纤维泡沫混凝土的研究现状.pdf

2 0 1 3年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCT S 2 01 3 No 6 J u n e 纤维泡沫混凝土的研究现状 程 顺 义 ( 武汉建筑材料工业设计研究院有限公司， 4 3 0 0 7 4 ) 摘 要 ： 介绍 了纤维泡沫混凝土 的主要物理 力学性能 ， 分析 了纤 维对泡沫混凝 土的增韧和抗 裂机 理 ， 总结 了国 内外对纤维泡沫混凝土的研 究成果 ， 分析 了几类常用于泡沫混凝 土中纤维的优缺点及其研 究现状 。 关键词 ： 泡沫混凝土 ； 纤维； 裂缝 Ab s t r a c t T h e ma i n p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f fi b e r f o a me d c o n c r e t e ，t o u g h e n i n g a n d r e s i s t i n g me c h a n i s m o f t h e fi b e r a d d e d i n f o a me d c o n c r e t e a r e i n t r o d u c e d Me a n wh i l e ，t h e s t u d i e s o n f i b e r f o a me d c o n c r e t e a t d o me s t i c a n d a b r o a d a r e s u mma r i z e d Ad v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a s w e l l a s r e s e a r c h s t a t u s o f S O n i C k i n d s o f fi b e r s wh i c h a r e c o mmo n l y a d d e d i n a me d c o n c r e t e a r e a n al y z e d Ke y wo r d s ： F o a me d c o n c r e t e ； F i b e r ； Cr a c k 中图分 类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 文献标识码 ： C 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 6 - 4 7 - 0 3 0前言 用 机 械方 法 将泡 沫 剂水 溶 液 制 备成 泡 沫 ， 加 到 水泥料浆 中， 再经搅拌成型养护得到的一种 多孔材 料称 为 泡沫 混凝 土 。由于泡 沫混 凝土 含有 大量 封闭 的细小孔隙 ， 具有 良好 的保 温隔热性能 、 隔音耐火 性能等 ， 兼之 又能大量利用 工业废渣 ， 被广泛 的应 用于墙体材料中。但泡沫混凝土还存在着韧性差 、 抗拉强度低和裂缝多等缺陷 ， 这一方 面限制了其在 更 多领 域 的应 用 ， 另 一 方 面也对 泡沫 混 凝 土 的改 性 提出了更高的要求 。 纤 维 能改 善泡 沫 混凝 土 的性 能 ， 将纤 维 加 入 到 泡沫混凝土中主要起三个作用 ： 提高水泥基材的 抗拉强度； 阻止基材中裂缝的扩展和延缓新裂缝 的产生； 提高水泥基材的变形能力。 1 纤 维泡 沫混凝 土 的物理 力 学性 能 以水泥基纤维泡沫混凝土为例 ，在水泥 ：水 ： 砂 ： 发泡剂= 1 ： 0 8 ： 1 ： 0 0 0 0 2 6的基 础上 ， 外掺体积率 为 0 4 抗碱玻璃纤维 。 干密度下降 1 5 ， 抗压强度 增大 2 0 4 ，抗折 强度增 大 1 0 2 ，导 热率下 降 0 5 2 8 d的干缩率 2 x l O - 3 1 。