EPS-石膏－矿渣墙体保温材料纤维增强实验研究

聂　昆 李久明

（井冈山大学）

EPS-石膏－矿渣墙体保温材料纤维增强实验研究

聂昆 李久明

（井冈山大学）

本研究通过以改性的废旧EPS颗粒为保温骨料，以石膏-矿渣胶凝材料为胶结剂，短尼龙纤维为增强纤维，添加适量的外加剂，研究了短尼纶纤维的掺量对该EPS-石膏-矿渣墙体保温材料的各项性能的影响。结果表明，短尼龙纤维对于EPS-石膏-矿渣墙体保温材料具有显著的增强作用。在纤维含量低于4‰时，随着纤维含量增大，材料的抗压强度、抗折强度及软化系数都有不同程度增长，但材料的抗折强度增长更加显著；在纤维含量继续增大时，将引起材料抗压强度的下降，但此时抗折强度继续增长；当纤维含量超过一定范围时，其抗折强度也会出现下降的趋势。

EPS-石膏-矿渣；保温墙体材料；纤维增强

1　前言

墙体材料要求一定的强度和韧性，在冬冷夏热地区，要求其具有一定的抗冻融性。复合材料实验研究表明，在复合材料制备中加入纤维，能显著地起到增强作用，使材料的强度、韧性都有较大的提高，这是由于纤维在复合材料中起到了阻裂、增强和增韧的作用[1]。为了提高墙体材料的强度和韧性，增强材料的抗冻融能力，选取短尼龙纤维作为增强纤维，对EPS-石膏-矿渣墙体保温材料进行了纤维增强实验研究。

纤维对基体的作用概括起来主要有三种：阻裂，增强和增韧，掺加尼纶纤维的EPS-石膏-矿渣保温材料的各项物理性能的改善都与此三项有关[2]。

纤维对基体的增强作用，主要为对抗拉强度的提高，相应地，以主拉应力为控制破坏的、如弯拉强度（又称抗折强度、折断模量）、抗剪强度等也随即提高。在混凝土纤维增强实验中，当高弹性模量纤维含量较高时，纤维混凝土的抗压强度也有明显的提高[3]。

材料的韧性通常是指材料在各种受力状态下进入塑性阶段保持一定抗力的变形能力，衡量材料韧性的指标较常用的有弯曲韧性、断裂能等。对于掺加尼纶纤维的该保温墙体材料来说，其最大的特点就是其韧性的显著改善。对于纤维增强的机理，目前主要存在着两种理论，一种是复合材料的力学理论，另一种是间距理论，其它的理论大都是以两者或者两者之一作为基础而得出的结论。

2　EPS-石膏-矿渣墙体保温材料的纤维增强实验

下面研究了短尼纶纤维的掺量对该EPS-石膏-矿渣墙体保温材料的各项性能的影响，在该实验中，EPS的掺量为9‰，石膏：65%；矿渣：25%；水泥：10%；外加剂：3‰；液固比0.5。

2.1抗压强度的影响

由图1可以看出：纤维对抗压强度影响，在纤维含量4‰时达到最佳效果，此时，抗压强度达到了最大值，其后，抗压强度开始下降，超过质量的5‰后，其抗压强度明显低于不掺纤维试件强度，并且，随着纤维含量的增加，其抗压强度有继续下降的趋势。

图1　短尼龙纤维的掺量对材料抗压强度的影响

尼龙纤维由于其本身的弹性模量低，一般仅为基体弹性模量的1/10～1/2，因此其对复合材料的抗压强度的增强作用很弱。在纤维含量较高时，甚至对材料的抗压强度有消弱作用，初步估计这是由于纤维含量高时，在搅拌的过程中，纤维容易解团，造成复合基体中纤维分布不均，同时在基体中形成有害孔隙。

文献[4]中在纤维混凝土实验研究中显示：合成纤维对抗压强度几乎没有影响，对抗拉强度和弯拉强度可有轻微的提高，当纤维体积率为0.05%～0.5%时，提高幅度一般不超过15%。当体积率超过0.5%以后，纤维混凝土的强度一般呈下降趋势。

