高溫下，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料各物相發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)有碳酸鈣分解產(chǎn)生二氧化碳和氧化鈣，水化硅酸鈣分解產(chǎn)生硅酸三鈣、硅酸二鈣、二氧化硅和水，鈣礬石分解產(chǎn)生鋁酸三鈣、氧化鈣和水，鋁酸三鈣和二氧化硅反應(yīng)生成鈣鋁黃長(zhǎng)石和硅酸三鈣，化學(xué)反應(yīng)式如下：

耐火極限測(cè)試前后泡沫混凝土的XRD物相分析、SEM分析如圖6、圖7所示。

圖6 泡沫混凝土的XRD圖譜

從圖6可以看出：耐火極限測(cè)試前，泡沫混凝土的主要物相組成是CaCO3和C-H-S凝膠，CaCO3有方解石型和球霰石型2種構(gòu)型，其中方解石和C-H-S凝膠來(lái)源于原料中水泥及粉煤灰的水化反應(yīng)，球霰石是由動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑中的氨基酸作為導(dǎo)向劑沉淀產(chǎn)生；耐火極限測(cè)試后，泡沫混凝土的主要物相組成是CaCO3（方解石）和Ca2SiO4，Ca2SiO4由C-H-S脫水產(chǎn)生，方解石包括耐火前本身含有的方解石和球霰石在高溫下分子結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)化而生成的方解石。

圖7 耐火極限測(cè)試前后泡沫混凝土的SEM照片

從圖7（a）可以看出，耐火極限測(cè)試前，泡沫混凝土水化產(chǎn)物有方解石、球霰石和C-S-H凝膠，并且各種水化產(chǎn)物之間連接較為疏松。從圖7（b）可以看出，耐火極限測(cè)試后，泡沫混凝土各水化產(chǎn)物間發(fā)生了明顯的化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)了明顯收縮，物相間連接更為緊密；并且物相的形貌尖銳程度相較于測(cè)試前明顯增加，說(shuō)明高溫作用下發(fā)生了結(jié)晶化，從而物相的結(jié)晶程度增加。

3 結(jié)論

基于高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料為殼體和泡沫混凝土為芯體設(shè)計(jì)制備了一種高性能自保溫復(fù)合墻板，研究了其熱工性能、耐火性能及高溫下的物相組成與微觀形貌變化，主要結(jié)論如下：

（1）復(fù)合墻板的傳熱阻隨著填充的泡沫混凝土密度等級(jí)的降低而增大，傳熱系數(shù)最低為0.77 W/（m2·K），并且傳熱系數(shù)的計(jì)算值與測(cè)試值相差不大；復(fù)合墻板的燃燒性能為A1級(jí)，屬于不燃材料，耐火極限達(dá)3 h。

（2）高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料經(jīng)高溫作用后，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料各物相組成發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新物相，呈顆粒狀晶體，水化產(chǎn)物中的碳酸鈣、水化硅酸鈣、鈣礬石、鋁酸三鈣生成氧化鈣和鈣鋁黃長(zhǎng)石。

（3）在高溫環(huán)境作用下，泡沫混凝土出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象，水化產(chǎn)物結(jié)晶程度增加，并且物相的形貌尖銳程度相較測(cè)試前明顯增加，說(shuō)明高溫作用下發(fā)生了結(jié)晶化，物相的結(jié)晶程度增加。