王丹薇

（朝陽市閻王鼻子水庫工程建設(shè)管理局，遼寧省朝陽市 122000）

1 研究背景

在我國高海拔地區(qū)的水利工程建設(shè)和運行過程中， 常規(guī)混凝土的凍融受損情況比較嚴重。 因此， 針對寒區(qū)惡劣條件下的防寒保溫材料和新型襯砌技術(shù)研究就顯得尤為重要[1]。 另一方面，混凝土作為水利工程建設(shè)的主要材料， 在應(yīng)用過程中也存在原料消耗量大、污染嚴重等諸多問題。 泡沫混凝土具有抗變形能力強、質(zhì)輕多孔、保溫性能好等諸多優(yōu)勢，特別是在其中加入纖維材料之后，可以大幅提升其物理和力學性能[2]。 將泡沫混凝土應(yīng)用于水利工程建設(shè)領(lǐng)域， 不僅可以有效減少大體積混凝土的材料用量， 還能夠減少對周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，具有廣泛的發(fā)展的和應(yīng)用前景。

對于在泡沫混凝土中摻加纖維而言， 目前的研究主要集中于纖維摻量對泡沫混凝土性質(zhì)影響的影響方面[3]。 但是，目前作為水工混凝土摻加材料的纖維有多種，且主要為不同材質(zhì)的人工纖維，其中最常用的有聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維等。 由于不同纖維在材料屬性方面存在一定的差異， 因此其對泡沫混凝土性能的影響可能存在差異。 為了改善泡沫混凝土在強度、變形等方面的不足，此次研究選擇聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼纖維等4 種常用的纖維進行試驗研究，以獲取不同纖維種類、不同摻量水平下的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強度和抗折強度，通過對試驗結(jié)果的對比分析， 獲得改善泡沫混凝土性能的最佳纖維種類和摻量水平， 以便為工程應(yīng)用提供有益的支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 供試材料

2.1.1 常用纖維

試驗中使用的纖維有4 種， 分別為聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維。 其中，玻璃纖維為滄州玻璃纖維有限公司出品， 其長度為12mm、表觀密度為2.78g/cm3；聚丙烯纖維為上海華強玻纖公司出品， 其長度為6mm， 彈性模量為8.75GPa，抗拉強度為780MPa；玄武巖纖維為江蘇南通新港建材有限公司生產(chǎn)， 其彈性模量為90.1GPa，拉伸強度為2 750MPa；鋼纖維大連宏達建材有限公司出品，其彈性模量為200GPa，長度為10mm。

2.1.2 泡沫混凝土制作所需的材料

（1）水泥

水泥的種類是泡沫混凝土物理力學性質(zhì)的主要影響因素。 研究中選擇遼寧省遼陽市東方水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，經(jīng)測定其主要技術(shù)指標如表1 所示。 由表1 可以看出，其各項指標均滿足要求，可以用于試驗研究。

表1 水泥樣品技術(shù)指標測定結(jié)果

（2）粉煤灰

在泡沫混凝土中摻入適量的粉煤灰， 可以有效改善其表面結(jié)構(gòu)， 同時還可以節(jié)約一定的工程成本。 此次研究選擇的是電廠Ⅰ級粉煤灰，其主要指標均滿足GB/T 1596 的技術(shù)指標要求。

（3）細骨料

試驗用細骨料為天然河砂，細度模數(shù)為2.35。

（4）發(fā)泡劑

試驗中使用的發(fā)泡劑為動物蛋白發(fā)泡劑，在使用中需要用1:5 的水稀釋，泡沫密度為50kg/m3；人工攪拌泡倍率為20 倍。

（5）水

試驗用水選擇普通自來水。 經(jīng)測定，試驗室的自來水的硬度小于100mg/L，因此水中的微量礦物質(zhì)不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

2.1.3 泡沫混凝土的制作

（1）泡沫混凝土

與普通混凝土相比， 泡沫混凝土的干密度相對較小，根據(jù)研究需要和試驗條件，此次研究選擇水工領(lǐng)域常用的B09 級泡沫混凝土進行試驗研究，其干密度為900kg/m3左右[4]。

（2）試件制作

此次試驗的試件尺寸為40mm×40mm×160mm。 在泡沫混凝土的制作過程中，采用的是預(yù)制泡沫混合法。 首先按照計算量稱量好發(fā)泡劑，并按照1:5 的比例均勻混合攪拌發(fā)泡。按照設(shè)定的配合比量取其余材料并加入攪拌機攪拌2min， 然后添加發(fā)泡材料后再攪拌1min。 將制作好的泡沫混凝土裝入試模成型， 在24h 后脫模編號并放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期[5]。

2.2 試驗設(shè)計

（1）配合比設(shè)計

在配合比設(shè)計方面， 將水泥和粉煤灰的總重設(shè)計為75%，水膠比確定為0.40，細砂量為25%。最終確定每立方米用水泥303kg、粉煤灰130kg、砂144kg、水231kg、發(fā)泡劑10kg。

（2）纖維摻量水平設(shè)計

根據(jù)試驗?zāi)康暮拖嚓P(guān)研究成果， 各種常用纖維的摻量水平上并無明顯差異。 因此對每種纖維均設(shè)計了0%、0.5%、1%、1.5%、2%等5 種不同的纖維摻量水平。

（3）測試指標

鑒于保溫隔熱性能是泡沫混凝土的重要優(yōu)勢， 而抗壓強度和抗折強度是影響混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的重要指標。 此次研究中主要測定泡沫混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)、 抗壓強度和抗折強度[6]。

