高性能纤维增强水泥基复合墙板热力学和耐火性能研究

程宝军，康升荣，麻鹏飞，杨文，史博元

（中建西部建设建材科学研究院有限公司，四川成都 610064）

0 前言

高性能纤维增强水泥基复合材料是以水泥浆或砂浆为基体，以纤维为增强材料的复合材料[1]，具有高延性、高耐久、裂缝宽度小且裂缝能够自愈合等特点[2]。近年来，高性能纤维增强水泥基复合材料因其具有防止或减少裂缝、改善长期工作性能、提高变形能力和耐久性[3]等优点得到了广泛的应用，并且都取得了良好的效果。

在我国，建筑物耗能总量占全社会总能耗的1/3，通过围护结构损失的能量占建筑能耗的2/3[4]。因此，对建筑围护结构进行科学革新是解决建筑节能问题的关键，尤其是墙体保温发挥作用巨大。国内外许多研究人员，相继研制一些新型的墙板，如木复合墙板、石膏复合墙板、轻质钢骨隔墙等[5-7]。上述墙体材料在使用过程中存在力学性能差、保温及隔声效果不佳、耐火及耐久性差等问题。泡沫混凝土作为一种轻质多孔的无机材料，保温、防火以及隔声是其最基本的优点[8]。为此，本文基于高性能纤维增强水泥基复合材料和泡沫混凝土设计研究了一种新型复合墙板。该复合墙板通过抽芯工艺预制空心率≥75%的空心墙板，再在空心墙板内浇筑泡沫混凝土制得。研究了基于高性能纤维增强水泥基复合材料复合墙板的热力学和耐火性能。在火灾环境下，水泥水化产物失水、组成/结构演化将使得其力学性能及保温性能的劣化，因此研究其耐火极限测试后复合墙板微观结构及物相组成具有重要意义。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，密度为3160 kg/m3，峨胜水泥集团股份有限公司；硅灰：半加密硅灰；粉煤灰：Ⅰ级，四川宜宾发电厂；粉煤灰微珠：一级，安徽友胜建材科技集团有限公司；集料：200目石英粉；减水剂：自制聚羧酸类高性能减水剂，减水率为35%，固含量为50%；消泡剂：SN-DEFOAMER 1370型圣消洛消泡剂，圣诺普科有限公司；纤维素醚：羟丙基甲基纤维素（HPMC）。泡沫混凝土泡沫剂：HTQ-1型复合发泡剂，河南华泰新材科技股份有限公司；有机硅憎水剂：德国瓦克化学股份有限公司；纤维：PVA短纤维Ⅱ-PVA，四川维尼纶厂生产，其技术性能见表1。

表1 PVA纤维的性能

1.2 复合墙板的制备

基于高性能纤维增强水泥基复合材料复合墙板由高韧性纤维增强水泥基复合材料空心墙板（基材抗压强度≥80 MPa，抗折强度≥20 MPa）和不同密度等级泡沫混凝土芯体[导热系数为0.048～0.20 W/（m·K）]组成。其各部分组成见表2。高性能纤维增强水泥基复合材料空心墙板的构造尺寸及复合墙板结构如图1所示。

表2 复合墙板各部分组成

图1 高性能纤维增强水泥基复合材料空心墙板构造尺寸及复合墙板结构示意

1.3 测试与表征方法

1.3.1 复合墙板耐火性测试

耐火极限和燃烧性能等级测试参照GBT 9978—2008《建筑构件耐火试验方法》进行。燃烧性能等级测试试件外观尺寸为100 mm×300 mm×300 mm，每组试验用3块板；耐火极限试验试件面积为3000 mm×3000 mm，由5块600 mm×2400 mm×100 mm和5块600 mm×600 mm×100 mm的墙板拼装组成。

1.3.2 微观结构分析

使用德国布鲁克AXS有限公司生产的Bruker D8 AD VANCE A25X型X-射线衍射仪（XRD）、FEI Inspect F50型场发射扫描电镜（SEM）和Super Octane型能谱仪（EDS）对耐火极限试验前后纤维增强水泥基复合材料和泡沫混凝土的微观结构和化学成分进行测试分析。