2.2抗折强度的影响

短尼龙纤维虽然对复合体强度影响很小，但对复合体的抗折强度却有显著影响。

图2　短尼龙纤维的掺量对材料抗折强度的影响

由图2可以看出：随着尼纶纤维含量的增大，纤维的抗折强度越来越高，当纤维含量超过5‰时，其抗折强度有下降的趋势，产生这一现象的原因可能是由于当纤维含量过大时（超过5‰时），造成在搅拌过程中尼龙纤维容易结团，从而造成纤维在基体中的分布不均，进而消弱了材料的抗折强度。实验还显示，在纤维含量过高时，测出抗折强度数据有很大的离散性，这进一步说明分散不均极有可能是造成其抗折强度下降的原因之一。

短尼龙纤维含量、纤维长细比以及纤维外形是影响抗折强度的重要因素。如果尼纶纤维性能一定，影响抗折强度的因素就是基体特性及与其有关的界面结构、性状与界面粘结力，而且，纤维增强复合材料的效果与基体（这里指石膏-矿渣胶凝材料）的抗折强度也有关系，在文献[3]中，研究显示，基体的抗折强度越高，那么纤维对其的增强作用就越大。

依据纤维间距理论[5]，纤维的分布状况对纤维增强复合材料的抗折强度的效果具有决定作用，增强纤维在基体中的分布间距必须小于起到纤维增强效果间距才能显著起到增强复合材料的作用。这可以解释为什么在纤维含量过低时，纤维对材料的增强作用并不明显。

2.3软化系数的影响

在试件的破坏实验中[6],未改性EPS颗粒配制的试件,其破坏是从EPS颗粒与水泥浆体之间的界面断开的，由于EPS颗粒与其复合基料之间的粘结作用，使得水分子很难透过EPS颗粒与复合基料的接触面部分，从而阻碍了水对其的破坏，故复合材料的软化系数有所提高。在合成纤维复合材料中，在胶凝基体中每㎝3就有数十根细纤维，一方面使基体的失水面积减小，水分迁移困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减小；另一方面合成纤维的弹性模量相对高于凝结初期的基体的弹性模量，增加了塑性和硬化初期复合体的抗拉强度，这样就使合成纤维材料的微裂缝减少，孔隙结构得到改善，从而提高了抗渗性能。此外，合成纤维能够阻止宏观裂缝的发生和扩展，这对于确保结构的抗渗性能也是很重要的；由于抗渗性能的提高，使得水分子通过毛细作用，在复合材料毛细管中形成水压数目减少，减少了由于毛细管作用对复合材料内部结构的破坏，所以，在复合材料的软化系数随着纤维含量的增大而有所提高，但当纤维含量过高时（＞4‰）,其软化系数有所降低,产生这种现象的原因可能是由于纤维的加入增加了复合材料中的界面，从而导致复合材料中孔隙率提高的缘故。短尼龙纤维的掺量对材料软化系数的影响如图3所示。

图3　短尼龙纤维的掺量对材料软化系数的影响

2.4导热性能的影响

图4表明，在纤维增强该EPS-石膏-矿渣保温墙体材料过程中，随着纤维含量的增大，会引起材料导热系数的增大，这是由于纤维增强复合材料中，在顺纤维方向导热系数较高，所以纤维含量的增大会引起试样导热系数的增大，在材料的密度较低时，这种现象尤为突出。

图4　短尼龙纤维的掺量对材料导热系数的影响

2.5冻融性能的影响

研究显示，尼龙纤维对该EPS-石膏-矿渣墙体材料的增强作用不仅体现在其能有效地增强其韧性和强度，而且能显著提高该材料的抗冻融性，表1列出了没有掺加尼龙纤维和掺加不同量尼龙纤维冻融实验结果,冻融实验参照GB/T 15229-2011标准[7]。

