三维间隔连体玻璃纤维织物增强泡沫混凝土的研究

张朋，朱雪峰，李清海，李东旭

（1.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009；

2.中国建筑材料科学研究总院，北京100024）

三维间隔连体玻璃纤维织物增强泡沫混凝土的研究

张朋1，朱雪峰1，李清海2，李东旭1

（1.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009；

2.中国建筑材料科学研究总院，北京100024）

研究了三维间隔连体玻璃纤维织物增强泡沫混凝土的弯曲强度、拉拔强度以及导热系数。结果表明：三维间隔连体玻璃纤维织物可以使泡沫混凝土的弯曲强度达到3.11 MPa，比空白对照组提高了12倍；拉拔强度达到0.185 MPa，比空白对照组提高了7倍；导热系数为0.138 W/（m·K），仍具有很好的保温隔热性能。并对三维间隔连体玻璃纤维织物增强泡沫混凝土力学性能及导热性能变化机理进行了研究。

泡沫混凝土；三维间隔连体玻璃纤维织物；弯曲强度；拉拔强度；导热系数

泡沫混凝土具有价廉、保温性能好和防火等级高等优点，但其脆性大、拉拔强度和弯曲强度低。随着泡沫混凝土应用的发展，在一些预制屋面保温板的应用中提出了提高抗弯强度和拉拔强度的硬性要求。本文通过三维间隔连体玻璃纤维织物（以下简称3D织物，见图1）来改善泡沫混凝土相应的力学性能。3D织物是一种上下面层均由经纱（X向）、纬纱（Y向）“十字”交叉编织而成，上下面层之间用芯柱纱线（Z向）进行编织连接的轻质夹层结构复合材料[1]。3D织物具有整体性、轻质、可设计性等特点[2]。

图13 D织物实物

关于3D织物增强泡沫材料的研究，现有文献中以3D织物增强有机泡沫保温材料[3-6]居多，如聚氨酯泡沫、酚醛泡沫本文研究的3D织物增强泡沫混凝土用于屋面保温板中。

1 试验

1.1 原材料

水泥：42.5级快硬硫铝酸盐水泥，邢台产，化学成分见表1，主要性能指标见表2；粉煤灰：Ⅱ级，比表面积470 m2/kg；减水剂：CBMA萘系高效减水剂，减水率为18%；3D织物：用ZrO2含量为16.7%耐碱玻璃纤维纱编织而成，常州伯龙三维复合材料有限公司生产，主要性能指标见表3；环氧树脂：南通星辰合成材料有限公司生产；固化剂：天津市津宁三和化学有限公司生产；双氧水：50%浓度，市售；水：自来水；添加剂：主要成分为偏铝酸钠和氧化钙等，中国建筑材料科学研究总院生产。

表1 快硬硫铝酸盐水泥的化学成分%

表2 快硬硫铝酸盐水泥的主要性能指标

表3 3D织物的主要性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 试件制备

将3D织物放入模具M1（600 mm×400 mm×30 mm）中并固定，另一个相同模具M2中不放3D织物，按表4配合比称料。干料倒入搅拌桶后加水并搅拌，自加入水时开始计时，先慢速搅拌12 s左右，再快速搅拌至3 min，倒入双氧水溶液（倒入过程中一直搅拌），再搅拌8 s，立即将搅拌好的浆体倒入模具M1、M2中，静停发泡。4 h后脱模，在实验室自然养护至3 d，将制得的保温板切割成试验所需的抗弯试验试块（400 mm×100 mm×30 mm）、拉拔试验试块（100 mm×100 mm×30 mm）、导热试验试块（300 mm×300 mm×30 mm）后进行相关性能测试。

表4 3D织物增强泡沫混凝土配合比

1.2.2 四点弯曲测试

参考GB/T11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行，跨距为300 mm，加载速度为5 mm/min。相关计算公式如

式（1）、式（2）所示。

式中：σLop——抗弯比例极限强度（即抗弯强度），MPa；

E——抗弯弹性模量，MPa；

P1——抗弯比例极限载荷，N；

L——跨距，mm；

b——试件宽度，mm；

δ——跨中挠度，mm；

h——试件厚度，mm。

1.2.3 拉拔强度测试

按照JG 149—2003《膨胀聚苯板抹灰外墙保温系统》附录D进行，每组5个试件，试件用环氧树脂和固化剂按1∶0.2质量比配制的胶粘剂与拉拔头粘结，以（5±1）mm/min的速度拉拔。记录最大拉拔力F，拉拔强度σmt=F/A，A为试件粘结面积。

