混杂纤维对泡沫混凝土收缩开裂的影响

2020-04-08詹炳根李建勋

合肥工业大学学报(自然科学版) 2020年3期

詹炳根, 李建勋, 林涛

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽合肥 230009)

0 引言

目前,我国墙体工程不断取得进步,作为无机的新型保温材料,水泥基泡沫混凝土由于其良好的保温功能,在墙体材料中得到广泛应用。不过近几年来,人们在使用泡沫混凝土的过程中发现,其作为墙体时仍然存在部分缺陷[1-2]，包括由于本身收缩变形、干湿交替循环和基体结构疏松而导致泡沫混凝土的开裂现象。因此需要在泡沫混凝土中添加一些物质来减少试件的收缩开裂。纤维是不错的选择,它可以改善泡沫混凝土材料的力学性能和变形能力,减少收缩开裂对试件的影响,主要表现在2个方面:一方面,纤维在浆体中均匀分散约束浆体的应力和应变,对泡沫混凝土开裂有良好的抑制作用；另一方面,不同纤维之间的混杂作用也能起到控制裂缝发展的作用。因此,纤维的掺量、混杂作用是纤维需要研究的重点之一。国内外研究纤维泡沫混凝土抗裂性能一般是通过强度和干燥收缩性能获得的,但是对于混杂纤维掺入泡沫混凝土中的早期收缩和抗裂试验研究相对较少。

文献[3]探讨了在浆体中加入聚丙烯纤维、耐碱玻璃纤维以及PVA纤维,通过反复实验配制出混杂纤维增强泡沫混凝土,研究其整体性能,试验过程中发现纤维在泡沫混凝土的浆体中均匀分布能有效地减少混凝土的干燥开裂,提高了浆体的限缩能力,达到了抑制其收缩的效果；文献[4]研究了2种纤维混杂之后对水泥基材料的收缩开裂影响,得出微细钢纤维以及中等直径钢纤维混杂之后有效改善了泡沫混凝土的收缩性能,并提出不同直径纤维掺杂能够明显增强水泥基材料的断裂能和弯曲韧性；文献[5]研究表明混杂纤维长径比、体积分数对泡沫混凝土基本性能的影响规律,试验结果表明,纤维与基体之间的接触面变广,当受到外界力的作用时,混杂纤维的延伸性能对外界的能量大量吸收,最终达到抑制基材中裂缝发展的效果；文献[6]指出聚乙烯醇纤维在不同长度、掺量条件下对泡沫混凝土干燥收缩率以及开裂的影响，试验结果表明,该种纤维能显著提高泡沫混凝土的抗裂性能,其中当纤维的长径比为12 mm、掺量的体积分数为0.15%时,对泡沫混凝土的早期收缩以及收缩过程中的开裂起到有效的抑制作用；文献[7]在泡沫混凝土中掺入合适数量的抗碱玻璃纤维后,研究其收缩性能变化的大致规律，试验证明,适量的抗碱玻璃纤维能使泡沫混凝土的干燥收缩明显受到抑制；文献[8]探讨了钢纤维、玻璃纤维混杂之后对轻质泡沫混凝土收缩应力的影响,混杂纤维能够更好控制泡沫混凝土的早期收缩；文献[9]指出了长径比不同的PVA纤维组合对早期收缩以及裂缝的影响,主要结果是泡沫混凝土的早期收缩和延性通过添加混杂纤维可以得到明显改善,实现对早期收缩变形和后期开裂的有效控制。

本文拟采用玄武岩纤维和PVA纤维以1∶1组合成混杂纤维,结合早期收缩试验和环形约束试验系统研究混杂纤维对泡沫混凝土收缩和抗裂性能的影响。

1 原材料及试验

1.1 原材料

该试验中用到的主要原材料如下:硅酸盐水泥、动物蛋白类发泡剂、玄武岩纤维、PVA纤维、拌合水等。

(1) 水泥。42.5R级普通硅酸盐水泥,安徽大江股份有限公司生产,化学组成成分见表1所列。

(2) 发泡剂。本试验中所使用的发泡剂采用物理发泡,物理发泡具有较高的稳定性和发泡倍数等优点,同时泌水量较少。该发泡剂外观呈现为淡黄色,密度1.02 g/cm3,固含量37%,pH值为9～10。