在控制灰砂 比和干密 度不 变 时，玻 璃纤 维使 泡 沫混 凝土 的抗 压 强度 最 大 可提 高 3 0 ， 抗 折 强 度最 大 可提 高 1 4 3 ， 韧 性 最 大 可提 高 8 1 倍 。 2纤维 泡沫 混凝 土 中纤维 的作 用 2 1 提高抗拉强度 均匀分布 的纤维对混凝土抗拉强度 的增强 主 要有两种模型【2 J ： ( I ) 纤 维 间 距 理 论 ： 混 凝 土 内 部有 尺 寸 不 同 的 微裂缝 、 孔隙和缺陷 ， 在施 J t l, 荷载时 ， 这些部位会 产生 比较大 的应力集 中， 引起裂缝 的扩展 ， 最终导 致 结构 破 坏 。理 论 分析 与 实验 证 明 ， 当纤 维 平 均 间 距小于 7 6 ra m时 ， 混凝 土的抗拉或抗弯初裂强度均 得 到提 高 。 ( 2 ) 复合 材料理论 ： 将纤维泡沫混凝 土所构成 的整体视为一个多相体系 ， 简化为纤维和泡沫混凝 土 的两相复合材料 ，其性 能为各个相性能 的加 和 值。由于材料 的复合不仅保 留了原有材料的特色 ， 而且通过各个组分性能的互补和关联 ， 可以获得原 材料 没有 的优 良性 能 。 2 2 提高抗裂性能 混 凝 土 在 硬 化 过 程 中 因体 积 收缩 和 干 缩 而产 生 内部 应力 ，这 些应 力 一旦 超过 基 体 的抗 拉 强 度 ， 便在混 凝 土 内部引 起微 裂缝 。微裂缝 在外 力作 用下 不 断 扩展 并 互 相 贯 通 搭 接 ， 形 成 一个 裂 缝 网络 而 使混凝土破坏 。阻止混凝土基体微裂缝扩展 ， 提高 纤 维 泡 沫混 凝 土抗 裂 性 能 ， 可 以从 微观 和 宏 观 两个 方面解 释 ： ( 1 ) 从 微 观 方 面 看 ， 分 布 在 混 凝 土 中 的纤 维 有 效 地 限制 了早期 裂缝 的产生 。混 凝 土 中均 匀分 布 的 成千上万根细小纤维 。 对混凝土 中多余水分的散发 起 到极 其有 利 的作用 。同时 ， 这 些为数 众多 、 乱 向分 布的纤维也能有效地克服混凝土 因收缩 、干缩 、 徐 变等物理化学变化而产生的应力集中现象。 ( 2 ) 从宏 观方 面看 ， 在纤维泡沫混凝土受荷初 4 7 2 0 1 3年第 6期 混凝 土 与水泥 制 品 总第 2 0 6期 期 混凝 土是 主要 的受力者 ， 承担 了绝 大部分 的外 荷载 ， 当外荷 载增加到一定程度 。 混凝 土中微裂缝 发展成宏观裂缝 横跨裂缝的纤维成为主要 的受力 者。因为纤维的抗拉强度和延性都远高于混凝土基 体 可 以缓解裂缝导致 的应力集 中 ， 增加裂缝扩展 的阻力 有效 地 限制混 凝 土裂缝 的进 一步扩 展 。 2 3 提 高抗 变形 能力 由于纤维与水泥有极强的结合力 ， 纤维能迅速 和混凝土均匀混合 。形成三维不定 向支撑体系 。 形 成 致 密而 乱 向分 布 的 网状增 强 系统 ， 从 而 增 强 混凝 土的韧性和整体强度。当混凝土承受拉力和冲击力 时 ， 均匀 分 布且数 量 众 多 的纤 维起 到 了吸 收能 量 和 分担应力的加强筋作用。纤维还对混凝土中裂缝有 搭接作用 ， 对分离 的混凝土块有牵连作用。 2 4 提 高泡 沫混凝 土 的孔 隙率 泡沫混凝土中的孔 隙率 孔径的形状和大小对 其密度 、 吸水率 、 抗压强度 、 抗折强度及导热系数有 显 著 的影 响 。在料浆 拌 和过程 中 ， 由于纤 维 的加入 ， 使在搅拌过程 中引入到料 浆中的大气泡被 大量 的 纤 维分 割成 小气泡 ， 从 而减 小平 均孔径 的大 小 。 泡沫混凝 土的平均孔 隙率 随着纤维 的掺入量 增多而增大 ， 随着纤维长度的增大而减小。一方面 是 由于纤维对泡沫 的分割作用 ， 使气泡在发泡剂 的 作 用 下 形 成 的 大量 泡沫 ， 增 加 发 泡 效 果 ； 另 一 方 面 是 由于纤维在水泥料浆中乱 向分布 ， 并且纤维掺入 量越大 ， 对料浆起到 了越好 的支撑作用 ， 防止料浆 坍塌 ， 使其 中的气泡在水泥浆体硬化过程 中仍能得 以保持嘲 。 