1.2.4 导热系数测试

按照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行，试件在（65±2）℃烘干至恒重，升温与降温速率控制在10℃/h以内。导热系数测定仪冷板温度设定为15℃，热板温度为35℃，预热时间30 min，测试并记录试验结果。

2 试验结果与分析

有3D织物增强的和无织物增强的空白对照组泡沫混凝土性能测试结果见表5。

表5 泡沫混凝土的性能测试结果

2.1 抗弯强度分析

由表5可见，有3D织物增强的A1组泡沫混凝土试件抗弯强度σLop达到3.11 MPa，相比于空白对照组A2提高了近12倍；抗弯弹性模量E达到78.9 MPa，相比于A2组提高了16.7倍。A1组试件抗弯试验破坏情况见图2。

由图2可以看出，A1组试件在四点弯曲试验中经受最大弯曲荷载后依然能保持很好的形态，而无3D织物增强的泡沫混凝土试件则完全折断。可见3D织物可以有效改善泡沫混凝土的抗弯性能。

图2 A1组试件抗弯试验破坏情况

A1组、A2组试件弯曲荷载随挠度的变化曲线见图3。

图3 弯曲荷载随挠度的变化曲线

由图3可以看出，在挠度-弯曲荷载曲线的前期，都会出现一段近似的斜线。这一阶段，由于有3D织物增强的A1组泡沫混凝土试件下表面经纱承受了部分弯曲荷载以及3D织物和泡沫混凝土协同受弯，也就是说这一段曲线对应的弯曲试验过程中A1组试件3D织物和泡沫混凝土同时在承受弯曲荷载，而A2组试件只有泡沫混凝土承受弯曲荷载，使得A1组试件承受的最大弯曲荷载远大于A2组试件，计算得到的抗弯弹性模量也远大于A2组试件。

图3（a）中，随着弯曲试验进行，弯曲荷载变大。当弯曲荷载变大到一定值时，即达到抗弯比例极限荷载P1时，弯曲荷载随之降低，曲线呈现非线性变化。这时，如果没有3D织物增强，试件将完全断裂脱离压头，四点弯曲试验应当到此结束。但是3D织物在经受抗弯比例极限荷载时并未断裂，由于3D织物的断裂伸长率远大于泡沫混凝土，所以A1组试件在经历抗弯比例极限荷载以后，其下表面经纱依然在承受弯曲荷载。并且由于3D织物的拉伸断裂强度较高，故经过一段的下降趋势后，弯曲荷载又逐渐上升，并最终维持在较高值。

A1组试件在整个弯曲试验过程中，上表面的泡沫混凝土受到挤压，下表面的3D织物经纱一直受到拉伸。由于3D织物经纱、纬纱和芯柱相互交织网络整个试件，使得下表面受到的弯曲荷载通过纱线传递、分散，并传递到泡沫混凝土内部最终，A1组试件整体协同承受弯曲荷载和经纱的拉伸阻止作用使得泡沫混凝土的断裂大大延迟。由于3D织物本身具有较高的抗拉强度，从而使得最终3D织物在泡沫混凝土板断裂后仍能承受一定时间的较高弯曲荷载。

在本次四点弯曲试验后期A1组试件严重变形，虽然能维持弯曲荷载在较高值，但基层已经严重破坏，失去了使用价值。

2.2 拉拔强度分析

由表5可见，有3D织物增强的A1组泡沫混凝土试件拉拔强度为0.185 MPa，相比于没有织物增强的空白对照组A2提高了7倍。原因有以下2点：

（1）在拉拔试验中，A1组试件的3D织物和泡沫混凝土同时通过环氧树脂与拉拔头粘结，A2组试件仅泡沫混凝土与拉拔头粘结。并且，3D织物与拉拔头的粘结相较于泡沫混凝土与拉拔头的粘结更加牢固，故A1组试件的拉拔强度会更高。

（2）30 mm厚度的A1组试件中3D织物芯柱非直线型而是呈“Ω”型，也就是说在芯柱受拉过程中，需要先“伸直”才能承受最大的拉拔力。芯柱在“伸直”过程中需要克服泡沫混凝土对其的束缚，这个过程泡沫混凝土和芯柱同时受到拉拔极大提高了A1组试件的拉拔强度。

3D织物增强后的泡沫混凝土A1试件的拉拔强度相较于A2组得到了很大提高，这为泡沫混凝土作为预制保温板的设计提供了新思路：3D织物可以使得屋面保温板上下面板通过芯柱连接，通过控制芯柱的粗细，以适应上下面板互相牵制所需的拉拔力。

