高耐碱玻纤在蒸压砂加气混凝土中的应用研究

陈志纯 ，李应权 ，扈士凯 ，史志花

（1.建筑材料工业技术监督研究中心，北京 100024；2.建材行业水泥基建筑节能材料重点实验室，北京 100024）

0 引言

蒸压加气混凝土因其特殊的多孔结构，具有比一般混凝土更好的保温隔热性能[1]和轻质、隔声、耐火、抗震、利废等特点[2]，广泛应用于建筑外墙保温及自保温体系中[3-4]。纤维作为一种常用的水泥基体增强材料广泛应用于多种混凝土材料中[5]，能够提高混凝土的强度、弯曲韧性和耐冲击性等[6]。然而由于蒸压加气混凝土在生产过程中要使用钢丝对发气膨胀后的加气混凝土进行“湿切割”，掺入过多纤维会影响切割过程，因此纤维在蒸压加气混凝土中的应用较少，其相关研究也相对缺乏[7]。

玻璃纤维是混凝土中常用的增强纤维，具有高强度、高弹性模量、不燃及价廉等优点，但玻璃纤维耐碱性差，易在混凝土内部的碱性环境下被腐蚀[8]。用于混凝土中的耐碱玻璃纤维一般是通过提高ZrO2含量来提高其耐碱性[9]。然而蒸压加气混凝土生产过程中的高温高压碱性环境比普通泡沫混凝土的常温常压碱性环境更为严苛，一般的混凝土用耐碱玻璃纤维无法用于蒸压加气混凝土中。

本文研究了一种具有高耐碱性的玻璃纤维在少量掺入的情况下对蒸压砂加气混凝土的性能影响及其应用前景。

1 试 验

1.1 原材料

水磨细砂：北京金隅加气混凝土厂，含水率39.2%，80 μm筛筛余17.5%；水泥：保定太行和益水泥有限公司，P·O42.5；白灰：北京金隅加气混凝土厂，活性氧化钙含量73.8%；铝粉膏：雄县科翔银粉厂，活性铝含量86%；高耐碱玻纤：自制；普通耐碱玻纤：市售；水：自来水。2种耐碱玻纤的主要性能参数见表1。

表1 2种耐碱玻纤的主要性能参数

1.2 试验配方

高耐碱玻纤掺量分别为总粉料质量的0.2%、0.3%、0.6%、0.9%，普通耐碱玻纤掺量为总粉料质量的0.3%。基本配比见表2，水料比0.80～0.82，由于砂加气混凝土各项性能受干密度影响较大，为使不同试样的性能参数具有可比性，制备试件时应根据料浆稠度变化情况适当调整加水量以确保各组试件干密度尽可能相同。

表2 蒸压砂加气混凝土粉料质量配比 %

1.3 试件制备

（1）空白蒸压砂加气混凝土试件制备：先将水磨细砂倒入圆柱桶容器中，再依次加入白灰、水泥和水，用Q1U-FF-160型手持搅拌机以550 r/min转速搅拌1 min后再加入铝粉膏，继续搅拌1 min后将料浆倒入100 mm×100 mm×100 mm和20 mm×100 mm×100 mm钢模中，约15 min后料浆发泡完。

（2）掺入玻纤的蒸压砂加气混凝土试件制备：先将水磨细砂倒入圆柱桶容器中，加入适量玻纤，用Q1U-FF-160型手持搅拌机以550 r/min转速搅拌1min后依次加入白灰、水泥和水，再搅拌1 min后加入铝粉膏，继续搅拌1 min后将料浆倒入100 mm×100 mm×100 mm和 320 mm×100 mm×100 mm钢模中，约15 min后料浆发泡完成。

（3）所有试件发泡完成后在室温条件下静置2 h，然后放入 180～200℃、1.2～1.3 MPa环境中蒸压养护 12 h，脱模后根据测试标准要求切割成所需尺寸和数量。

1.4 试验方法

按照GB/T 11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》测试干密度、抗压强度、干燥收缩值；按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试抗折强度；按照GB/T15231—2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》测试抗冲击强度。

