黃 波 管 濤

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 信陽 464000）

1 引言

高性能纖維增強的水泥基復(fù)合材料是一種新型、改良而成的復(fù)合材料。相較于水泥混凝土而言，高性能纖維改性水泥基復(fù)合材料具有可塑性高、耐久時間長、裂縫寬度小、可自我調(diào)節(jié)空隙等優(yōu)點，在抗震等級性能和抗拉強度方面表現(xiàn)突出。同時，從混凝土結(jié)構(gòu)來看，混凝土的延性開裂還可以有效解決工程建筑中鋼筋混凝土抗壓強度和持久性不足的問題。近年來，隨著我國對建筑施工的愈加重視與關(guān)注，混凝土結(jié)構(gòu)的理論力學(xué)性能和應(yīng)用性能作為工程建筑的基礎(chǔ)性能也必須具備更高的水準。目前，國內(nèi)新型墻板、墻體理論力學(xué)性能較差，安裝后墻板易開裂，實際保溫效果不好。而作為一種輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的無機材料，泡沫混凝土以其隔熱、隔音、防火、降噪等特性，在復(fù)合墻板的應(yīng)用中更占據(jù)優(yōu)勢。通過全面了解水泥基復(fù)合材料和高性能纖維改良發(fā)泡水泥的性能與特點，研發(fā)設(shè)計了一種新型的復(fù)合墻板，該復(fù)合墻板由內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土澆注到發(fā)泡混凝土中所制成，同時，科學(xué)研究分析高性能纖維，進而有效提高水泥基復(fù)合材料的理論力學(xué)性能和墻體制品的保溫性能。

2 試驗概況

2.1 主要原材料

（1）混凝土：鄂盛砼集團的P·O42.5R級混凝土，比表面積為350m2/kg。（2）硅灰石粉：半加密存儲的硅灰石粉。（3）粉煤灰：四川宜賓電廠的一級粉煤灰。（4）粉煤灰玻璃微珠：安徽友盛建材裝飾新科技集團有限公司生產(chǎn)，以自制減水率為35%、固含量為50%的聚羧酸高性能減水劑產(chǎn)品為基礎(chǔ)的玻璃微珠減水劑產(chǎn)品。（5）有機硅消泡劑：山藥醇型有機硅消泡劑。（6）纖維素醚：羥丙基羥纖維素（HPMC）。（7）纖維：四川維尼綸廠生產(chǎn)的 PVA短纖維，直徑為39μm，長度為6mm，伸長率為8%，塑性為35.0GPa，抗壓強度為1 430MPa，相對密度為1.3g/cm3。

2.2 復(fù)合墻板的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及制作方法

墻板的組成部分見表1，構(gòu)造形式如圖1所示。

表1 墻板的組成部分

圖1 空心率≥65%的空心墻板橫截面構(gòu)造尺寸（單位：mm）

2.3 檢測與表征方法

在高性能纖維的作用下，水泥復(fù)合材料與擋土墻的理論力學(xué)和流變性能不斷提高。試驗以《高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗方法》（JC/T 2461-2018）和《水泥砂漿強度試驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）為模型對樣本進行抗壓和抗壓強度的測試，40mm×40mm×160mm為規(guī)格型號，各試樣參數(shù)為延性試樣尺寸300mm×100mm×100mm、理論力學(xué)性能和吸水率試樣尺寸為100mm×100mm×160mm、傳熱系數(shù)試樣尺寸為300mm×300mm×30mm，依據(jù)《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）對泡沫混凝土細木工板性能進行試驗。同時，按《建筑材料穩(wěn)定導(dǎo)熱系數(shù)的測量與校準》（GB/T 13475-2008）中的熱箱法“安全防護”準則，選用尺寸為 1 400mm×1 400mm×100mm 的 WTRZ-1212產(chǎn)品型穩(wěn)定對流換熱性能測試儀來測試墻體的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料基材的性能

經(jīng)試驗，混凝土水灰比為0.20時，高性能纖維提高了水泥基復(fù)合材料的理論力學(xué)性能（抗拉強度≥80MPa、抗壓強度≥20MPa），其流動性能優(yōu)異。在設(shè)計方案中，纖維組分分別為1.0%、1.5%和2.0%，這樣是為了更好地明確最佳纖維的用量。表2為高性能纖維改性水泥基復(fù)合材料混凝土配合比，試驗混凝土的混凝土水灰比為0.2。