3纤维 的分 类 纤维的加入能提高泡沫混凝土 的抗压强度 、 抗 裂性能 、 变形能力和孔隙率 ， 常用作泡沫混凝土 中 的纤维主要 有植 物纤维 、 聚合物纤维 、 玻璃纤维 和 碳纤维等等。 3 1 植物 纤维 常用的植物纤维为农作物秸秆 。 据统计我 国每 年生产的农作物秸秆有几亿吨 。 如果将其用于泡沫 混凝 土以提高其韧性 不仅会节约大量的资源 ， 而 且能 减少农 作 物废料 燃烧 导致 的环 境污 染 。利用 农 村 的秸 秆 资源 。 可 以为农 村 建材 短缺 问题 开辟 新 的 研究道路 。 为建筑节能提供基础条件。 天 然 的植 物 纤 维 是 由纤 维 细 胞 通 过 中 间夹 层 胶结在一起的 。夹层的化学成分主要是半纤维素 、 木 素 和低 聚 糖等 。 这 些 化合 物 在水 泥 的碱性 环 境 下 溶 解 浸 出 ， 对 水 泥造 成 严重 的缓凝 作 用 。在 使 用 之 前应将这些化合物溶出， 但是这样又会减弱植物纤 4 8 维的增韧作用 。另外 ， 植物纤维的吸水率很强 ， 将 严重降低混凝土强度 ， 而且植物纤维在水环境下容 易被微生物解聚 ， 导致其纤维结构被破坏 ， 纤维的 解聚会使混凝土结构中存在大量的连通孔隙 ， 从而 影 响混 凝 土 的力 学性 能和 耐久性 。 为解 决 上述 问题 。科研 人 员 做 了大 量 的 尝试 ， 如 大 连 理 工 大学 的王 立 久 老 师 等 人 采 用 明胶 乳 液 对植物纤维做表面处理 ， 以降低植物纤维 的吸水能 力 ， 提高耐碱侵蚀性和抵抗微生物解聚的能力。 3 I 2 聚合 物纤 维 随着高分子材料科学 的发展 以及对 材料结构 和性能的深入研究 。 聚合物在混凝土 中逐 渐发挥其 改性 作用 。常用 的聚合 物纤 维 有 聚丙 烯 纤 维 、 聚 酯 纤维 、 尼龙纤维 、 芳纶纤维等。 最常用的聚丙烯纤维是一种来源丰富 、 价格低 廉 的通用塑料圈 ， 其相对密度小 、 加工性能优 良， 屈 服 强 度 、 拉 伸 强度 及 弹性 模 量 均 较 高 ， 耐 应 力 龟 裂 及耐化学药 品性较佳 ， 但 同时存在收缩率大 、 脆性 高、 抗冲击强度低等缺点。聚丙烯纤维在应用于泡 沫混凝土 中存在三类 问题 ： 一是聚丙烯纤维在水泥 浆中难 于分散 ， 易于结团 ； 二是 聚丙烯纤维与水泥 浆体 的握裹力差 ；三是聚丙烯纤维抗老化性能差。 因而在使用之前一般要对聚丙烯纤维进行改性。 国外 著 名学 者 Z o l l o t 在对 聚丙 烯纤 维 混凝 土进 行 了大 量试 验 研 究之 后 发现 当在 混 凝 土 中加 人 体 积分数为 0 1 0 3 的聚丙烯纤维以后 ， 混凝土的 塑性收缩大大降低 。 降低率高达 1 2 2 5 。 M R J o n e s 等 以细粉煤灰部分取代水泥 ， 加 以 适量的发泡剂 、减水剂等 ，掺人 0 2 5 长度为 1 9 2 c m 的聚丙烯 纤维 ，发 现聚丙 烯纤 维 可 以显著 地增 强 泡沫混凝 土的可 塑性 和抗拉 强度 。 3 - 3 玻 璃纤 维 玻璃纤维机械强度高并且具有 良好 的柔韧性 ， 但易脆 、 耐磨性较差 。玻璃纤维用于泡沫混凝土 的 实例较少 ， 合 肥工业 大学詹炳根等人【 】 通过在泡沫 混凝 土中加入玻璃纤维 ， 结果表明 ， 加入玻璃纤 维 能增 强 泡 沫混 凝 土 的抗压 强 度 和抗 折 强 度 ， 极 大 地 改善 韧性 ， 并 能在一 定程 度上 抑制 早期 开裂 。 3 4 碳 纤 维 碳纤维相 比传统的玻璃纤维 ， 弹性模量是后者 的 3倍多 ， 而且不溶 于有机溶剂 和酸碱溶液 ， 耐蚀 性 出类拔萃 。P a r k S B等8 1 的试验结果认为 ， 通过碳 纤维 能有效 地增 大水 泥基 材 的强度 和 断裂韧 性 。 目前 在 泡 沫混 凝 土 中应 用 最 广 泛 的是 聚合 物 纤维 ， 但最 具有 发展前 景 的是植 物纤 维 。 