耐碱玻璃纤维对泡沫混凝土性能的影响

段小芳，夏正兵

（南通开放大学 建筑工程学院，江苏 南通 226006）

玻璃纤维取材容易、抗拉强度高、隔热性能好、防火性能优[1]，作为增强材料广泛用于纺织、建筑等行业。泡沫混凝土内部充满大量封闭孔隙，保温性能好、质量轻，常用作外墙保温材料，但其强度低、吸水率高，因此有学者[2]提出可通过掺入玻璃纤维以提高强度，降低吸水性。纤维在泡沫混凝土中的作用主要包括阻止裂缝的发生和扩展，提高抗渗性，改善耐久性和力学性能等。龚建清[3]研究发现，掺入玻璃纤维可以降低泡沫混凝土早龄期收缩变形。混凝土内部环境呈碱性，掺入普通纤维后易发生化学反应，因此建议选用耐碱纤维。林兴胜研究表明[4]：掺入耐碱玻璃纤维后，泡沫混凝土的密度减小，孔隙率增大，但是孔隙直径变小，抗压强度和抗折强度有所降低，导热系数降低。孙延磊[5]研究认为，玻璃纤维可以提高泡沫混凝土抗折强度，提升导热系数，降低保温性能。可见，学者们对于玻璃纤维泡沫混凝土性能研究结论并不一致。本文拟在泡沫混凝土中掺入不同体积率的耐碱玻璃纤维，研究泡沫混凝土的吸水性、吸湿性、早期收缩应变、导热系数、力学性能等指标的发展变化规律，探究耐碱玻璃纤维最优掺量，以期为相关工程提供技术参考。

1 试验方案

1.1 原材料

试验原材料选用P.O 42.5硅酸盐水泥，一级粉煤灰，细骨料为粒径小于5 mm的天然砂，发泡剂为蛋白质类，自来水、泡沫混凝土配合比如表1，未掺纤维时泡沫混凝土密度为705 kg/m3。耐碱玻璃纤维主要参数见表2，其中，掺入泡沫混凝土中的耐碱玻璃纤维体积率为0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%。

表1 泡沫混凝土配合比 kg/m3

表2 耐碱玻璃纤维主要参数

1.2 试验方法

参考GB/T11969-2008《蒸压加气混凝土性能测试方法》进行耐碱玻璃纤维泡沫混凝土的吸水率、吸湿率、力学性能测试；依据GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》测定导热系数；参考JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试收缩性能。试件制作完成置于温度（20±2）℃、相对湿度90%的环境中养护28天进行试验，从3天龄期开始收缩试验。测试不同性能指标时的试件尺寸见表3。

表3 试件尺寸 mm

2 试验结果及讨论

2.1 质量吸水率

泡沫混凝土吸水后保温效果变差，冬季天气寒冷容易冻融破坏，对节能和耐久性都有不利影响。不同掺量玻璃纤维泡沫混凝土吸水率发展变化曲线如图1所示。由图1可见，随着耐碱玻璃纤维掺量增加，吸水率先下降后略提高。玻璃纤维掺量为0时吸水率为28%，掺入0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的纤维后，吸水率分别降低7.69%、16.18%、20.69%、19.66%。主要由于掺入耐碱玻璃纤维后，泡沫混凝土中的连通孔减少，导致吸水率降低。

图1 不同掺量耐碱玻璃纤维泡沫混凝土吸水率发展变化曲线

2.2 吸湿率

耐碱玻璃纤维的不同掺量对泡沫混凝土吸湿率的影响曲线如图2所示。由图2可见，随着玻璃纤维掺量的增加，吸湿率下降，两者近似呈线性关系。耐碱玻璃纤维掺量为0时，吸水率为4.6%，掺入0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的纤维后，吸水率分别降低了2.22%、4.55%、5.75%、9.52%。其原因在于，耐碱玻璃纤维的均匀分布使泡沫混凝土内部连通孔变少，吸湿率降低。

图2 不同掺量耐碱玻璃纤维泡沫混凝土吸湿率发展变化曲线

2.3 收缩应变

不同掺量耐碱玻璃纤维泡沫混凝土收缩应变随龄期发展变化曲线如图3所示。由图3可见，收缩应变随玻璃纤维掺量的增加而下降。龄期14 d时，耐碱玻璃纤维掺量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的泡沫混凝土对应的收缩应变分别为1 244、1 202、1 152、1 089 uε，与不掺纤维的基准组相比分别减小了4.34%、7.99%、12.67%、19.19%；龄期28 d时，四组玻璃纤维泡沫混凝土收缩应变分别为1 565、1 504、1 446、1 388 uε，与不掺纤维的基准组相比分别减小3.64%、7.85%、12.17%、16.86%。由图3还可知，收缩应变随龄期的增长而增大，0～14 d增幅较大，14～28 d增幅减小并趋于平稳。究其原因，主要是耐碱玻璃纤维在泡沫混凝土中乱象分布，形成三维支撑，泡沫混凝土收缩时受到纤维的阻碍，收缩量降低；此外，玻璃纤维弹性模量大，能承担泡沫混凝土收缩时的部分挤压应力，抑制了混凝土收缩。