表2 高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料的配合比（kg/m3）

3.1.1 纖維摻量對新拌漿體流變性能的影響

在漿料折疊過程中，ICAR PLUS混凝土流變儀用于測量其剪切應(yīng)力和黏度。結(jié)果表明：隨著纖維含量從1.0%增加到2.0%，纖維黏度也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。同時，屈服應(yīng)力逐漸增大，這是因為在攪拌過程中，自身的折中剪應(yīng)力和纖維與水泥漿體所形成的摩擦效應(yīng)都需要水泥漿體進行處理。在纖維含量較低（1.5%以內(nèi)）時，攪拌對料漿流動性的現(xiàn)實意義遠高于纖維所產(chǎn)生的壓力，漿料黏度的危害較??；在纖維含量超過1.5%時，纖維產(chǎn)生的漿料壓力降低漿料的流動性，黏度緩慢上升。另外，在纖維含量不斷增加的同時，水泥基漿料所需要的抗拉強度也在不斷攀升，整個管理信息系統(tǒng)的破壞剪應(yīng)力隨之也越大。

3.1.2 纖維摻量對高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

實驗結(jié)果表明：水泥基復(fù)合材料的理論力學(xué)性能在高性能纖維的作用下得以改善，隨著纖維含量的增加，試樣的3d、7d、28d抗折強度明顯提高。當纖維含量為2.0%時，抗折強度均可達到20MPa以上。隨著纖維含量的增加，試樣的3d、7d和28d抗壓強度均呈現(xiàn)先變大后減小的發(fā)展趨勢，說明纖維含量過高會導(dǎo)致抗壓強度被破壞。當纖維含量為1.5%時，抗壓強度最高。隨著纖維含量的增加，樣品韌性多態(tài)性的生長和進展速率降低，這說明韌性的多態(tài)性受纖維含量的影響較小。由于水泥基復(fù)合材料的性能可以被高性能纖維改善，因此，1.5%是PVA纖維的最佳摻量。多數(shù)情況下，泡沫混凝土密度等級與28d抗拉強度和傳熱系數(shù)成正比，與體積吸水率成反比。隨著泡沫混凝土密度等級的降低，其28d抗拉強度和傳熱系數(shù)也降低，而體積吸水率則升高。由此可見，鑒于其邊際效益和保溫性能，活性炭纖維復(fù)合墻板的原料選用低密度的泡沫混凝土更合適。本文采用的現(xiàn)澆箱梁墻填充細工板為市場上泡沫混凝土，密度為200kg/m3，詳細參數(shù)見表3。

表3 泡沫混凝土的基本性能測試結(jié)果

3.2 高性能纖維增強水泥基復(fù)合墻板性能研究

3.2.1 力學(xué)性能

在所有應(yīng)用中必須考慮墻體材料的抗拉強度和抗拉能力。因此，本文對空心墻板和復(fù)合墻板的28d拉伸強度和彎曲性能進行了測試。

①抗壓性能。在坍落度試驗中，熱應(yīng)力法分為表面熱應(yīng)力和垂直熱應(yīng)力。坍落度試驗結(jié)果見表4。損傷部位的面力和側(cè)向力分別在控制面板和肋條的交界處，損傷間隙沿家具板的規(guī)格和方向發(fā)展。復(fù)合墻板和中空墻板具有抗壓能力。承重受損部分也是如此，說明這部分是承重部分，是家具控制面板施工中的薄弱環(huán)節(jié)。以JF2組為例，已知墻板的抗拉強度遠小于家具板，面層的抗拉強度約為家具板抗拉強度的14%，垂直角抗拉抗壓強度約為家具板抗拉強度的14%，表4為不同類型墻板的抗壓強度。

表4 不同類型墻板的抗壓強度（MPa）

②抗彎性能。表5為全過程的抗彎強度測試效果。當活性炭纖維原料為泡沫混凝土，相對密度為200kg/m3時，復(fù)合墻板的極限均布抗彎荷載為5 000N/m2，板中最大撓度為5.13mm，極限抗彎荷載指數(shù)為8.0，彎曲性能良好。可見，復(fù)合墻板的極限對稱彎曲荷載略低于空心墻板。

