常用纤维对水工泡沫混凝土物理力学性能的影响研究

王丹薇

（朝阳市阎王鼻子水库工程建设管理局，辽宁省朝阳市 122000）

1 研究背景

在我国高海拔地区的水利工程建设和运行过程中， 常规混凝土的冻融受损情况比较严重。 因此， 针对寒区恶劣条件下的防寒保温材料和新型衬砌技术研究就显得尤为重要[1]。 另一方面，混凝土作为水利工程建设的主要材料， 在应用过程中也存在原料消耗量大、污染严重等诸多问题。 泡沫混凝土具有抗变形能力强、质轻多孔、保温性能好等诸多优势，特别是在其中加入纤维材料之后，可以大幅提升其物理和力学性能[2]。 将泡沫混凝土应用于水利工程建设领域， 不仅可以有效减少大体积混凝土的材料用量， 还能够减少对周边生态环境的破坏，具有广泛的发展的和应用前景。

对于在泡沫混凝土中掺加纤维而言， 目前的研究主要集中于纤维掺量对泡沫混凝土性质影响的影响方面[3]。 但是，目前作为水工混凝土掺加材料的纤维有多种，且主要为不同材质的人工纤维，其中最常用的有聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和钢纤维等。 由于不同纤维在材料属性方面存在一定的差异， 因此其对泡沫混凝土性能的影响可能存在差异。 为了改善泡沫混凝土在强度、变形等方面的不足，此次研究选择聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、钢纤维等4 种常用的纤维进行试验研究，以获取不同纤维种类、不同掺量水平下的泡沫混凝土导热系数、抗压强度和抗折强度，通过对试验结果的对比分析， 获得改善泡沫混凝土性能的最佳纤维种类和掺量水平， 以便为工程应用提供有益的支持和借鉴。

2 材料与方法

2.1 供试材料

2.1.1 常用纤维

试验中使用的纤维有4 种， 分别为聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和钢纤维。 其中，玻璃纤维为沧州玻璃纤维有限公司出品， 其长度为12mm、表观密度为2.78g/cm3；聚丙烯纤维为上海华强玻纤公司出品， 其长度为6mm， 弹性模量为8.75GPa，抗拉强度为780MPa；玄武岩纤维为江苏南通新港建材有限公司生产， 其弹性模量为90.1GPa，拉伸强度为2 750MPa；钢纤维大连宏达建材有限公司出品，其弹性模量为200GPa，长度为10mm。

2.1.2 泡沫混凝土制作所需的材料

（1）水泥

水泥的种类是泡沫混凝土物理力学性质的主要影响因素。 研究中选择辽宁省辽阳市东方水泥厂生产的P.O42.5 普通硅酸盐水泥，经测定其主要技术指标如表1 所示。 由表1 可以看出，其各项指标均满足要求，可以用于试验研究。

表1 水泥样品技术指标测定结果

（2）粉煤灰

在泡沫混凝土中掺入适量的粉煤灰， 可以有效改善其表面结构， 同时还可以节约一定的工程成本。 此次研究选择的是电厂Ⅰ级粉煤灰，其主要指标均满足GB/T 1596 的技术指标要求。

（3）细骨料

试验用细骨料为天然河砂，细度模数为2.35。

（4）发泡剂

试验中使用的发泡剂为动物蛋白发泡剂，在使用中需要用1:5 的水稀释，泡沫密度为50kg/m3；人工搅拌泡倍率为20 倍。

（5）水

试验用水选择普通自来水。 经测定，试验室的自来水的硬度小于100mg/L，因此水中的微量矿物质不会对试验结果产生明显影响。

2.1.3 泡沫混凝土的制作

（1）泡沫混凝土

与普通混凝土相比， 泡沫混凝土的干密度相对较小，根据研究需要和试验条件，此次研究选择水工领域常用的B09 级泡沫混凝土进行试验研究，其干密度为900kg/m3左右[4]。

（2）试件制作

此次试验的试件尺寸为40mm×40mm×160mm。 在泡沫混凝土的制作过程中，采用的是预制泡沫混合法。 首先按照计算量称量好发泡剂，并按照1:5 的比例均匀混合搅拌发泡。按照设定的配合比量取其余材料并加入搅拌机搅拌2min， 然后添加发泡材料后再搅拌1min。 将制作好的泡沫混凝土装入试模成型， 在24h 后脱模编号并放入标准养护室养护至规定龄期[5]。

2.2 试验设计

（1）配合比设计

在配合比设计方面， 将水泥和粉煤灰的总重设计为75%，水胶比确定为0.40，细砂量为25%。最终确定每立方米用水泥303kg、粉煤灰130kg、砂144kg、水231kg、发泡剂10kg。

（2）纤维掺量水平设计

根据试验目的和相关研究成果， 各种常用纤维的掺量水平上并无明显差异。 因此对每种纤维均设计了0%、0.5%、1%、1.5%、2%等5 种不同的纤维掺量水平。

（3）测试指标

鉴于保温隔热性能是泡沫混凝土的重要优势， 而抗压强度和抗折强度是影响混凝土结构安全性和耐久性的重要指标。 此次研究中主要测定泡沫混凝土试件的导热系数、 抗压强度和抗折强度[6]。