图3 不同掺量耐碱玻璃纤维泡沫混凝土收缩应变随龄期发展变化曲线

2.4 导热系数

不同掺量耐碱玻璃纤维泡沫混凝土导热系数发展变化曲线如图4所示。由图4可见，随着耐碱玻璃纤维掺量增加，导热系数下降，故耐碱玻璃纤维可以提高泡沫混凝土的保温隔热性。其原因是，掺入耐碱玻璃纤维后，孔道的形貌得到改善[6]，孔隙结构得到优化，导热系数降低。干燥状态下，耐碱玻璃纤维掺量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的泡沫混凝土对应的导热系数分别为0.146、0.142、0.136、0.134 W/（m·K），和不掺纤维的基准组相比分别减小了1.37%、4.23%、8.82%、10.45%。试件在相对湿度90%的环境中，泡沫混凝土处于吸湿状态，四组耐碱玻璃纤维泡沫混凝土导热系数分别为0.168、0.163、0.158、0.155 W/（m·K），和不掺纤维的基准组相比分别减小2.38%、5.52%、8.86%、10.97%。可以发现，吸湿状态下导热系数比干燥状态下大，原因是吸湿状态下的泡沫混凝土内部水分增多，水的导热系数大于泡沫混凝土，导致导热系数升高。

图4 不同掺量玻璃纤维泡沫混凝土导热系数发展变化曲线

2.5 力学性能

2.5.1 抗压强度

不同掺量耐碱玻璃纤维泡沫混凝土抗压强度发展变化曲线如图5。图5显示，随着玻璃纤维掺量的增加，抗压强度先增大后减小。当玻璃纤维掺量为0～1.2%时，抗压强度近似呈线性增加；当玻璃纤维掺量为1.2%～1.6%时，抗压强度下降。原因在于，纤维起到“加筋作用”[7]，在泡沫混凝土中呈乱象分布，形成三维骨架，抑制细骨料下沉，使混凝土内部均匀密实，抗压强度增高。但是，当纤维掺量过多时，无法均匀分布于水泥浆中，易出现成团现象，固化后的水化产物和纤维之间黏结性能降低，导致抗压强度下降。

图5 不同掺量玻璃纤维泡沫混凝土抗压强度发展变化曲线

2.5.2 劈裂抗拉强度

不同掺量耐碱玻璃纤维泡沫混凝土劈裂抗拉强度发展变化曲线如图6。图6表明，随着玻璃纤维掺量增加，抗拉强度近似呈指数关系增大。当玻璃纤维掺量为0～1.2%时，抗拉强度增幅较大；当玻璃纤维掺量为1.2%～1.6%时，抗拉强度增幅较小并趋于平稳。其原因在于，玻璃纤维在泡沫混凝土中形成三维骨架，对细骨料起到一定的支撑作用，避免骨料下沉；耐碱玻璃纤维抗拉强度大，当泡沫混凝土达到抗拉强度时，玻璃纤维发挥桥接作用继续承受拉力，因此劈裂抗拉强度提高。

图6 不同掺量玻璃纤维泡沫混凝土劈裂抗拉强度发展变化曲线

3 结 论

（1）耐碱玻璃纤维掺量低于1.2%时，泡沫混凝土吸水率随纤维掺量增大而降低；纤维掺量高于1.2%时，泡沫混凝土吸水率有所提高，但幅度较小。泡沫混凝土吸湿率随玻璃纤维掺量增大而减小。

（2）泡沫混凝土早龄期收缩应变随耐碱玻璃纤维掺量增大而降低，有利于减少泡沫混凝土早龄期开裂。

（3）泡沫混凝土导热系数随耐碱玻璃纤维掺量增大而降低，提高了泡沫混凝土保温性能。

（4）耐碱玻璃纤维掺量低于1.2%时，泡沫混凝土抗压强度随玻璃纤维掺量增加而增大；玻璃纤维掺量高于1.2%时，泡沫混凝土抗压强度有所降低。泡沫混凝土劈裂抗拉强度随玻璃纤维掺量增大而增大，说明玻璃纤维可以提高泡沫混凝土的强度和塑性性能。

（5）综合考虑耐碱玻璃纤维对泡沫混凝土各项性能的影响，建议最优掺量为体积率1.2%。