纤维增强三元胶凝系墙体材料的试验研究

李 磊，黄 伟，张 丽，赵鲁卿，王宗森

（1. 安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032；2. 安徽马钢嘉华新型建材有限公司，安徽马鞍山243000）

相较于传统建筑体系，装配式钢结构建筑体系具有轻质高强、施工周期短、绿色环保等优点，但与之配套的围护墙体研究还不完善。目前，常用的围护墙体材料主要为伊通板、烧结多孔砖和蒸压轻质混凝土（autoclaved lightweight concret，ALC）隔墙板等，这些墙板材料普遍存在强度较低、制作过程产出大量工业废料、造价高等问题。泡沫混凝土作为一种绿色环保的轻质保温材料，具有较好的保温和力学性能，且可利用工业固废制备。赵美艳采用工业固废矿渣微粉、粉煤灰、脱硫石膏组成三元胶凝系替代部分水泥，结合混凝土发泡技术和适量掺加聚苯乙烯颗粒，制备三元胶凝系复合墙体材料，分析了水胶比、胶凝比、替代水泥率以及聚苯乙烯颗粒掺量等因素对墙板力学性能的影响，结果表明，基于合适配比制备墙体材料的导热、冻融、吸水率等性能均较好。但与普通泡沫混凝土材料相似，随着三元胶凝系墙体材料密度的降低，其强度亦有下降。已有研究表明，纤维的掺入可改善泡沫混凝土的力学性能，其中聚丙烯短纤维（PP 纤维）和聚乙烯醇纤维（PVA 纤维）对泡沫混凝土的力学性能提升效果明显。为进一步改善三元胶凝系墙体材料的力学性能，选用PP纤维和PVA纤维掺入泡沫混凝土，开展纤维增强三元胶凝系墙体材料的试验研究。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用水泥为安徽马鞍山海螺牌P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，主要技术指标见表1。高炉矿渣微粉为安徽马钢嘉华新型建材有限公司生产的S95 级粒化高炉矿渣微粉，主要成分见表2。粉煤灰、脱硫石膏由皖能马鞍山发电有限公司提供，分别为干排二级粉煤灰、电厂烟气脱硫石膏，主要成分见表3，4。所选砂为中级普通河砂，级配良好。聚苯乙烯颗粒由废弃的聚苯乙烯泡沫塑料回收加工得到，表观密度为22.8 kg/m，压缩强度为0.105 MPa，导热系数为0.029 W/（m·K），粒径为2～4 mm。发泡剂为植物型发泡剂，使用前用水将发泡剂按一定比例稀释，发泡剂与水的质量比为1∶50。选用PP纤维和PVA纤维的相关性能指标见表5。

表1 水泥性能的主要技术指标Tab.1 Main technical indicator of cement performance

表2 矿渣微粉的主要成分Tab.2 Main component of slag powder

表3 粉煤灰的主要成分Tab.3 Main component of fly ash

表4 脱硫石膏的主要成分Tab.4 Main component of desulfurized gypsum

表5 纤维性能的主要指标Tab.5 Main indicator of fiber performance

1.2 试验方案

1.2.1 配合比设计

将矿渣微粉、粉煤灰和脱硫石膏按质量比1∶1∶3 组成三元胶凝系，再与水泥按质量比1∶1 复掺作为墙体材料中的胶凝材料。取胶砂比（胶凝材料与砂子的质量比）为1∶0.6，水胶比（水与胶凝材料的质量比）为2∶5，聚苯乙烯颗粒掺量35%（体积分数），发泡剂与水的质量比为1∶50。PP 纤维和PVA 纤维以纤维体积率掺入混凝土，纤维掺量（体积分数，下同）分别为0，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%，1.8%。13 组配合比方案见表6，表6中P为未掺加纤维对照组，PP和PVA数字下标表示纤维掺量。

表6 配合比设计Tab.6 Mix ratio design

1.2.2 试件制备

按1.2.1节所述配比称量水泥、矿渣微粉、粉煤灰、脱硫石膏和砂，将其混合充分搅拌得到干粉混合料；按发泡剂与水的质量比1∶50称量水与发泡剂，将其混合充分搅拌得到水剂混合液；将剩余用水（总用水量减去发泡剂所需用水量）与水剂混合液依次加入干粉混合料中，充分搅拌得到泡沫混凝土。对聚苯乙烯颗粒进行表面改性处理后，按配比（体积分数为35%）加入泡沫混凝土中，同时按照配比掺入纤维，边搅拌边将纤维均匀撒入浆体，并使用搅拌棒充分搅拌，直至纤维在浆体中分散较好。搅拌过程中注意观察砂浆的均匀性和黏稠度，待满足要求后入模，在标准养护室中养护。