2.3 性能指标测定

在测试过程中， 首先将制作好的试件放入烘干箱，在105℃的条件下烘干至恒重，待试件冷却至室温之后， 利用ISOMET 型热特性分析仪对其导热系数进行测定[7]。 对于泡沫混凝土的力学指标，试验中参考JG/T266-2011《泡沫混凝土》进行抗压强度和抗折强度的测定[8]。

3 试验结果与分析

3.1 导热系数

对掺加不同纤维种类、不同掺量水平的7 天和28 天龄期泡沫混凝土试件进行导热性能试验，根据试验结果计算出导热系数，并绘制出如图1 所示的泡沫混凝土导热系数随纤维掺量的变化曲线。

图1 泡沫混凝土导热系数随纤维掺量的变化曲线

由图可以看出， 随着聚丙烯纤维和玄武岩纤维掺量的增加， 泡沫混凝土的导热系数呈现出先减后增大的变化趋势；随着玻璃纤维掺量的增大，泡沫混凝土的导热系数呈现出波动变化的特点；随着钢纤维掺量的增加， 泡沫混凝土的导热系数呈现出不断增大的变化特点。 总体来看，在泡沫混凝土中掺加合适数量的聚丙烯纤维、 玻璃纤维和玄武岩纤维， 均可以在不同程度上降低泡沫混凝土的导热系数，提高其保温能力。 掺加钢纤维则不利于提高泡沫混凝土的保温能力， 这可能与钢纤维本身的材料性质有关。 从不同纤维种类的对比来看， 当玄武岩纤维掺量为0.05%时的28 天龄期导热系数最小，可以获得最佳的保温能力。 而玻璃纤维和聚丙烯纤维掺量在0.15%时的28 天龄期导热系数最小，可以获得最佳保温能力。

3.2 抗压强度试验结果与分析

对掺加不同纤维种类、 不同掺量水平的泡沫混凝土试件进行龄期为7 天和28 天龄期抗压强度测试试验。 根据试验结果，绘制出如图2 所示的泡沫混凝土抗压强度随纤维掺量的变化曲线。

由图可以看出，在掺加玻璃纤维的情况下，泡沫混凝土的抗压强度随着纤维掺量的增加呈现出波动上升的变化特征。 除此之外，在掺加聚丙烯纤维、玄武岩纤维和钢纤维的情况下，泡沫混凝土的抗压强度随着纤维掺量的增加， 均呈现出稳步增大的变化特点。 由此可见，在泡沫混凝土中掺加各种纤维，均可以明显提升泡沫混凝土的抗压强度，这对于提高泡沫混凝土结构的承载力和耐久性是有利的。 从不同纤维种类的对比结果来看，掺加聚丙烯纤维的泡沫混凝土在28 天龄期的抗压强度提升最明显，其次是玄武岩纤维和玻璃纤维，对泡沫混凝土强度改善作用最差的是钢纤维， 这可能与钢纤维的柔韧度较差， 会受到混凝土内部泡沫的较大影响有关[9]。

3.3 抗折强度

对掺加不同纤维种类、 不同掺量水平的泡沫混凝土试件进行7 天和28 天龄期的抗折强度测试试验。 根据试验结果绘制出如图3 所示的泡沫混凝土抗折强度随纤维掺量的变化曲线。

图3 泡沫混凝土抗折强度随纤维掺量的变化曲线

由图3 可以看出，除了个别点位之外，无论是7 天龄期还是28 天龄期， 泡沫混凝土的抗折强度均随着纤维掺量的增加而增加， 这说明掺入纤维可以显著提高泡沫混凝土抗折强度。 从不同纤维种类的试验结果来看， 不同纤维对泡沫混凝土抗折强度的影响规律也有所不同。 具体来看，在选择的4 种常见纤维种类中， 对泡沫混凝土抗折强度提升作用最明显的是聚丙烯纤维。 在28 天龄期条件下，当掺入量为0.15%时的抗折强度值最大。 其次是玻璃纤维，再次是玄武岩纤维混凝土，效果最差的是钢纤维混凝土。

4 结论

此次研究通过室内试验的方式， 探讨了聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、钢纤维等4 种常用的纤维进行试验。 根据试验结果，展开各种纤维对泡沫混凝土物理力学性能的影响的对比和评价研究。

从试验结果来看，4 种纤维均可以起到改善水工泡沫混凝土物理力学性能的作用， 但是在改善效果方面存在自身的特点和差异性。 其中，聚丙烯纤维在提高泡沫混凝土的抗压和抗折强度方面比较突出，但是在隔热性能改善方面表现一般，其最佳掺量为0.15%；玻璃纤维改善泡沫混凝土的抗折强度效果较好， 但是在提高抗压强度和改善隔热性能方面表现一般，其最佳掺量为1%；玄武岩纤维在提高抗压强度方面比较突出， 但是在提高抗折强度和隔热性方面表现一般， 其最佳掺量为2%；钢纤维在各方面性能改善方面表现均不理想，不推荐在制作泡沫混凝土时掺加。

总体来看， 聚丙烯纤维在改善泡沫混凝土物理力学性能方面具有优势， 推荐在工程设计中选用。 但是在实际工程应用中，除了考虑纤维种类，还应该注意结合工程需求以及经济性等其它因素的影响。 □