(3) 玄武岩纤维。本试验使用的玄武岩纤维由合肥新河公司生产,其主要的物理性能指标见表2所列。

(4) PVA纤维。本试验研究所采用的PVA纤维是安徽皖维高新材料有限公司提供的,主要物理性能指标见表2所列。

(5) 拌合水。自来水。

表1 硅酸盐水泥的各项指标

表2 玄武岩纤维和PVA纤维的物理性能

1.2 试验方法

理法配制泡沫混凝土,把发泡剂和水按照所需要的比例进行混合,倒入发泡机中进行发泡并静置5 min,与此同时取满足水灰比的水泥和水在搅拌锅中搅拌1 min后,加入纤维再搅拌3 min,随后在浆体中加入泡沫并拌合均匀,等试件成型之后继续下一步试验。本试验利用物理发泡法制备出密度在700～800 kg/m3范围内的泡沫混凝土,再对试件进行相应的性能测试,研究混杂纤维对泡沫混凝土收缩开裂的影响。试验将泡沫混凝土收缩变形分为早期收缩变形和干燥收缩变形2个阶段。早期收缩变形主要通过非接触式收缩变形仪器测试泡沫混凝土从浇筑至50 h以内的各个时间段的收缩值,干燥收缩变形主要通过比长仪测试硬化3 d以后泡沫混凝土各个时间段的收缩率。试验通过改进的环形约束试验观察试件开裂时间、裂缝宽度、裂缝条数、裂缝位置。

1.3 混杂纤维试验配合比

在单因素试验基础上继续研究玄武岩纤维与PVA纤维混杂效应。本文实验中混杂纤维分别设置5 、10 、15 mm 3种不同长度。每种长度对应0.15%、0.30%、0.45% 3种不同的体积掺量;每组混杂纤维中2种纤维掺量比例为1∶1,暂不考虑不同长度纤维混杂效应。

2 混杂纤维对泡沫混凝土的影响

2.1 混杂纤维对泡沫混凝土收缩的影响

混杂纤维泡沫混凝土50 h早期收缩与60 d干燥收缩实验结果分别见表3、表4所列,混杂纤维对早期收缩、干燥收缩的影响如图1所示。

表3 混杂纤维早期收缩试验结果 μm

注：A08为泡沫混凝土基体；xBP系列表示采用玄武岩纤维/PVA纤维泡沫混凝土，其中x表示1 m3泡沫混凝土的纤维掺量；B为玄武岩纤维，P为PVA纤维，下标为纤维长度。下同。

表4 混杂纤维干燥收缩试验结果

从表3和图1a中可以看出,掺入混杂纤维后,泡沫混凝土早期收缩值在不同的龄期有着不同的表现情况。试件在5 h左右时,随着纤维用量不断地提高,从表中的数据得出泡沫混凝土早期收缩值也会提高,对比于基准组,掺入混杂纤维的泡沫混凝土收缩值提高了155%～229%,这是由于纤维在水泥浆体作用下更易造成泡沫破裂,从而加快收缩。第2阶段为5～10 h,未添纤维标准组的膨胀数值达到了495 μm,掺入纤维之后,膨胀值最多降低了44%,这是由于混杂纤维在混凝土浆体中形成的网状结构对内部结构起到了维稳的作用。随着泡沫混凝土水化反应的继续,泡沫在浆体中的液膜[10]逐渐消失,形成很多的孔壁结构。泡沫混凝土的气孔结构会使内部的水分移动和消散,由此造成的收缩效应开始体现出来。本文试验发现长径比相同,不同纤维掺量下对混凝土的收缩影响不显著。长度为5 mm,纤维掺量0.30%的试件,其15 h收缩值是掺量为0.15%的91.6%,降低值为8.4%。掺量为0.45%的试件是0.15%的90.8%,降低值为9.2%。其他长度相同条件下,不同龄期范围内,收缩值变化不大。