1.2.3 试验方法

立方体抗压强度依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》制备试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。将试件表面擦净，根据承压板中心刻度线居中对齐，使试件收浆面侧面与加载板面重合，手动控制压力试验机记录破坏荷载，并将其转换为立方体抗压强度，尺寸换算系数为0.95。

轴心抗压强度及弹性模量依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》制备试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。将试件表面擦净，根据承压板中心刻度线居中对齐，加载试件直至破坏，记录破坏荷载，尺寸换算系数为0.95，计算轴心抗压强度；混凝土应变由TDS-530 数据采集系统记录，按照规范相关规定与公式计算弹性模量。

劈裂抗拉强度依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》制备试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。采用直径为75 mm 的钢垫条，钢垫条与试件之间垫有宽度15～20 mm、厚度3～4 mm的木质垫板，记录破坏荷载，尺寸换算系数为0.85，按照规范相关公式计算劈裂抗拉强度。

导热系数依据GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》规定制备试件，使用导热系数测定仪开展试验，每组3个试件，试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm。

吸水率 依据GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》制备试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组3 个试件。将试件放入电热鼓风干燥箱内按规范要求烘干至恒质，取出冷却至恒温，按规范要求浸入水中72 h后取出，擦去表面水分，称量质量，按照规范相关公式计算吸水率。

抗冻融循环试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》制备试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，共制作5 组试件，设计抗冻标号为D100 标准，冻融循环次数为80 次，采用慢冻法进行。

水泥安定性检测依据GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》制备2个直径70～80 mm、厚度10 mm 的试件。将试件放入标准湿汽养护箱中养护24 h 后取出，脱去玻璃片将试件放入煮沸箱的篦板上，使煮沸箱在25～35 min内煮沸，恒沸175～185 min，取出后按照规范要求判定安定性。

2 结果及讨论

2.1 立方体抗压强度

PP 和PVA 纤维掺量对墙体材料7，28 d 立方体抗压强度的影响曲线如图1。从图1可看出：相较对照组试件P，两种纤维的适量掺加均能提高试件7，28 d 立方体抗压强度，且随掺量的增加呈先增后减趋势；PP 纤维掺量较大时，试件强度低于对照组试件P，不同PVA 纤维掺量的试件强度均大于对照组试件P；PP 和PVA 纤维掺量分别为0.9%，1.2%时，试件7，28 d 立方体抗压强度最大，PP 纤维试件分别为7.44，11.98 MPa，PVA 纤维试件分别为8.88，12.69 MPa，较对照组试件P的7，28 d立方体抗压强度（6.53，11.29 MPa）分别提高了13.9%，6.1% 和36.0%，12.4%。比较图1 中PP 和PVA 纤维试件的立方体抗压强度曲线可看出：纤维掺量＜0.9%时，PP，PVA 两种纤维试件7，28 d抗压强度大于对照组P，PVA纤维试件7 d强度均大于PP纤维，两种纤维试件28 d强度互有大小但相差不大；纤维掺量≥0.9%时，PP纤维试件于掺量0.9%时强度最大，PVA纤维试件强度则继续增大并于掺量1.2%时最大，同掺量下PVA 纤维试件抗压强度均大于PP 纤维，纤维掺量1.8%时，PVA 纤维试件强度依然大于对照组P，PP纤维试件强度则小于对照组P。

图1 立方体抗压强度-纤维掺量曲线Fig.1 Cube compressive strength-fibre content curves

2.2 抗折强度

PP 和PVA 纤维掺量对墙体材料7，28 d 抗折强度的影响曲线如图2。从图2可看出：相较对照组试件P，两种纤维的适量掺加均能提高试件7，28 d 抗折强度，且随掺量的增加呈先增后减趋势；PP 纤维掺量较大时，试件强度低于对照组试件P，而不同掺量PVA纤维试件强度均大于对照组P；当PP和PVA纤维掺量分别为0.9%，1.2%时，试件7，28 d 抗折强度最大，PP 纤维试件分别为1.89，2.62 MPa，PVA 纤维试件分别为2.05，2.82 MPa，较对照组试件P的7，28 d 抗折强度（1.62，2.45 MPa）分别高了16.7%，6.9%和26.5%，15.1%。

图2 抗折强度-纤维掺量曲线Fig.2 Flexural strength-fibre content curves

比较图2 中PP 和PVA 纤维试件的抗折强度曲线可看出：纤维掺量＜0.9%时，PP 和PVA 纤维试件7，28 d抗折强度大于对照组P，两种纤维试件7 d 强度互有大小但相差不大，PVA 纤维试件28 d 强度均大于PP 纤维；纤维掺量≥0.9%时，PP 纤维试件于掺量0.9%时强度最大，PVA 纤维试件强度则继续增大并于掺量1.2%时最大，同掺量下PVA 纤维试件抗折强度均大于PP 纤维，纤维掺量1.8%时，PVA 纤维试件强度依然大于对照组P，PP纤维试件强度则小于对照组P。