表5 抗彎試驗結(jié)果

3.2.2 熱工性能

工程建筑的彎鋼框架結(jié)構(gòu)自始至終受到室內(nèi)外塞貝克效應(yīng)的影響，熱量根據(jù)彎鋼框架結(jié)構(gòu)不斷傳遞。當季節(jié)更替時，外部熱效率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度和彎曲結(jié)構(gòu)的加熱都隨著時間的變化而變化。墻體作為建筑工程的外弧形鋼框架，與室外地形接觸較多，保溫性尤為關(guān)鍵，能直接危及工程建筑的能耗問題。因此，本文對復(fù)合墻板傳熱的全過程和統(tǒng)計分析方法下的兩個方面進行了深度地研究，運用兩種或兩種以上的計算方法進一步分析原材料復(fù)合墻板的傳熱性能。

①測試結(jié)果分析：中空墻板和復(fù)合墻板的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)測試表明，中空墻板的導(dǎo)熱系數(shù)為3.08W/m·K。相比之下，復(fù)合墻板的導(dǎo)熱系數(shù)急劇下降至0.75W/m·K。依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB 50189-2015）來看，當復(fù)合墻板厚度為100mm時，冬季冷熱地區(qū)公共建筑外墻的導(dǎo)熱系數(shù)就可被調(diào)節(jié)。

②計算結(jié)果：依據(jù)墻板保溫基礎(chǔ)知識的計算，評價墻板保溫性能的關(guān)鍵參數(shù)為傳熱群R0和傳熱系數(shù)K值。傳熱系數(shù)K是一個標量，具體指在評估墻板本身或其中一層材料所出現(xiàn)的特性阻抗傳熱能力。本分析選取由兩種或兩種以上原材料構(gòu)成的空心墻板和復(fù)合墻板本。另外，參照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176-2016）對不同原材料的傳熱摩擦阻力R進行取用，依據(jù)式（1）對平均傳熱系數(shù)進行計算：

式中：——平均熱阻，m2·K/W；

F0——與熱流方向垂直的總傳熱面積，m2；

F1、F2……Fn——按平行方向與熱流方向劃分的各個傳熱面積，m2；

R0.1、R0.2……R0.n——各個傳熱面積部位的傳熱阻，m2·K/W；

Ri——內(nèi)表面換熱阻取0.11m2·K/W；

Re——外表面換熱阻取0.04m2·K/W。

根據(jù)式（2）計算整個墻板的傳熱阻R0：

評價墻板保溫性能的重要指標是傳熱系數(shù)。依據(jù)式（3）計算空心墻板和復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)K：

由墻板傳熱系數(shù)指標值可見，中空墻板的傳熱摩擦阻力為0.163m2·K/W，摩擦阻力值不及墻板傳熱摩擦阻力的1/6。中空墻板的傳熱系數(shù)較復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)高，前者為3.21W/m·K，后者為0.83W/m·K。實驗結(jié)果表明：墻體的保溫性能在泡沫混凝土填充空心后，在墻板的傳熱摩擦作用下，其性能會顯著提高。墻板傳熱系數(shù)的測試與計算結(jié)果基本一致，表明可以利用傳熱系數(shù)計算方法準確地測量復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)。

4 結(jié)語

（1）當PVA化纖的用量越來越多時，環(huán)氧樹脂水泥復(fù)合材料的3d、7d、28d抗壓強度在高性能化纖的作用下，其抗壓強度也在不斷提高，其中，7d、28d抗拉強度可達到20MPa以上，PVA化纖的最佳摻量為1.5%。鑒于墻體的成本和保溫性能，復(fù)合墻體材料建議采用泡沫混凝土，相對密度為200kg/m3。

（2）復(fù)合墻板的極限彎曲荷載指數(shù)為9.0，縱向抗拉強度≥15MPa，綜合理論力學(xué)性能良好。

（3）采用標準傳熱系數(shù)計算方法，可立即計算出復(fù)合墻板的傳熱系數(shù)，實驗結(jié)果與墻板傳熱系數(shù)的指標值基本吻合。