冻融破坏主要是水在该复合材料基体中反复冻结膨胀引起基体破坏[8]。低水灰比混凝土内大孔和裂隙缺陷少，阻碍水的渗透，冻胀作用小。混凝土中不连续的微孔多防止冻融破坏的作用有三：其一是提高抗渗防止水侵入；二是微孔中水的冻点显著降低在通常的低温下不冻胀；三是不含水的孔可以使冻胀有缓冲空间。合成纤维提高抗冻能力的机理也与上述不连续微孔的两项作用机理类似：一方面合成纤维阻碍基体微裂缝产生，防止水侵入；另一方面尼龙纤维是憎水材料(尼龙纤维吸水率约为4%)，它们本身几乎不吸水，弹性模量又比较低，故可对冻胀起缓冲作用。

表1　 EPS-石膏－矿渣墙体材料的冻融(25次)实验结果

由于EPS-石膏-矿渣墙体材料中存在着不同尺度的气孔和毛细孔，在严寒地区，当毛细孔中的水结冰时，只要充水度达到并超过91.7%，一旦水变成冰，则因体积膨胀而使EPS-石膏-矿渣墙体材料受到压力，当压力大于EPS-石膏-矿渣墙体材料强度时就会引起材料表面的剥落，强度降低，甚至结构破坏，因此，影响材料抗冻性最主要的因素是其密实性和孔的结构特征。在材料中掺入尼龙纤维，一方面抑制了裂缝的引发，另一方面又能限制因冰冻产生的膨胀，有效提高材料的抗冻性能。

经过上述的实验，考虑到其抗压强度，抗折强度以及保温系数，在这里选取EPS含量为9‰，石膏为65%，矿渣含量25%，水泥含量为10%，短尼龙纤维含量为3‰，水灰比为0.5，改性剂为3‰，防水剂掺量为3‰。该配合比制备出EPS-石膏-矿渣墙体保温材料的性能为：抗压强度：4.78MPa；抗折强度：3.82MPa；软化系数为：0.83以上，冻融实验符合相关规定。可以作为非承重墙体保温材料或加工成非承重保温砌块。

3　结论

⑴短尼龙纤维对于EPS-石膏-矿渣墙体保温材料具有显著的增强作用，研究显示，在纤维含量低于4‰时，随着纤维含量，材料的抗压强度、抗折强度及软化系数都有不同程度增长，但材料的抗折强度增长更加显著，在纤维含量继续增大时，将引起材料抗压强度的下降，但此时抗折强度继续增长，当纤维含量超过一定范围时，其抗折强度也会出现下降的趋势；

⑵由于纤维导热的顺向性，材料的导热系数会随着纤维含量的增大而提高；同时，会引起材料软化系数的降低；由于纤维的阻裂作用，纤维含量对于材料的抗冻融性有显著影响；

⑶通过以改性的废旧EPS颗粒为保温骨料，以石膏-矿渣胶凝材料为胶结剂，短尼龙纤维为增强纤维，添加适量的外加剂，研究出了抗压强度为4.78MPa,抗折强度为3.82MPa,软化系数为0.83,导热系数为0.118，密度为0.798g/cm3,具有良好的抗冻融性的墙体材料，该材料制成的砌块可以用作框架结构非承重节能外填充墙。●

[1]李岩,罗业.天然纤维增强复合材料力学性能及其应用[J].固体力学学报，2010,31(6):613-629.

[2]倪良松,陈华鑫,胡长顺,卢因志.纤维沥青混合料增强作用机理分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2003，25(5)：1033-1037.

[3]孟岩,梅迎军,李志勇,陆跃飞.纤维沥青混合料试验性能研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2007,25(6).

[4]祝文化,李元章.纤维混凝土动态压缩力学性能的实验研究[J].武汉理工大学学报，2007,29(2):62-64.

[5]胡小庆,王永.纤维间距理论缺陷分[J].安徽建筑, 2011,177(2)：73-74.

[6]李久明，王珍吾，艾永平，刘利军.EPS-石膏-矿渣保温墙体材料研究[J].硅酸盐通报，2013,32(3):533-536.

[7]中国国家标准化管理委员会.GB/T 15229-2011，轻集料混凝土小型空心砌块[S].北京:中国标准出版社，2011.

[8]罗吉祥,唐春,郭然.纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的模拟分析[J].复合材料学报，2009,26(6):201-209.

*支持项目:2013年吉安市科技计划指导性计划项目,江西省教育厅科技项目（2010BGA01700）