设为首页   加入收藏
 
   
纤维泡沫混凝土的研究现状
发布日期:2018-7-24 10:07:33 点击数:32新闻来源:

 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: ①提高水泥基材的 抗拉强度;②阻止基材中裂缝的扩展和延缓新裂缝 的产生;③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=1:0.8:1:0.00026 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 20.4% ,  抗 折 强 度 增 大 10.2% ,  导 热 率 下 降
0.5%,28d 的干缩率<2×10-3 [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 30%,抗折强度最大可提高 143%,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]:
 
(1)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,在施加外荷载时,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 7.6mm 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
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[3]。
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
- 48 -
 
维的增韧作用[4]。 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。
3.2 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[5],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 Zollo[6]在对聚丙烯纤维混凝土进 行了大量试验研究之后发现,当在混凝土中加入体 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 12%~25%。
M.R. Jones[7] 等以细粉煤灰部分取代水泥,加以 适量的发泡剂、 减水剂等, 掺入 0.25%长度为 1.9~
2cm 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[1] 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。 Park S B 等[8]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。
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]。 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。
上一个:厦门中骏·四季阳光项目屋面保温采用我司产品...  下一个:纤维水泥板及选择