纤维和外加剂对泡沫混凝土收缩性能的影响龚建清

周孜豪

摘   要：運用正交试验方法研究了水灰比、砂胶比、减水剂掺量对干密度为800 kg/m3的泡沫混凝土收缩性能的影响，得出了利于泡沫混凝土收缩性能的最优配合比. 基于该配合比，进一步研究了聚丙烯纤维、玻璃纤维、植物纤维、膨胀剂、减缩剂对泡沫混凝土收缩性能的影响，同时测试了其对流动性和抗压强度的影响，并利用雷达图分析了最佳外加组分，利用宏观孔结构和SEM电镜下的微观结构解释纤维和外加剂对其减缩的机理. 结果表明：综合考虑3 d自收缩和28 d干燥收缩率，最优配合比为水灰比0.5，砂胶比1.0，减水剂掺量0.5%. 纤维、膨胀剂、减缩剂均能有效降低泡沫混凝土的自收缩和干燥收缩，其抵抗收缩能力大小为：减缩剂>膨胀剂>纤维. 最佳外加组分为1%质量掺量的减缩剂，其能够在满足泡沫混凝土的流动度和抗压强度的前提下，降低泡沫混凝土37%的3 d自收缩和57.5%的56 d干燥收缩. 纤维的掺入引起部分泡沫的破碎，引起基体干燥收缩增大，但其对泡沫混凝土的物理约束作用使最终的干燥收缩降低. 膨胀剂和减缩剂减缩机理在于其自身的化学作用.

关键词：泡沫混凝土;纤维;膨胀剂;减缩剂;自收缩;干燥收缩

中图分类号：TU528                              文献标志码：A

Abstract： The effects of water cement ratio， sand binder ratio and dosage of water reducer content on the shrinkage of foamed concrete with dry density of 800 kg/m3 were studied by orthogonal test method to obtain the optimal mix proportion， which is beneficial to shrinkage performance of foamed concrete. According to this mix proportion， the effects of polypropylene fiber， glass fiber， plant fiber， expansive agent and shrinkage reducing admixtures on the shrinkage performance of foamed concrete were further studied. At the same time， the effects on the fludity and compressive strength were also examined. The best added component was analyzed by using the radar chart， and the mechanisms of the shrinkage reduction of fiber and admixture were explained by the macro pore structure and the microstructure under SEM electron microscope. The results show that，considering the 3 days autogenous shrinkage and 28 days drying shrinkage， the optimum mix proportion is 0.5 of water cement ratio， 1 of sand binder ratio， and 0.5% of the dosage of water reducer content. Fiber，expansive agent and shrinkage reducing admixtures can effectively reduce the autogenous shrinkage and drying shrinkage of foamed concrete， and the law of their shrinkage resistance is as follows：shrinkage reducing admixtures > expansive agent > fiber. The best addition component is 1% mass fraction of shrinkage reducing admixtures， which can reduce the 3 days autogenous shrinkage of the foamed concrete by 37% and the 56 days drying shrinkage by 57.5% on the premise of satisfying the fluidity and compressive strength of foamed concrete. Furthermore， the incorporation of fiber causes partial foam breakage， resulting in greater drying shrinkage of the matrix. However，its physical constraint on foamed concrete reduces the final drying shrinkage. The shrinkage mechanisms of expansive agent and shrinkage reducing admixtures lie in its own chemical action.

Key words： foamed concrete;fiber;expansive agent;shrinkage reducing admixtures;autogenous shrinkage;drying shrinkage