从表4和图1b可看出，混杂纤维对泡沫混凝土干燥收缩的影响规律非常明显。泡沫混凝土干燥收缩在前3～7 d发展速度缓慢,主要原因是早期养护过程中浆体中大部分水分已经迁移和散失,体积变化到了相对稳定的状态。但随着时间向前推进,7～14 d时间段干燥收缩变得十分明显,收缩率上升了75.1%。养护14 d后,泡沫混凝土内部水分迁移有所增加,但是其幅度并不是很大。

当养护的时间达到60 d后,长度为5 mm的混杂纤维的收缩值是14 d的1.54倍,但是长度为10、15 mm的纤维收缩值几乎没有变化,这是由于加入较长混杂纤维后对水分迁移或者散失的通道有阻断作用,同时也使得水分迁移通道的曲折性扩大,最终导致试件中水分散失的数量减少以及增加了较大毛细孔比例。

图1 混杂纤维对早期收缩和干燥收缩影响

与基准组相比,在浆体中掺入混杂纤维对泡沫混凝土干燥收缩影响更为显著,当混杂纤维掺入数量为0.30%、长度为5 mm时,60 d干燥收缩值只有普通泡沫混凝土的65.6%,而长度为10、15 mm混凝土的收缩值只有普通混凝土的43%左右。通过试验发现,泡沫混凝由于早期养护过程时浆体内部的水分极易散失,进而出现混凝土收缩变形的现象。玄武岩纤维与PVA纤维两者混杂后形成网状结构,会对混凝土浆体中的气泡起着类似“承托”的作用,这在一定程度上阻止了浆体自重下的沉降,泡沫混凝土的流动性减少,进而流动性的下降随之减少。而后期的干燥收缩,较长的混杂纤维能够有效地阻止水分在通道中的散失,对泡沫混凝土的干燥收缩性能有所改善。

2.2 混杂纤维对泡沫混凝土开裂性能的影响

在泡沫混凝土试验基础上,进行2种纤维的混杂,分别测出各组泡沫混凝土的开裂时间、裂缝宽度、裂缝条数，试验结果见表5所列。

混杂纤维对开裂时间和裂缝宽度的影响如图2所示。

表5 混杂纤维抗裂性能试验结果

图2 混杂纤维对开裂时间和裂缝宽度的影响

2.2.1 对开裂时间的影响

由表5和图2a可知,3种长径比的混杂纤维的掺量低于0.15%时,开裂的时间随着纤维掺量的提高而不断增长,但是总体的增长幅度不是很大,由于掺量较低,纤维在混凝土中的作用不是很明显。当长度不同的3种纤维由0.15%增加至0.30%时,开裂的时间有了很大的提高,最多提高了63.2%,这说明起着“桥架”于裂缝间的纤维开始工作,对裂缝的发展有一定的阻碍作用。因为纤维从泡沫混凝土基体中间拔出时需要消耗较大的变形能,所以与基准泡沫混凝土试件相对比,消耗能量越多的泡沫混凝土裂缝宽度越小。继续把纤维的掺量由0.30%增加至0.45%,此时3种长度纤维的表现有差异,5 mm纤维的开裂时间继续大幅度上升,提高了36.4%;10 mm纤维增长幅度有所放缓,只提高了7%;而15 mm纤维的开裂时间反而降低了22.6%。从这3种纤维差异的表现中可以看出,长度为15 mm、掺量为0.30%时对混凝土的阻裂效果最佳。

