适老建筑用高强耐火隔声复合墙体的制备与性能研究

杨媛婷，卢凤祥

（1.长春建筑学院，吉林 长春 130604；2.吉林大学，吉林 长春 130012）

随着我国老年型年龄结构的逐步形成，老年人的居住问题已成为社会普遍关注的焦点，如何根据老年人的特征和居住环境需求，如防火、隔声性能好等，开发出适老建筑专用墙体材料是积极应对人口老龄化和节能环保等的关键[1-2]。传统墙体材料存在能耗大、污染严重、隔声效果低和防火性能差等问题[3]，如何充分利用建筑废弃物、天然纤维材料等来有效降低能耗，开发出资源节约型和环境友好型高强耐火隔声墙体材料是当前亟待解决的重要课题[4-5]。虽然国外在气泡混凝土、多孔混凝土等墙体材料上的研究起步较早且已经较为成熟，但是研究的重点多集中在力学强度和抗冻性等方面[6-9]，对于具有高强、防火和隔声效果好的墙体材料的研究较少。本文拟以建筑废弃物和木质纤维素为原料制备轻质高强防火隔声复合墙体，并研究木质纤维素掺量对墙体材料力学性能、耐火性能和隔声效果的影响，结果有助于适老建筑专用墙体材料（轻质高强防火隔声）的开发与工业化应用。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，比表面积325 m2/kg，3 d抗折、抗压强度分别为4.2、18 MPa，初凝时间为50 min，长春利通混凝土工程有限公司；再生细骨料：将再生混凝土破碎通过1.2 mm筛得到；木质纤维素：LT-M型，长度3 mm，含水率＜3%、松堆密度320 g/L，河北永恒保温建材化工有限公司；氧化镁和氧化铝：白色粉末，密度分别为3.58、3.52 g/cm3，上海荣欧化工科技有限公司；双氧水：浓度30%，长春化工有限公司；速凝剂：K820型，由碳酸钠和铝酸钠组成，颗粒＜150μm，长春市大华建材化工有限公司；硅烷偶联剂：OFS-6040型，纯度＞98.5%、分子质量236 g/mol，奥诚化工有限公司。

1.2 制备过程

复合墙体的制备在2550mm×600mm×80mm的墙板模具中进行，混凝土的配合比见表1，其中，1#～9#混凝土中木质纤维素掺量分别为0～8%。将水泥、再生细骨料和木质纤维素置于JS880型混凝土搅拌机中机械搅拌12 min，静置2 min，加入氧化镁、氧化铝和速凝剂进行约12 min的充分搅拌，搅拌均匀后加入水和硅烷偶联剂进行混合搅拌，约4 min后加入双氧水并搅拌成混凝土浆料，然后置于模具中进行振荡搅拌，室温常压静置14 d后拆模，之后按照GCC056—2003《混凝土养护施工工艺标准》将复合墙体置于养护室中自然养护14 d和28 d，进行复合墙体抗压、抗折强度等测试[10]。

表1 混凝土的配合比 g

1.3 测试与表征

参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》将混凝土试块自然养护14、28 d后，在DYE-2000B型数显压力试验机上进行室温抗压强度测试（加载速率为0.4 kN/s），在DKZ-5000型水泥电动抗折试验机上进行室温抗折强度测试（加载速率为0.2 kN/s）；将制备好的混凝土试块均匀放置于卡博莱特RHF16-35型高温炉中进行高温煅烧处理，升温过程包括4个阶段，以6℃/min升温速率从室温升温至200℃并保温3 min、以5℃/min升温速率从200℃升温至400℃并保温3 min、以3℃/min升温速率从400℃升温至500℃并保温3 min、以2℃/min升温速率从500℃升温至600℃并设置到温后停止加热，随炉冷却至室温后取出测试其强度，计算强度损失率；根据GB/T 18696.1—2004《声学-阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量-第1部分：驻波比法》，采用AWA6128A型驻波管吸声系数测试仪对不同掺量的混凝土试块进行吸声系数测试，频率100～1800 Hz；采用FEI Quanta 200 FEG型扫描电镜对混凝土试块的断面形貌进行观察。

2 试验结果与分析

木质纤维素掺量对混凝土抗压、抗折强度的影响见表2。

表2 木质纤维素掺量对混凝土抗压、抗折强度的影响

由表2可以看出：无论是14 d还是28 d混凝土试块，随着木质纤维素掺量从0增加到8%，混凝土试块的抗压、抗折强度都呈现先提高后降低的趋势，在木质纤维素掺量为6%时，抗压、抗折强度最高，这是因为适量木质纤维素可以桥接混凝土试块的内部缺陷并降低试块的内应力，从而起到抑制裂纹萌生和扩展的作用[11]，但是混凝土试块中的木质纤维素含量＞6%时，混凝土试块的内部粘结力会减小[12]，抗压、抗折强度降低；此外，在相同木质纤维素掺量下，28 d龄期的抗压、抗折强度都要高于14 d龄期。综合而言，在混凝土试块中掺加木质纤维素有助于提升混凝土试块的力学性能，木质纤维素掺量以6%为宜。