2 试验结果与分析

2.1 高耐碱玻纤对蒸压砂加气混凝土抗压强度的影响

高耐碱玻纤掺量为0、0.2%、0.3%、0.6%、0.9%的同密度蒸压砂加气混凝土抗压强度分别为1.391、1.998、2.514、2.258、1.853 MPa。普通耐碱玻纤掺量为0.3%的同密度蒸压砂加气混凝土抗压强度为1.425 MPa，与未掺耐碱玻纤的同密度蒸压砂加气混凝土抗压强度相比无明显提高。

掺入适量高耐碱玻纤后砂加气混凝土的抗压强度有明显提高，掺量在0.3%以下时抗压强度随着其掺量的增加而提高；掺量高于0.3%时则抗压强度随着掺量的增加而下降；掺量为0.3%时抗压强度较未掺耐碱玻纤的提高80.7%。具有高强度和高弹性模量的高耐碱玻纤在砂加气混凝土体系中均匀无序分布，形成立体网状支撑结构，且高耐碱玻纤在线性双方向上均有较高强度，能够对砂加气混凝土基体在各方向上都产生骨架式的力学增强作用，因此能够明显地增强砂加气混凝土的抗压强度，这是其它柔性纤维所没有的特性。当掺量超过0.3%时高耐碱玻纤对砂加气混凝土基体的孔结构和水化反应的负面影响越来越大，不利于强度的提高，因此抗压强度开始下降。

2.2 高耐碱玻纤对蒸压砂加气混凝土抗折强度的影响

高耐碱玻纤掺量为0、0.2%、0.3%、0.6%、0.9%的同密度蒸压砂加气混凝土抗折强度分别为 1.029、1.090、1.136、1.064、1.054 MPa。普通耐碱玻纤掺量为0.3%的同密度蒸压砂加气混凝土抗折强度为1.036 MPa，与未掺耐碱玻纤的同密度蒸压砂加气混凝土抗折强度相比无明显提高。

掺入适量高耐碱玻纤后砂加气混凝土的抗折强度有所提高，掺量在0.3%以下时抗折强度随着掺量的增加而提高；掺量高于0.3%时则抗折强度随着掺量的增加而下降；掺量在0.3%时抗折强度较未掺耐碱玻纤的提高10.4%。受到弯折作用时，砂加气混凝土基体受到高耐碱玻纤的约束作用，能延缓、阻止裂缝的扩展，且开裂截面的载荷能够通过高耐碱玻纤传递到未开裂的基体上，从而提高抗折强度。抗折强度的提升幅度相对抗压强度较小，这是因为抗折强度的试验方法是在单一方向上的力学行为，高耐碱玻纤和其它纤维一样只是对单一方向上的拉伸弯折起到一定的作用，而且本试验所用高耐碱玻纤未经表面偶联处理，与砂加气混凝土基体水化产物的结合性能较差，基体弯折时绝大多数高耐碱玻纤从基体中脱离拔出，未能起到最佳增强作用。

2.3 高耐碱玻纤对蒸压砂加气混凝土干燥收缩值的影响

高耐碱玻纤掺量为0、0.2%、0.3%、0.6%、0.9%的同密度蒸压砂加气混凝土平均干燥收缩值分别为0.0187%、0.0189%、0.0186%、0.0182%、0.0184%。普通耐碱玻纤掺量为0.3%的同密度蒸压砂加气混凝土平均干燥收缩值为0.0186%，与未掺耐碱玻纤的同密度蒸压砂加气混凝土平均干燥收缩值相比无明显降低。

高耐碱玻纤的掺入对蒸压砂加气混凝土干燥收缩值影响较小，试验数据的波动在正常变化范围内，可看作无明显变化。虽然高耐碱玻纤对基体的多向约束能力能提高基体的抗干燥收缩性能，但由于蒸压砂加气混凝土经过蒸压养护后，其抗干燥收缩性能远优于其他同类多孔材料，干燥收缩值较小，高耐碱玻纤对基体干燥收缩值的改善未能在标准试验方法所得出的数据中明显体现。