2.2.2 对开裂宽度的影响

由表5和图2b可知混杂纤维对泡沫混凝土裂缝宽度的影响情况,相对空白组,纤维能够减少裂缝宽度,不同长径比的纤维抗裂效果也不尽相同。纤维掺量处于0～0.30%时,无论掺入何种长度的纤维,宽度都明显减小,其中长度为15 mm的混杂纤维抗裂效果最佳,裂缝宽度仅为0.5 mm。超过0.30%时,裂缝宽度处于相对恒定的范围内,其数值不会减小,反而会有所回弹,15 mm的混杂纤维反弹最为明显,由0.5 mm增长到1.0 mm。由此可以得出,在合适掺量范围内,长度较大的纤维更易阻止泡沫混凝土的开裂,由于纤维从泡沫混凝土浆体中间拉拔出时需要消耗较大的变形能,而且长纤维相比于短纤维,在水泥基体材料之间的黏结作用更为优良,体现出纤维具有“桥接”的特性。但是对于短纤维则需要长度超过要求的临界值才能更好的发挥作用,当比临界值低时,一旦纤维泡沫混凝土受到外力作用并且破坏,长度较短的纤维首先被拔出水泥浆体且未被拉断,大幅度降低抗裂的效果。另外,混杂纤维接触面跟泡沫混凝土的黏结性能也存在相应的关系,纤维越长则接触面相应增大,较大的接触面带来的抗拉力也有所增大,因此与水泥基体的黏结效果越好。不同纤维泡沫混凝土都存在相应临界体积率,只有在临界值范围内,其抗裂性能才会明显得增加。超过或者低于临界值时,混杂纤维的作用效果不理想。

对于大多数的泡沫混凝土而言,试件在遭受外力作用时很容易发生脆性破坏。空白组和掺混杂纤维组开裂试验如图3所示，对比发现,泡沫混凝土掺入合适数量和长度的混杂纤维后,在产生裂缝时,连接在裂缝之间的混杂纤维发挥黏结作用,阻止裂缝的进一步发展,对泡沫混凝土减小裂缝极为有用。因此,与普通泡沫混凝土试件对比,其破坏形式发生了比较大的变化。破坏时会听到的声音相比于不加入纤维时较为微弱。破坏后,纤维泡沫混凝土还依然保持原来的整体性,裂缝周边出现许多微裂纹,散渣分散较少。

图3 空白组和掺混杂纤维组开裂试验

3 混杂纤维对收缩开裂的机理分析

本文试验表明,混杂纤维对减少泡沫混凝土的开裂收缩极为有效，纤维泡沫混凝土的扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)照片如图4所示，从图4可以看出，在聚乙烯醇和玄武岩纤维的周围有大量的水化产物附着在上面,把纤维包裹在其中。泥杂纤维拔断时的SEM照片如图5所示。从图5可以看出,在外力作用下纤维被拔断,其表面仍然汇聚了大量的水化产物,由此得出这些水化产物与纤维表面牢固的结合在一起,而当泡沫混凝土凝结硬化后,混杂纤维与泡沫混凝土构成了一个整体,相互配合协同作用,从而对纤维混凝土开裂收缩的改善有很好的作用和效果。

混杂纤维对泡沫混凝土的作用机理通过复合材料力学理论和纤维间距理论[11]能够对该试验的结果进行很好地解释。当混杂纤维泡沫混凝土的收缩开裂破坏裂缝出现以后,“桥架”于混凝土裂缝之间的玄武岩纤维和PVA纤维立刻产生相关的应力,阻止了裂缝的进一步发展。另外,由于2种纤维拔出时需要吸收大量的能量,通过与基准组混凝土对比之后发现,其破坏形态发生了明显的变化。表现为破坏时掺有纤维的试件裂缝很微小,并且泡沫混凝土虽然有裂缝但是没有碎裂。玄武岩纤维和PVA纤维在不同阶段对试件的作用也会有所差别,大量的细小玄武岩纤维在泡沫混凝土硬化初期能够抑制或减少其干缩裂缝,而且非常容易散开到泡沫混凝土内部的各个地方,玄武岩纤维相互之间的间距小,“桥接”泡沫混凝土内部裂缝的机率也大幅度提高,从微观上来说对泡沫混凝上整体性能起到了改善作用,而PVA纤维又能很好地抑制泡沫混凝土的宏观裂缝扩展。因此,2种纤维混合之后对泡沫混凝土的开裂起到了较强的抑制作用,延迟了泡沫混凝土的脆性破坏。