高温煅烧后不同木质纤维素掺量混凝土试块的强度及强度损失率如表3所示。

表3 高温煅烧后不同木质纤维素掺量混凝土试块的强度及强度损失率

由表3可以看出：经过高温煅烧后的掺加木质纤维素的混凝土试块强度随着木质纤维素掺量的变化趋势与煅烧前基本一致，即随着木质纤维素掺量从0增加至8%，混凝土试块的28 d抗压、抗折强度都呈现先提高后降低的趋势，在木质纤维素掺量为6%时，抗压、抗折强度最高。经过高温煅烧处理后，不同木质纤维素掺量的混凝土试块28 d抗压、抗折强度都有不同程度降低，且从28 d抗压、抗折强度损失率来看，未掺加木质纤维素的混凝土试块经过高温煅烧后的强度损失率都要高于掺加木质纤维素的混凝土，这也就说明木质纤维素的掺加有助于提升混凝土试块的耐高温性能。此外，28 d抗折强度损失率要明显高于28 d抗压强度损失率，28 d抗折强度损失率为45.82%～60.34%，28 d抗压强度损失率为13.56%～37.89%，这也就说明木质纤维素的掺加更有利于抑制混凝土试块的高温抗压强度降低。

不同木质纤维素掺量混凝土试块的吸声频率-吸声系数曲线如图1所示。

图1 不同木质纤维素掺量混凝土试块的吸声频率-吸声系数曲线

由图1可见，当频率在100～1800 Hz时，不同木质纤维素掺量混凝土试块的吸声系数都存在明显差异；掺加木质纤维素的混凝土试块吸声系数整体都要相对未掺加木质纤维素的混凝土试块要高，且随着木质纤维素从0增到8%时，混凝土试块的吸声系数整体呈现先增大后减小的趋势，在木质纤维素掺量为4%时，吸声系数最大，此时的混凝土试块的吸声效果最好；无论是低频区还是高频区，掺加木质纤维素的混凝土试块的吸声系数都要高于未掺加木质纤维素的混凝土试块，说明木质纤维素的掺加有助于提升混凝土墙板的吸声效果，但是并不是木质纤维素越多则吸声效果越好，过多的木质纤维素反而会使得混凝土试块的吸声效果减弱，这是因为木质纤维素加入混凝土后会桥接混凝土试块的内部缺陷并降低试块的内应力，混凝土内部的孔隙/裂缝等缺陷会因此而贯通[13]，当有外界声波入射时，混凝土试块中的木质纤维素会产生一定的弹性变形并消耗部分声能，从而起到增强吸声效果的功效，但是混凝土试块中的木质纤维素发生团聚（掺量过多时）等现象[14]，混凝土内部通道会有所堵塞而不利于声能消耗，吸声效果反而会有所减弱[15]。综合而言，木质纤维素掺量为4%时的吸声效果最佳。

不同木质纤维素掺量混凝土试块的断面形貌见图2。

图2 不同木质纤维素掺量混凝土试块的断面形貌

由图2可见，当木质纤维素掺量为4%时，水化产物中存在少量孔隙、斜方晶系的托勃莫来石、硅酸盐水泥水化过程中产生的C-S-H凝胶和少量高硫型水化硫铝酸钙（AFt）相，水化产物结晶度较好但同时呈现出一定程度疏松特征；当木质纤维素掺量为6%时，水化产物中同样可见少量孔隙、托勃莫来石、C-S-H凝胶和AFt相，相对而言，木质纤维素掺量为6%的混凝土试块中水化产物的致密性相对更高，此时的木质纤维素已将整个水化产物紧密结合在一起，使其具有较高的抗压、抗折强度，而木质纤维素掺量为4%的混凝土试块所具有的良好的水化产物结晶度和较为疏松的水化产物结构，使其在具有较高强度的同时兼具良好的吸声效果[16]，这与前述的混凝土试块的吸声测试结果相吻合。

3 结 论

（1）随着木质纤维素掺量从0增加到8%，混凝土试块的14 d、28 d抗压、抗折强度都呈现先提高后降低的趋势，当木质纤维素掺量为6%时抗压、抗折强度最高。

（2）经过高温煅烧处理后，不同木质纤维素掺量的混凝土试块的28 d抗压、抗折强度都有不同程度降低，未掺加木质纤维素的混凝土试块经过高温煅烧后的强度损失率都要高于掺加木质纤维素的混凝土；木质纤维素掺量为0～8%时，混凝土试块的28 d抗折强度损失率为45.82%～60.34%，28 d抗压强度损失率为13.56%～37.89%。

（3）掺加木质纤维素的混凝土试块的吸声系数整体都要高于未掺加木质纤维素的混凝土试块，且随着木质纤维素从0增加到8%时，混凝土试块的吸声系数整体呈现先增大后减小的趋势，在木质纤维素为4%时吸声系数最大。