纳米纤维增韧泡沫混凝土的机理研究.pdf

全 国中文核心期刊 # j # #l 彗 杆鲤 建 中 国 科 技 核 心 期 刊 纳米纤维增韧泡沫混凝土明相理研究 邱军付， 孙桂芳， 王永魁 ， 罗淑湘 ( 北京建筑技术发展有限责任公司， 北京 1 0 0 0 5 5 ) 摘要 ： 用普通硅酸盐水泥为原料， 制备了干表观密度低于 1 8 0 k g m 的泡沫混凝土制品。采用纳米纤维与聚丙烯纤维复合对泡 沫混凝土制品进行增韧； 通过 X R D和S E M等对制品微观结构和增韧机理进行了研究。结果表明， 纳米纤维与聚丙烯纤维的复合能 够有 效提 高泡沫混凝土制 品的抗裂性能 。 关键词 ： 泡沫混凝土： 纳米纤维： 增韧； 机理 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 3 7 0 3 S t u d y 0 1 1 t o u g h e n i n g m e c h a nis m o f f o a m c o n c r e t e wi t h n a n o - fib e r Q I U ， S U N G u if a n g ， WA N G Y o n g k u i ， S h u x i a n g ( B e ij i n g B u i l d i n g T e c h n o l o g y D e v e l o p me n t C o L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 5 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： F o a m c o n c r e t e wi t h d e n s i t y l e s s t h a n 1 8 0 k g m wa s p r e p a r e d b y u s i ng o r d i n a r y P o r t l a n d c e me n t a s t h e r a w ma t e r i a l ， t o u Ig h e n t h e f o a m c o n c r e t e wi t h c o mp o s i t e fi b e r ( n a n o fi b e r a n d p o l y p r o py l e n e fib e r )， XRD a n d S EM we r e u s e d t o a n a l y z e t h e me c h a n i s m o f r e i n f o r c i n g a nd t o u g h e n i ng o n t h e f o a m c o n c r e t e Th e r e s u l t s s ho we d t h a t t h e c o mp o s i t e fi b e r c a n e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e s t r e n g t h a n d a n t i c r a c k i n g a b i l i t y Ke y wo r d s ： f o a m c o n c r e t e ， n a n o - fi b e r ， t o u g h e n i n g ， m e c h a n i s m 0 引言 泡沫混凝土制品因其含有大量均匀分布的封闭气孔而具 有轻质、 防潮、 防火、 隔声及良 好的保温隔热功能， 尤其适用于 建筑外墙保温工程 。但是水泥基制品通常具有脆性大、 韧 性差、 易开裂等缺陷； 而泡沫混凝土制品由于强度性能远低于 常规的混凝土制品，所以泡沫混凝土制品的内部裂纹对其性 能的影响也更为显著； 尤其是对干表观密度低于 1 8 0 k g m s 的 泡沫混凝土，即使是制品内部少量的裂纹也足以严重影响该 产品的工程应用质量。 现代混凝土常用纤维来实现混凝土制品的增韧阻裂， 不 同纤维对制品的增韧效果也有较大差异 5 - 8 ， 但是以往对混凝 土制品的增韧研究主要集中在加入毫米级的纤维实现增韧阻 裂， 很少有报导采用纳米纤维与毫米级纤维复合增韧的研究。 本文拟通过在泡沫混凝土中掺入适量的纳米纤维，利用纳米 收稿 日期： 2 0 1 5 0 7 2 7 ： 修订 日期： 2 0 1 5 0 9 2 2 作者简介 ： 邱军付 ， 男， 1 9 7 7年生 ， 江西 上饶人 ， 博士 ， 从事绿色 建材 开发。地址： 北京市西城 区广莲路 l 号建 工大 厦 A座 l 4层， E ma i l ： j f q i u 2 0 1 3 1 6 3 c o m。 纤维和毫米级纤维复合增韧技术，充分发挥 2 种不同维度纤 维材料在抑制裂纹扩展方面的优势，有效解决泡沫混凝土制 品的开裂问题。 1 试验 1 1 原材料 水泥： 4 2 5 级普通硅酸盐水泥， 唐山冀东水泥厂； 粉煤灰： 级， 京能热电有限公司； 双氧水发泡剂： 浓度 3 5 ， 北京中 远华盾科贸有限公司； 聚丙烯纤维： 长6 - 9 m m ， 北京安顺达装 饰有限公司； 外加剂： 工业级元明粉与生石灰按质量比l ： 1 混 合而成， 市售； 纳米纤维： 主要成分是硅铝化合物， 市售。 