纤维聚合物水泥基复合材料性能及机理研究

黄 波 管 涛

（信阳职业技术学院，河南 信阳 464000）

1 引言

高性能纤维增强的水泥基复合材料是一种新型、改良而成的复合材料。相较于水泥混凝土而言，高性能纤维改性水泥基复合材料具有可塑性高、耐久时间长、裂缝宽度小、可自我调节空隙等优点，在抗震等级性能和抗拉强度方面表现突出。同时，从混凝土结构来看，混凝土的延性开裂还可以有效解决工程建筑中钢筋混凝土抗压强度和持久性不足的问题。近年来，随着我国对建筑施工的愈加重视与关注，混凝土结构的理论力学性能和应用性能作为工程建筑的基础性能也必须具备更高的水准。目前，国内新型墙板、墙体理论力学性能较差，安装后墙板易开裂，实际保温效果不好。而作为一种轻质多孔结构的无机材料，泡沫混凝土以其隔热、隔音、防火、降噪等特性，在复合墙板的应用中更占据优势。通过全面了解水泥基复合材料和高性能纤维改良发泡水泥的性能与特点，研发设计了一种新型的复合墙板，该复合墙板由内部结构混凝土浇注到发泡混凝土中所制成，同时，科学研究分析高性能纤维，进而有效提高水泥基复合材料的理论力学性能和墙体制品的保温性能。

2 试验概况

2.1 主要原材料

（1）混凝土：鄂盛砼集团的P·O42.5R级混凝土，比表面积为350m2/kg。（2）硅灰石粉：半加密存储的硅灰石粉。（3）粉煤灰：四川宜宾电厂的一级粉煤灰。（4）粉煤灰玻璃微珠：安徽友盛建材装饰新科技集团有限公司生产，以自制减水率为35%、固含量为50%的聚羧酸高性能减水剂产品为基础的玻璃微珠减水剂产品。（5）有机硅消泡剂：山药醇型有机硅消泡剂。（6）纤维素醚：羟丙基羟纤维素（HPMC）。（7）纤维：四川维尼纶厂生产的 PVA短纤维，直径为39μm，长度为6mm，伸长率为8%，塑性为35.0GPa，抗压强度为1 430MPa，相对密度为1.3g/cm3。

2.2 复合墙板的结构构成及制作方法

墙板的组成部分见表1，构造形式如图1所示。

表1 墙板的组成部分

图1 空心率≥65%的空心墙板横截面构造尺寸（单位：mm）

2.3 检测与表征方法

在高性能纤维的作用下，水泥复合材料与挡土墙的理论力学和流变性能不断提高。试验以《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》（JC/T 2461-2018）和《水泥砂浆强度试验方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）为模型对样本进行抗压和抗压强度的测试，40mm×40mm×160mm为规格型号，各试样参数为延性试样尺寸300mm×100mm×100mm、理论力学性能和吸水率试样尺寸为100mm×100mm×160mm、传热系数试样尺寸为300mm×300mm×30mm，依据《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）对泡沫混凝土细木工板性能进行试验。同时，按《建筑材料稳定导热系数的测量与校准》（GB/T 13475-2008）中的热箱法“安全防护”准则，选用尺寸为 1 400mm×1 400mm×100mm 的 WTRZ-1212产品型稳定对流换热性能测试仪来测试墙体的导热系数。

3 试验结果与分析

3.1 高性能纤维增强水泥基复合材料基材的性能

经试验，混凝土水灰比为0.20时，高性能纤维提高了水泥基复合材料的理论力学性能（抗拉强度≥80MPa、抗压强度≥20MPa），其流动性能优异。在设计方案中，纤维组分分别为1.0%、1.5%和2.0%，这样是为了更好地明确最佳纤维的用量。表2为高性能纤维改性水泥基复合材料混凝土配合比，试验混凝土的混凝土水灰比为0.2。

表2 高性能纤维增强水泥基复合材料的配合比（kg/m3）

3.1.1 纤维掺量对新拌浆体流变性能的影响

在浆料折叠过程中，ICAR PLUS混凝土流变仪用于测量其剪切应力和黏度。结果表明：随着纤维含量从1.0%增加到2.0%，纤维黏度也呈现出先减小后增大的趋势。同时，屈服应力逐渐增大，这是因为在搅拌过程中，自身的折中剪应力和纤维与水泥浆体所形成的摩擦效应都需要水泥浆体进行处理。在纤维含量较低（1.5%以内）时，搅拌对料浆流动性的现实意义远高于纤维所产生的压力，浆料黏度的危害较小；在纤维含量超过1.5%时，纤维产生的浆料压力降低浆料的流动性，黏度缓慢上升。另外，在纤维含量不断增加的同时，水泥基浆料所需要的抗拉强度也在不断攀升，整个管理信息系统的破坏剪应力随之也越大。