综上认为：适量掺加PP和PVA纤维可改善泡沫混凝土的力学性能，这是因为混凝土中均匀、杂向分布的纤维起到桥接、抗拉作用，可有效抑制泡沫混凝土裂缝的产生和开裂；PP 和PVA 纤维掺入量较大时，由于纤维易于结团、重叠，在需要控制泡沫混凝土搅拌量的情况下出现纤维分布不均匀、欠密实等内部缺陷，导致试件的抗压、抗折强度降低；PVA 纤维与泡沫混凝土的相容性较PP 纤维好，故优选配比纤维为PVA，纤维最佳掺量为1.2%。

2.3 优选配比墙体材料的力学性能

优选纤维配比墙体材料PVA（简称优选组）和对照组P的导热系数、吸水率、抗冻融循环、轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度等见图3～5和表7。

图3 优选组与对照组试件的导热系数Fig.3 Thermal conductivity of test pieces in the preferred group and the control group

从图3～5 可知：PVA试件导热系数为0.236，相较P试件（0.230）增大2.6%，说明PVA 纤维的掺加会降低试件的保温性能，但影响较小；PVA试件吸水率为14.3%，相较P试件（15.2%）下降了6.0%，说明PVA 纤维的掺加会降低泡沫混凝土孔隙率，吸水率下降，有利于材料的耐久性；经过80 次冻融循环，PVA试件强度损失率、质量损失率分别为22.6%，4.2%，相较P试件强度损失率（23.8%）、质量损失率（4.6%）分别降低了5.0%和8.7%。说明PVA 纤维的桥接作用可有效抑制泡沫混凝土的开裂与裂缝开展，致使强度损失率下降；经过多次数冻融循环的泡沫混凝土在纤维的作用下能够减少混凝土表层砂浆的剥落，故质量损失率也有所下降。从表7 可看出，PVA试件轴心抗压强度

f

、弹性模量

E

、劈裂抗拉强度

f

分别为8.40，9 248，0.870 MPa，相较P试件轴心抗压强度（8.02 MPa）、弹性模量（8 980 MPa）、劈裂抗拉强度（0.764 MPa）分别提高了4.7%，3.0%，13.9%，说明PVA纤维的掺入使试件泡沫损失略有增加、孔隙率有所下降，但由于纤维的掺入会有效抑制泡沫混凝土开裂和裂缝发展，延缓混凝土内部的劣化程度，从而改善了泡沫混凝土的力学性能。PVA试件施加0.5 MPa的初始荷载，两侧变形的平均值

ε

为0.00 186，相较P试件变形的平均值（0.00 178）提高了4.5%，说明PVA 纤维的掺入对试件的初始变形影响较小。经试饼法测定，PVA试饼经过3 h 煮沸处理没有产生裂缝和变形，认定安定性为合格，说明钙矾石的膨胀性不足以破坏三元胶凝系材料结构，材料的结构稳定性良好。

图4 优选组与对照组试件的吸水率Fig.4 Water absorption of test pieces in the preferred group and the control group

图5 优选组与对照组试件的抗冻融循环Fig.5 Freeze-thaw cycle of test pieces in the preferred group and the control group

表7 优选组与对照组试件的其他力学性能测试结果Tab.7 Test results of other mechanical properties in the preferred group and the control group

3 结论

以矿渣微粉、粉煤灰和脱硫石膏作为三元胶凝系替代部分水泥，与水泥复掺并加入聚苯乙烯颗粒和发泡剂制备墙体材料，分析PP 和PVA 纤维掺量对墙体材料抗压强度与抗折强度的影响，探讨最优纤维配比墙体材料的力学性能，得到如下主要结论：

1） 相较未掺加纤维墙体材料，适量掺加PP与PVA纤维均能提高墙体材料7，28 d抗压强度与抗折强度，且随纤维掺量增加呈先增后减的趋势；PP 与PVA 纤维掺量分别为0.9%，1.2%时，7，28 d 立方体抗压强度和抗折强度最大。

2） 纤维掺量较大时，PP纤维墙体材料强度较峰值下降较多，且低于未掺纤维墙体材料；PVA纤维墙体材料强度较峰值虽有下降，但仍大于未掺加纤维墙体材料。同掺量下PVA 纤维墙体材料抗压、抗折强度均大于PP纤维墙体材料，因而优选配比纤维为PVA、最佳掺量为1.2%。

3）与未掺加纤维墙体材料相比，优选配比墙体材料的导热系数增大2.6%，吸水率、强度损失率和质量损失率分别降低6.0%，5.0%和8.7%，轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度分别提高4.7%，3.0%和13.9%，表明纤维的掺入有利于改善泡沫混凝土墙体材料的耐久性，提高材料的力学性能。