2 试验结果与分析

2.1 复合墙板的热力学性能

2.1.1 热工性能

针对高性能纤维增强水泥基材料复合墙板的隔热保温性能，测试了空腔板和填充不同密度等级泡沫混凝土的复合墙板的传热系数，结果见表3。

表3 墙板传热系数测试结果

由表3可知，未填充泡沫混凝土的HW墙板传热系数高达3.13 W/（m2·K），而在填充泡沫混凝土后墙板的传热系数明显降低。并且，随着泡沫混凝土干密度的降低，复合墙板的传热系数明显降低。泡沫混凝土内部气孔含量随着干密度的降低显著增加，而水泥基材料的绝热性能远远低于空气，泡沫混凝土的绝热性能随其干密度的降低而显著提高。泡沫混凝土绝热性能的提升使得复合墙板整体的传热系数显著降低。其中，以复合墙板CW-3的传热系数最低，为0.77 W/（m2·K）。根据GB 50189—2019《公共建筑节能设计标准》，100 mm厚的CW-3墙板能满足夏热冬冷地区公共建筑外墙传热系数要求。

对空心墙板及填充不同密度等级泡沫混凝土的复合墙板进行热工理论计算研究。在墙板热工理论计算中，主要用传热阻R0、传热系数K来评价墙板的保温隔热性能。墙板传热计算结果见表4。

表4 墙板的传热计算结果

从表4可知，空心墙板HW的传热阻较低，为0.162（m2·K）/W，而复合墙板的传热阻随着填充的泡沫混凝土密度等级的降低而增大。从传热系数计算结果来看，空心墙板HW传热系数较高，为3.20 W/（m2·K），复合墙板中CW-3传热系数最低，为0.82 W/（m2·K）。此外，墙板传热系数计算结果与测试结果相差不大。

2.1.2 耐火性能

燃烧性能指材料燃烧或遇火时所发生的物理和化学变化，这项性能由材料表面的着火性和火焰传播性、发热、发烟、炭化、失重以及毒性生成物的产生等特性来衡量。对HW和CW-3墙板的燃烧性能进行测试，结果如表5所示。

表5 HW和CW-3墙板燃烧性能测试结果

从表5可知，HW和CW-3的燃烧性能均为A1级，表明二者均为不燃制品，在高温下几乎不发生燃烧反应。相较于HW，CW-3炉内温升△T降低40%，质量损失率△m降低50%，总热值PCS降低67%。

耐火极限指在标准耐火试验条件下[10-11]，建筑构件、配件或结构从受火作用时起，至失去承载能力、完整性或隔热性时止所用的时间。检测判据为构件失去完整性或绝热性。试件表面出现穿透性裂缝或穿火的孔隙即为失去完整性，试件背火面测温点平均温度升到140 ℃或任一测点温升到220 ℃即为失去绝热性。CW-3耐火极限试验过程如图2所示。

图2 CW-3耐火极限试验过程

从图2可以看出，耐火极限试验时试件背火面随时间变化，加热3 min左右时，试件开始出现持续30 min左右的异响，这是由于温度上升引起材料膨胀，挤压粘接缝所致。加热45 min左右时背火面接缝位置出现由粘结砂浆水分蒸发而引起的水印，且水印位置由中心接缝持续向周围扩展。加热至90 min左右时，背火面水印逐渐消失。加热至180 min时，背火面未出现持续时间超过10 s的火焰，棉垫未被点燃，且探棒不可以穿过缝隙，试件未失去完整性，试件的耐火极限＞180 min。持续加热至187 min时，伴随着炸裂声，试件背火面中间位置出现了板面的局部脱落，脱落位置有明显的火光透出，表明耐火试件已失去完整性。整个试验过程背火面最高温升123 ℃，平均温升100 ℃，表明CW-3墙板隔热性能优异。耐火极限试验后使墙板自然冷却至室温。耐火前后试件受火面外观变化如图3所示。

图3 CW-3墙板耐火极限试验前后受火面外观变化

从图3可以看出，在长达3 h的持续高温下，CW-3受火面高性能纤维增强水泥基材料虽然在不同位置出现了程度不一的破损、脱落，以及保温材料的外露，其中损坏最严重的部位已经将板面整体烧穿，但CW-3整体保存还较完整，能够支撑自身质量竖立。