3.1.2 纤维掺量对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响

实验结果表明：水泥基复合材料的理论力学性能在高性能纤维的作用下得以改善，随着纤维含量的增加，试样的3d、7d、28d抗折强度明显提高。当纤维含量为2.0%时，抗折强度均可达到20MPa以上。随着纤维含量的增加，试样的3d、7d和28d抗压强度均呈现先变大后减小的发展趋势，说明纤维含量过高会导致抗压强度被破坏。当纤维含量为1.5%时，抗压强度最高。随着纤维含量的增加，样品韧性多态性的生长和进展速率降低，这说明韧性的多态性受纤维含量的影响较小。由于水泥基复合材料的性能可以被高性能纤维改善，因此，1.5%是PVA纤维的最佳掺量。多数情况下，泡沫混凝土密度等级与28d抗拉强度和传热系数成正比，与体积吸水率成反比。随着泡沫混凝土密度等级的降低，其28d抗拉强度和传热系数也降低，而体积吸水率则升高。由此可见，鉴于其边际效益和保温性能，活性炭纤维复合墙板的原料选用低密度的泡沫混凝土更合适。本文采用的现浇箱梁墙填充细工板为市场上泡沫混凝土，密度为200kg/m3，详细参数见表3。

表3 泡沫混凝土的基本性能测试结果

3.2 高性能纤维增强水泥基复合墙板性能研究

3.2.1 力学性能

在所有应用中必须考虑墙体材料的抗拉强度和抗拉能力。因此，本文对空心墙板和复合墙板的28d拉伸强度和弯曲性能进行了测试。

①抗压性能。在坍落度试验中，热应力法分为表面热应力和垂直热应力。坍落度试验结果见表4。损伤部位的面力和侧向力分别在控制面板和肋条的交界处，损伤间隙沿家具板的规格和方向发展。复合墙板和中空墙板具有抗压能力。承重受损部分也是如此，说明这部分是承重部分，是家具控制面板施工中的薄弱环节。以JF2组为例，已知墙板的抗拉强度远小于家具板，面层的抗拉强度约为家具板抗拉强度的14%，垂直角抗拉抗压强度约为家具板抗拉强度的14%，表4为不同类型墙板的抗压强度。

表4 不同类型墙板的抗压强度（MPa）

②抗弯性能。表5为全过程的抗弯强度测试效果。当活性炭纤维原料为泡沫混凝土，相对密度为200kg/m3时，复合墙板的极限均布抗弯荷载为5 000N/m2，板中最大挠度为5.13mm，极限抗弯荷载指数为8.0，弯曲性能良好。可见，复合墙板的极限对称弯曲荷载略低于空心墙板。

表5 抗弯试验结果

3.2.2 热工性能

工程建筑的弯钢框架结构自始至终受到室内外塞贝克效应的影响，热量根据弯钢框架结构不断传递。当季节更替时，外部热效率、内部结构的温度和弯曲结构的加热都随着时间的变化而变化。墙体作为建筑工程的外弧形钢框架，与室外地形接触较多，保温性尤为关键，能直接危及工程建筑的能耗问题。因此，本文对复合墙板传热的全过程和统计分析方法下的两个方面进行了深度地研究，运用两种或两种以上的计算方法进一步分析原材料复合墙板的传热性能。

①测试结果分析：中空墙板和复合墙板的导热系数数据测试表明，中空墙板的导热系数为3.08W/m·K。相比之下，复合墙板的导热系数急剧下降至0.75W/m·K。依据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）来看，当复合墙板厚度为100mm时，冬季冷热地区公共建筑外墙的导热系数就可被调节。

②计算结果：依据墙板保温基础知识的计算，评价墙板保温性能的关键参数为传热群R0和传热系数K值。传热系数K是一个标量，具体指在评估墙板本身或其中一层材料所出现的特性阻抗传热能力。本分析选取由两种或两种以上原材料构成的空心墙板和复合墙板本。另外，参照《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）对不同原材料的传热摩擦阻力R进行取用，依据式（1）对平均传热系数进行计算：

式中：——平均热阻，m2·K/W；

F0——与热流方向垂直的总传热面积，m2；

F1、F2……Fn——按平行方向与热流方向划分的各个传热面积，m2；

R0.1、R0.2……R0.n——各个传热面积部位的传热阻，m2·K/W；

Ri——内表面换热阻取0.11m2·K/W；

Re——外表面换热阻取0.04m2·K/W。

根据式（2）计算整个墙板的传热阻R0：

评价墙板保温性能的重要指标是传热系数。依据式（3）计算空心墙板和复合墙板的传热系数K：

由墙板传热系数指标值可见，中空墙板的传热摩擦阻力为0.163m2·K/W，摩擦阻力值不及墙板传热摩擦阻力的1/6。中空墙板的传热系数较复合墙板的传热系数高，前者为3.21W/m·K，后者为0.83W/m·K。实验结果表明：墙体的保温性能在泡沫混凝土填充空心后，在墙板的传热摩擦作用下，其性能会显著提高。墙板传热系数的测试与计算结果基本一致，表明可以利用传热系数计算方法准确地测量复合墙板的传热系数。

4 结语

（1）当PVA化纤的用量越来越多时，环氧树脂水泥复合材料的3d、7d、28d抗压强度在高性能化纤的作用下，其抗压强度也在不断提高，其中，7d、28d抗拉强度可达到20MPa以上，PVA化纤的最佳掺量为1.5%。鉴于墙体的成本和保温性能，复合墙体材料建议采用泡沫混凝土，相对密度为200kg/m3。

（2）复合墙板的极限弯曲荷载指数为9.0，纵向抗拉强度≥15MPa，综合理论力学性能良好。

（3）采用标准传热系数计算方法，可立即计算出复合墙板的传热系数，实验结果与墙板传热系数的指标值基本吻合。