2.3 导热系数分析

由表5可见，有3D织物增强的A1组泡沫混凝土试件干密度为406.2kg/m3，导热系数为0.138W（/m·K）。没有3D织物增强的A2组试件干密度为335 kg/m3，导热系数为0.083 W/ （m·K）。A1组试件干密度相较于A2组增大了21.3%，这是由于3D织物占据了原本属于泡沫混凝土的空间，并且3D织物的干密度比泡沫混凝土大；另外，3D织物“阻隔”发泡过程导致“破泡”，也增大了A1组试件的干密度。A1组试件导热系数较A2组增大了66.3%，说明3D织物的复合导致泡沫混凝土隔热性能下降，原因有2点：（1）在泡沫混凝土发泡过程中，3D织物掺加导致密度上升，同时气孔率下降；（2）玻璃的导热系数[7]为1.09 W/（m·K），也就是说玻璃纤维编织的3D织物导热系数远大于空气和泡沫混凝土，并且3D织物芯柱是连通了上下面板，这也会形成一定意义上的“热桥”，促进了上下面板的热量传导，从而使保温板的隔热性能下降。

干密度为406.2 kg/m3的3D织物增强泡沫混凝土试件，导热系数为0.138 W/（m·K），仍然具有很好的保温隔热性能。

3 结论

（1）3D织物增强泡沫混凝土试件的弯曲强度达到3.11 MPa，比空白对照组提高了12倍。这是由于试件下表面3D织物中的经纱承受了部分弯曲荷载，同时经纱、纬纱和芯柱与泡沫混凝土协同受弯、整体增强所致。

（2）3D织物增强泡沫混凝土试件拉拔强度达到0.185 MPa，比空白对照组提高了7倍。这是因为3D织物与拉拔头的粘结相较于泡沫混凝土与拉拔头的粘结更牢固，同时3D织物芯柱的拉拔强度高。

（3）3D织物增强泡沫混凝土试件干密度为406.2 kg/m3，导热系数为0.138 W/（m·K）。干密度较空白对照组增大了21.3%，这是由于3D织物占据了原本属于泡沫混凝土的空间，同时3D织物“阻隔”发泡过程，导致“破泡”，也增大了试件的密度。隔热性能较空白对照组降低了67%，这是由于3D织物增强泡沫混凝土干密度增大，以及上下板连通的3D织物芯柱形成的“热桥”效应所致。但3D织物增强泡沫混凝土保温板仍然具有良好的保温隔热性能。

[1]苏丹，李敏，王绍凯，等.3D织物复合材料工艺相关结构因素及其控制[C]//中国航空学会材料工程分会.中国航空学会2007年学术年会，深圳，2007：1-6.

[2]高爱君，李敏，王绍凯，等.3D织物复合材料力学性能[J].复合材料学报，2008，25（2）：87-93.

[3]王志才，潘晓行，缪长礼，等.3D织物酚醛泡沫复合材料性能研究[J].工程塑料应用，2012，40（11）：23-26.

[4]庄桂增，孙志杰，王绍凯，等.三维间隔连体织物泡沫夹层结构复合材料的基本力学特性[J].复合材料学报，2009，26（5）：27-32.

[5]Judawisastra H，Ivens J，Verpoest I.The fatigue behavior and damage development of 3D woven sandwich composites[J].Composite Structures，1998，43（1）：35-45.

[6]Bannister M K，Braemar R，Crothers P J.The mechanical performance of 3D woven sandwich composites[J].Composite Structures，1999，47（1/4）：687-690.

[7]葛新石，叶宏.传热和传质基本原理[M].北京：化学工业出版社，2007：36-37.

Study on foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric

ZHANG Peng1，ZHU Xuefeng1，LI Qinghai2，LI Dongxu1
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China；
2.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

Bending strength，tensile strength and thermal conductivity of foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric were studied.The experimental results show that 3D glass fiber spacer fabric can significantly increase the bending strength of foam concrete to 3.11 MPa，increased 12 times.Tensile strength reached to 0.185 MPa，increased 7 times.Thermal conductivity is 0.138 W/（m·K），which still has very good thermal insulation property.The mechanical properties of foam concrete reinforced by 3D glass fiber spacer fabric and the change mechanisms of foam concrete thermal conductivity were also studied.

foam concrete，3D glass fiber spacer fabric，bending strength，tensile strength，thermal conductivity

TU528.2

A

1001-702X（2016）09-0091-04

国家科技支撑计划项目（2014BAL03B04）

2016-02-29

张朋，男，1989年生，河南沈丘人，硕士，主要研究方向为建筑保温材料。