程顺 义 纤 维泡 沫混凝 土 的研究 现状 4结 语 纤维泡沫混凝土相 比传统的混凝土而言 ， 抗拉 强度和韧性 显著提高 ， 隔音 隔热效果好 ， 抗折抗 弯 性能好 。 纤 维 泡 沫 混 凝 土 作 为 非 承 重 墙 体 时 能起 到 良 好 的保温 隔热作用 。 另外 ， 纤维泡沫混凝 土 良好 的 韧性 和抗变形性 能也可 以使其更能承受地震 和飓 风 的作用 ， 在飓风和地震频发 区适量的采用纤维泡 沫 混 凝土 可 以减 少 自然灾 害 带来 的损失 5 1 。相 比一 般泡沫混凝 土而言 。 其应用领域更为广泛 ， 但关 于 纤维泡沫混凝土的研究还 比较少 。 研究 的纤维种类 也不多 ， 纤维泡沫混凝土的研究还需要科研工作者 的进一步努力。 参考文献 ： 1 】 詹炳根， 郭建雷，林兴胜 玻璃纤维增 强泡沫混凝 士性 能 试验研究 J 合肥 工业大学学报：自然科学版) ， 2 0 0 9 ， 2 ( 3 2 ) 2 2 6 2 2 9 2 】 林兴胜 纤维增强 泡沫混凝土的研制 与性 能 D 】 合肥： 合肥 工业 大学 2 0 0 7 【 3 1 王立久 穆木 兰 植 物纤维生 产水泥基泡沫保 温墙体材料 的研究 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 6 1 6 6 4 朱 国启 浅谈 外墙 保 温节 能优 势 与不 足 J 四川 I 建 材， 2 0 o 9 ， 3 5 ( 3 ) ： 1 4 - 1 4 【 5 】 张艳锋聚丙 烯纤维增 强粉煤灰泡沫混凝 土的工艺研究 D 】 西安： 长安大学， 2 0 0 7 6 】 张勇 纤维增强轻集料混凝 土的研 究及其工程应用 J 公 路， 2 0 0 2 ， 1 l ， 1 1 0 一 l 1 2 7 】 M J o n e s a n d A Mc C a r t h y P r e l i mi n a r y v i e w s o n t h e p o t e n t i a l o f f o a m e d c o n c r e t e a s a s t r u c t u r a l m a t e ri a l J Ma g a z i n e o f c o n c r e t e r e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 5 7 ( 1 ) ： 2 1 3 2 8 】 S B P ark ， E S Y o o n a n d B I L e e E f f e c t s o f p r o c e s s i n g a n d ma t e ria l s v a ria t i on s o n me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f l i g ht we i g h t c e m e n t c o mp o s i t e s J 1 C e me n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 f 2 】 ： 1 9 3 2 0 0 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 8 作者简介 ： 程顺义 ( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 工程师 。 通讯 地址 ：武汉市东湖高新技术开发 区光谷 大道 7 7号 光谷金融港 A1 2栋 联 系 电话 ： 1 5 9 0 7 1 7 3 4 3 9 E - ma i l ： c h e n g s h u n y i 1 2 6 c o rn 更正 ： 2 0 1 3年第4 期第 8 6 页表 3 第 5 行更正为： 1 0 v g 代率混凝土 2 5 2 7 4 5 1 0 7 3 1 7 0 1 2 0 4 2 7 2 。 4 9