上述燃烧性能及耐火极限试验表明，HW和CW-3的燃烧性能均为A1级，属于不燃制品；CW-3墙板在1000 ℃高温下耐火极限达3 h。

2.2 微观结构及物相组成分析

耐火极限测试前后高性能纤维增强水泥基复合材料的XRD、SEM分析分别如图4、图5所示。

图4 耐火极限测试前后高性能纤维增强水泥基复合材料的XRD图谱

从图4可以看出：耐火极限测试前，纤维增强水泥基复合材料的主要物相组成是CaCO3和钙矾石，其中CaCO3来源于原料中石灰石粉，钙矾石则是由水泥水化产物C-A-H（水化铝酸钙）和硫酸根离子结合产生的结晶水化产物；耐火极限测试后，纤维增强水泥基复合材料的主要物相组成有CaCO3、钙矾石、CaO和钙铝黄长石，其中CaCO3和钙矾石是其在高温下未发生分解反应的残留物相，钙铝黄长石和CaO由CaCO3和钙矾石在高温下化学反应生成。

图5 耐火极限测试前后高性能纤维增强水泥基复合材料的SEM照片

从图5可以看出：耐火极限测试前，纤维增强水泥基复合材料中具有棱角的块状颗粒为石灰石粉，其来于原料中的石灰石粉；针棒状物相为钙矾石，由水泥水化产物C-A-H（水化铝酸钙）和硫酸根粒子结合产生的结晶物水化硫铝酸钙；凝胶状态的物相为水化硅酸钙（C-S-H），是由硅酸三钙和硅酸二钙在常温下水化产生并伴有氢氧化钙生成。经高温作用后，纤维增强水泥基复合材料各物相组成发生化学反应生成新物相，呈颗粒状晶体。1000 ℃高温下，纤维增强水泥基复合材料各物相发生的主要化学反应有碳酸钙分解产生二氧化碳和氧化钙，水化硅酸钙分解产生硅酸三钙、硅酸二钙、二氧化硅和水，钙矾石分解产生铝酸三钙、氧化钙和水，铝酸三钙和二氧化硅反应生成钙铝黄长石和硅酸三钙，化学反应式如下：

耐火极限测试前后泡沫混凝土的XRD物相分析、SEM分析如图6、图7所示。

图6 泡沫混凝土的XRD图谱

从图6可以看出：耐火极限测试前，泡沫混凝土的主要物相组成是CaCO3和C-H-S凝胶，CaCO3有方解石型和球霰石型2种构型，其中方解石和C-H-S凝胶来源于原料中水泥及粉煤灰的水化反应，球霰石是由动物蛋白发泡剂中的氨基酸作为导向剂沉淀产生；耐火极限测试后，泡沫混凝土的主要物相组成是CaCO3（方解石）和Ca2SiO4，Ca2SiO4由C-H-S脱水产生，方解石包括耐火前本身含有的方解石和球霰石在高温下分子结构发生转化而生成的方解石。

图7 耐火极限测试前后泡沫混凝土的SEM照片

从图7（a）可以看出，耐火极限测试前，泡沫混凝土水化产物有方解石、球霰石和C-S-H凝胶，并且各种水化产物之间连接较为疏松。从图7（b）可以看出，耐火极限测试后，泡沫混凝土各水化产物间发生了明显的化学反应，出现了明显收缩，物相间连接更为紧密；并且物相的形貌尖锐程度相较于测试前明显增加，说明高温作用下发生了结晶化，从而物相的结晶程度增加。

3 结论

基于高性能纤维增强水泥基复合材料为壳体和泡沫混凝土为芯体设计制备了一种高性能自保温复合墙板，研究了其热工性能、耐火性能及高温下的物相组成与微观形貌变化，主要结论如下：

（1）复合墙板的传热阻随着填充的泡沫混凝土密度等级的降低而增大，传热系数最低为0.77 W/（m2·K），并且传热系数的计算值与测试值相差不大；复合墙板的燃烧性能为A1级，属于不燃材料，耐火极限达3 h。

（2）高性能纤维增强水泥基复合材料经高温作用后，高性能纤维增强水泥基复合材料各物相组成发生化学反应生成新物相，呈颗粒状晶体，水化产物中的碳酸钙、水化硅酸钙、钙矾石、铝酸三钙生成氧化钙和钙铝黄长石。

（3）在高温环境作用下，泡沫混凝土出现明显的收缩现象，水化产物结晶程度增加，并且物相的形貌尖锐程度相较测试前明显增加，说明高温作用下发生了结晶化，物相的结晶程度增加。