1 2 试验方法 利用普通硅酸盐水泥作胶凝材料、 双氧水作发泡剂， 采用 化学发泡的方法制备泡沫混凝土保温板。普通硅酸盐水泥基 泡沫混凝土的基础配方为： 水胶比0 5 、 粉煤灰掺量为水泥的 3 0 3 5 ， 双氧水掺量为固体粉料的5 ， 外加剂掺量8 。 试 验时先称取原料， 再将干粉预混均匀， 然后加入水， 搅拌均匀， 再加入发泡剂， 搅拌均匀后快速浇注入模具， 静停， 切割、 养 护。 1 3 测试方法 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邱军付， 等： 纳米纤维增韧泡沫混凝土的机理研究 混凝土净浆流动度参照G B T 8 0 7 7 -2 0 0 0 混凝土外加 剂匀质性试验 进行测试； 强度参照G B T 5 4 8 6 -2 0 0 8 无机 硬质绝热制品试验方 进行测试。 2 结果与讨论 2 1 纳米纤维对净浆流动度的影响 泡沫混凝土净浆的流动度对其发泡、 浆体初凝、 孔结构等 均有较大的影响，合理的净浆流动度是制备高性能泡沫混凝 土制品的关键因素之一。固定水胶比为0 5 ， 用纳米纤维等量 取代水泥， 其对净浆流动度的影响如图1 所示。 17 0 1 6 5 唇 1 6 0 髂 1 5 5 1 5 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 纳米纤维掺量 图 1 纳米纤维 掺量对净浆流动度的影响 由图1 可见， 当纳米纤维掺量不大于0 5 时， 水泥净浆 流动度随着纳米纤维掺量的增加而增大，在纳米纤维掺量超 过0 5 时， 流动度随纳米纤维掺量的增加而下降。 因此， 对于 水泥净浆流动度来说纳米纤维存在一个最佳掺量，即当掺量 为0 5 时， 水泥净浆流动度最大为 1 6 9 m m 。 2 2 纳米纤维对制品强度的影响 用纳米纤维对无机材料进行增韧是一种较为有效的技术 手段， 可以实现对裂纹扩展的有效抑制l9 _ “ 。本文在泡沫混凝 土制品中引入纳米纤维，标准养护7 d 后试样的抗压和抗拉 强度如图2 所示。制品的干表观密度为( 1 7 0 1 0 ) k g m ， 试样 1 为空白试样， 试样2 掺入0 5 的9 m m聚丙烯纤维， 试样3 掺入0 5 的纳米纤维，试样4为掺入0 2 5 的纳米纤维+ 0 2 5 的9 m m聚丙烯纤维。 0 4 5 O 4 0 0 3 5 0 3 0 2 5 0 2 0 O 1 5 0 1 0 试样1 试样2 试样3 试样4 图 2 纤维掺量对制品强度的影响 从图2 可知，在泡沫混凝土制品中掺入聚丙烯纤维和纳 Q 皇 于 R l不 筘 ， 卜 I 米纤维均能提高制品的抗压和抗拉强度，而纳米纤维对制品 强度提升的幅度大于聚丙烯纤维。单掺聚丙烯纤维的制品的 抗压强度和抗拉强度较空白试样分别增长了6 0 N 5 2 4 ； 单掺纳米纤维的制品抗压强度和抗拉强度较空白 试样分别增 长了9 3 和7 8 6 ；而掺入复合纤维的制品抗压强度和抗拉 强度较空白 试样分别增长了 1 8 0 和 1 6 9 。 从宏观角 度分析， 在 泡沫混凝土体系中， 聚丙烯纤维与 水 泥浆料有极强的结合力，在制品中形成三维不定向网状支撑 体系抑制裂纹的扩散， 起到增强增韧作用； 从微观角度分析， 由于泡沫混凝土的骨架结构是由未水化的水泥颗粒、水化产 物及毛细孔等组成，毛细孔由泡沫混凝土中未被水化颗粒及 水化产物所填满1 l】 。 当制品中掺入纳米纤维时， 纳米纤维能够 均匀填充在毛细孔之间， 减小毛细管孔隙， 因此， 这部分空间 越小， 泡沫混凝土越密实， 强度也越高。 此外， 纳米纤维还能够 防止和减少后期的干缩微裂缝及温度变化引起的裂缝，提高 了泡沫混凝土的韧性。 2 _ 3 机理分析 在混凝土制品中掺入纳米材料时，纳米粒子因较大的表 面能， 可以发挥“ 晶种” 的功效， 使水化产物特别是氢氧化钙迅 速聚集在“ 现成晶核” 表面， 减少氢氧化钙的取向度， 加速水 化进程。使水泥水化过程直接跳过“ 形成 C S H稳定晶核” 的 过程， 即C S H直接在纳米材料提供的 “ 现成晶核” 表面继续 生长， 而不是吸附于未水化水泥颗粒表面。C S H凝胶的巨大 表面能很容易吸附其它离子，水泥颗粒表面就不会有厚的 保护层阻碍水化的进行， 从而影响水泥水化的速度和深度。 此外， “ 现成晶核” 除了中心质效应外， 还可以填充混凝土空 隙， 密实混凝土， 进一步强化界面结构， 起到结构增韧的效 果。 2 4 X R D I： I S E M 分析 图3 为掺入复合纤维的泡沫混凝土试样( 试样4 ) 和空白 试样( 试样 1 ) 水化产物的X R D图谱， 图4为试样4 和试样 1 水化产物的S E M照片。 -C a( O H ) 2 A F t 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 20 ( 。 ) 图 3 试样 4和试样 1 水化产物 的 X R D图谱 ， 蛊 隈 U 舳 加 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m