2.3 性能指標測定

在測試過程中， 首先將制作好的試件放入烘干箱，在105℃的條件下烘干至恒重，待試件冷卻至室溫之后， 利用ISOMET 型熱特性分析儀對其導(dǎo)熱系數(shù)進行測定[7]。 對于泡沫混凝土的力學指標，試驗中參考JG/T266-2011《泡沫混凝土》進行抗壓強度和抗折強度的測定[8]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

對摻加不同纖維種類、不同摻量水平的7 天和28 天齡期泡沫混凝土試件進行導(dǎo)熱性能試驗，根據(jù)試驗結(jié)果計算出導(dǎo)熱系數(shù)，并繪制出如圖1 所示的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維摻量的變化曲線。

圖1 泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維摻量的變化曲線

由圖可以看出， 隨著聚丙烯纖維和玄武巖纖維摻量的增加， 泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出先減后增大的變化趨勢；隨著玻璃纖維摻量的增大，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出波動變化的特點；隨著鋼纖維摻量的增加， 泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點。 總體來看，在泡沫混凝土中摻加合適數(shù)量的聚丙烯纖維、 玻璃纖維和玄武巖纖維， 均可以在不同程度上降低泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，提高其保溫能力。 摻加鋼纖維則不利于提高泡沫混凝土的保溫能力， 這可能與鋼纖維本身的材料性質(zhì)有關(guān)。 從不同纖維種類的對比來看， 當玄武巖纖維摻量為0.05%時的28 天齡期導(dǎo)熱系數(shù)最小，可以獲得最佳的保溫能力。 而玻璃纖維和聚丙烯纖維摻量在0.15%時的28 天齡期導(dǎo)熱系數(shù)最小，可以獲得最佳保溫能力。

3.2 抗壓強度試驗結(jié)果與分析

對摻加不同纖維種類、 不同摻量水平的泡沫混凝土試件進行齡期為7 天和28 天齡期抗壓強度測試試驗。 根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如圖2 所示的泡沫混凝土抗壓強度隨纖維摻量的變化曲線。

由圖可以看出，在摻加玻璃纖維的情況下，泡沫混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出波動上升的變化特征。 除此之外，在摻加聚丙烯纖維、玄武巖纖維和鋼纖維的情況下，泡沫混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加， 均呈現(xiàn)出穩(wěn)步增大的變化特點。 由此可見，在泡沫混凝土中摻加各種纖維，均可以明顯提升泡沫混凝土的抗壓強度，這對于提高泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性是有利的。 從不同纖維種類的對比結(jié)果來看，摻加聚丙烯纖維的泡沫混凝土在28 天齡期的抗壓強度提升最明顯，其次是玄武巖纖維和玻璃纖維，對泡沫混凝土強度改善作用最差的是鋼纖維， 這可能與鋼纖維的柔韌度較差， 會受到混凝土內(nèi)部泡沫的較大影響有關(guān)[9]。

3.3 抗折強度

對摻加不同纖維種類、 不同摻量水平的泡沫混凝土試件進行7 天和28 天齡期的抗折強度測試試驗。 根據(jù)試驗結(jié)果繪制出如圖3 所示的泡沫混凝土抗折強度隨纖維摻量的變化曲線。

圖3 泡沫混凝土抗折強度隨纖維摻量的變化曲線

由圖3 可以看出，除了個別點位之外，無論是7 天齡期還是28 天齡期， 泡沫混凝土的抗折強度均隨著纖維摻量的增加而增加， 這說明摻入纖維可以顯著提高泡沫混凝土抗折強度。 從不同纖維種類的試驗結(jié)果來看， 不同纖維對泡沫混凝土抗折強度的影響規(guī)律也有所不同。 具體來看，在選擇的4 種常見纖維種類中， 對泡沫混凝土抗折強度提升作用最明顯的是聚丙烯纖維。 在28 天齡期條件下，當摻入量為0.15%時的抗折強度值最大。 其次是玻璃纖維，再次是玄武巖纖維混凝土，效果最差的是鋼纖維混凝土。

4 結(jié)論

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式， 探討了聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼纖維等4 種常用的纖維進行試驗。 根據(jù)試驗結(jié)果，展開各種纖維對泡沫混凝土物理力學性能的影響的對比和評價研究。

從試驗結(jié)果來看，4 種纖維均可以起到改善水工泡沫混凝土物理力學性能的作用， 但是在改善效果方面存在自身的特點和差異性。 其中，聚丙烯纖維在提高泡沫混凝土的抗壓和抗折強度方面比較突出，但是在隔熱性能改善方面表現(xiàn)一般，其最佳摻量為0.15%；玻璃纖維改善泡沫混凝土的抗折強度效果較好， 但是在提高抗壓強度和改善隔熱性能方面表現(xiàn)一般，其最佳摻量為1%；玄武巖纖維在提高抗壓強度方面比較突出， 但是在提高抗折強度和隔熱性方面表現(xiàn)一般， 其最佳摻量為2%；鋼纖維在各方面性能改善方面表現(xiàn)均不理想，不推薦在制作泡沫混凝土時摻加。

總體來看， 聚丙烯纖維在改善泡沫混凝土物理力學性能方面具有優(yōu)勢， 推薦在工程設(shè)計中選用。 但是在實際工程應(yīng)用中，除了考慮纖維種類，還應(yīng)該注意結(jié)合工程需求以及經(jīng)濟性等其它因素的影響。 □