2.4 高耐碱玻纤对蒸压砂加气混凝土抗冲击强度的影响

高耐碱玻纤掺量为0、0.2%、0.3%、0.6%、0.9%的同密度蒸压砂加气混凝土抗冲击强度分别为1.15、1.25、1.33、1.35、1.31 kJ/m2。普通耐碱玻纤掺量为0.3%的同密度蒸压砂加气混凝土抗冲击强度为1.13 kJ/m2，较未掺耐碱玻纤的同密度蒸压砂加气混凝土无明显提高。

高耐碱玻纤的掺入能够提升蒸压砂加气混凝土的抗冲击强度，掺量在0.6%以下时抗冲击强度随着掺量的增加而提高，但掺量在0.3%～0.9%范围内变化不大；掺量在0.6%时抗冲击强度较未掺耐碱玻纤的提高幅度为17.4%。高耐碱玻纤对蒸压砂加气混凝土基体的增强抗裂作用也能体现在抗冲击性的提高上，而且由于冲击试验受力时间短，力量较大，玻纤的拔出脱离较少，断裂的玻纤有效吸收一定的冲击力，因此高耐碱玻纤对基体抗冲击性的增强作用优于抗折强度。

2.5 高耐碱玻纤的分散性及对发泡过程的影响

本试验过程模拟蒸压砂加气混凝土的实际生产过程，由于目前蒸压砂加气混凝土在实际生产过程中无法将高耐碱玻纤与干粉料提前干混，因此试验时将玻纤与湿料浆直接进行搅拌混合。在电动搅拌器搅拌3 min的条件下，目测观察高耐碱玻纤与料浆的混合较均匀，掺量为0.2%、0.3%、0.6%时能够均匀分散在湿料浆中，当增大到0.9%时开始出现纤维团聚的现象，再延长搅拌时间也无法改善，因此可认为掺量高于0.9%时高耐碱玻纤的分散性变差，无继续增大掺量的必要。高耐碱玻纤对湿料浆稠度有影响，掺入0.6%高耐碱玻纤的料浆稠度比未掺高耐碱玻纤的料浆稠度有所提高，掺入0.9%高耐碱玻纤的料浆稠度增大更明显。

掺入高耐碱玻纤对发泡速度和高度影响较小，所有试件均能正常发泡不塌模。

2.6 高耐碱玻纤的耐腐蚀性

图1为掺高耐碱玻纤蒸压砂加气混凝土试件的折断面。

图1 掺高耐碱玻纤蒸压砂加气混凝土试件折断面

由图1可知，突出的高耐碱玻纤在折断面上大量存在，且均匀分布，可见高耐碱玻纤在蒸压砂加气混凝土体系中具有较好的耐腐蚀性和均匀分散性。

图2为掺普通耐碱玻纤蒸压砂加气混凝土试件的折断面。

由图2可知，在试件断面上几乎无法观察到突出的纤维存在，且将试件磨碎后也无法找到纤维的存在，可以推断普通耐碱玻纤在蒸压砂加气混凝土的高温高压蒸养过程中，被基体的碱性环境严重腐蚀乃至消失了，因此掺入0.3%普通耐碱玻纤的蒸压砂加气混凝土各方面性能无明显变化。可见普通耐碱玻纤无法适用于蒸压砂加气混凝土，而高耐碱玻纤在高温高压碱性环境下具有很好的耐腐蚀性，因此能够在蒸压砂加气混凝土中掺入使用，起到增强作用。

3 结论

（1）在蒸压砂加气混凝土中直接掺入高耐碱玻纤，能显著提高蒸压砂加气混凝土的抗压强度，有效提高抗冲击性和抗折强度，对干燥收缩性能的影响不明显；且掺量为0.3%时具有最好的综合增强效果。

（2）高耐碱玻纤在高温高压碱性环境下具有良好的耐腐蚀性，且对蒸压砂加气混凝土的发泡成型过程影响较小，分散性良好，适合作为蒸压砂加气混凝土的增强材料。

（3）高耐碱玻纤与蒸压砂加气混凝土结合的紧密性有待改善，从而使玻纤增强作用进一步提高。

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