泡沫混凝土具有质轻、保温、隔热、绝缘性能好等优点，广泛应用于节能墙体材料、屋面保温层、补偿地基等领域[1]. 另一方面，泡沫混凝土存在工作性能较差[2]、收缩大[3]、力学性能差[4]等问题，相关研究表明泡沫混凝土的收缩比普通混凝土的收缩大10倍[5-6]，由此导致结构出现开裂、空鼓、渗漏等一系列问题[7]. 因此，研究泡沫混凝土的收缩性能，显得尤为重要.国内外学者对泡沫混凝土的收缩性能开展了一系列研究. Wan等人[8]认为泡沫混凝土的一维干燥收缩研究方法忽略了基质材料的不均匀收缩，采用三维全方位研究方法提出了泡沫混凝土干燥收缩的3个阶段，第一阶段散失大量水分但干燥收缩非常低，第二阶段散失水分很少但基体开始发生干燥收缩，第三阶段干燥收缩基本停止. 杨益民[9]研究发现常温下泡沫混凝土的干燥收缩发展平缓而稳定，高温作用下泡沫混凝土的干燥收缩在早期保持快速增长后趋于稳定. Nambiar等人[10]研究了密度、湿度、泡沫体积等泡沫混凝土的基本参数对干燥收缩性能的影响. 王建军等人[11]、张国永等人[12]研究发现降低水胶比和填充体积稳定的细骨料能减小泡沫混凝土的干燥收缩. 但大多数学者研究泡沫混凝土的收缩性能都是基于干燥收缩，对泡沫混凝土的自收缩研究鲜有报道.此外，学者们还研究了纤维、外加剂等组分对泡沫混凝土收缩性能的影响. 林兴胜[13]研究了加入聚丙烯纤维的泡沫混凝土，发现纤维起到抑制泡沫混凝土干燥收缩的作用，纤维的弹性模量与其分担的应力成正比关系. 詹炳根等[14]研究发现，掺入少量的抗碱玻璃纤维后，泡沫混凝土干燥收缩不断下降，但抑制效果主要集中在早期. Kudyakov等人[15-16]研究发现，0.1%～2%质量掺量的石棉纤维能降低42%～90%的收缩应变，在基体内均匀分布的石棉纤维为泡沫混凝土提供了大小均匀的封闭气孔结构. 张皓等人[17]研究发现，掺入减水剂可减少由于水分蒸发形成的毛细孔數量，能有效减小泡沫混凝土的干燥收缩. 谢明辉[18]通过掺入适量的粉煤灰取代部分水泥，设计低水胶比下大掺量粉煤灰混凝土，发现收缩变形减小. 李青等人[19]研究掺入羟丙基甲基纤维素醚至泡沫混凝土后，对浆体中的气孔起到良好的稳泡效果，提高了泡沫混凝土的收缩性能. 蒋俊等人[20]研究发现膨胀组分能降低泡沫混凝土的干燥收缩，但强度有所降低. 蒋俊等人[21]还结合压汞法、氮吸附法等测试手段，研究了减缩剂对A08级泡沫混凝土孔结构、干燥收缩和自收缩的影响. 但多数学者研究单因素组分对泡沫混凝土收缩性能的影响，鲜有研究多种组分对泡沫混凝土收缩性能影响的文献报道. 同时，多数学者定量分析外加组分对泡沫混凝土收缩性能的影响，少有学者结合宏观孔结构和微观结构对其减缩机理进行定性分析.本文首先通过正交试验得出有利于泡沫混凝土收缩性能的最优配合比，接着讨论聚丙烯纤维、玻璃纤维、植物纤维、膨胀剂、减缩剂5种常见的纤维和外加剂对泡沫混凝土的自收缩、干燥收缩的影响，然后通过雷达图得出最佳外加组分，最后从宏观孔结构和SEM电镜下的微观结构讨论纤维和外加剂对泡沫混凝土的减缩机理.

1   原材料及试验方法

1.1   原材料

本文采用P.O42.5 普通硅酸盐水泥. 细骨料为天然砂，细度模数为2.58，粒径0～5 mm连续级配，表观密度为2 660 kg/m3. 减水剂为白色粉末状聚羧酸高效减水剂. 采用3种常见的纤维：聚丙烯纤维、耐碱型玻璃纤维、植物纤维（剑麻纤维），其主要性能指标分别见表1. 膨胀剂为褐色粉末状U型膨胀剂，主要性能指标见表2. 减缩剂主要成分为聚烯基乙二醇，其性能指标见表3.

1.2   试验方案

1.2.1   正交试验设计

本文首先对干密度为800 kg/m3的泡沫混凝土的配合比进行正交试验，考察各因素对泡沫混凝土自收缩、干燥收缩、流动度、抗压强度的影响，然后以收缩性能为主通过极差分析确定最优配合比. 正交试验的因素和水平的选取见表4.

1.2.2   掺纤维和外加剂的泡沫混凝土试验方案

根据正交试验的最优配合比，讨论纤维和外加剂对泡沫混凝土收缩性能的影响，纤维和外加剂包括聚丙烯纤维、玻璃纤维、植物纤维、膨胀剂、减缩剂. 试验配合比见表5.

1.2.3   植物纤维表面处理

植物纤维采用剑麻纤维，由于剑麻纤维表面存在木质素、果胶、蜡质物等杂质，因此在掺入泡沫混凝土之前，需要进行表面处理去除杂质. 碱液处理是一种经典的表面处理方法，被广泛运用于剑麻纤维表面处理. 剑麻纤维浸泡在低浓度的碱溶液中时，木质素失去连接而脱离，果胶中的甲基脱离后溶解，其他杂质也逐渐脱离. 表面处理后的剑麻纤维光滑而具有弹性，不含其他杂质[22].

1.3   测试方法

1.3.1   自收缩

本试验采用非接触式探头与波纹管结合的方法. 波纹管的内、外径分别为20 mm和30 mm，长度为（340±5） mm. 每组试验采用两根波纹管试件，每个组别的自收缩值取两根波纹管试件自收缩值的算术平均值. 试验过程如下：首先把泡沫混凝土浆体装入波纹管并密封后，将波纹管试件的一端用弹簧固定在钢支架上，另一端可以在钢支架上自由移动，然后调整电涡流位移传感器的位置，对试件的自由端进行位移变化实时监测，用多通道数据采集仪对数据进行收录. 测试范围为0～4 mm，分辨率为0.5 μm，其精度为0.05%.

1.3.2   干燥收缩

泡沫混凝土干縮试验方法参照行业标准《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ/T70—2009）. 测量混凝土收缩变形的装置为SP-175型比长仪. 每个配合比成型三联40 mm×40 mm×160 mm的试件，试件两端预埋测头. 成型完毕后，立即带模放入标准养护室内养护. 1 d后拆模并继续在标准养护室内养护，2 d后转移至温度为（20±2 ）℃、相对湿度为60%±5%的恒温恒湿室中，并测定其初始长度L0. 此后，按规定时间间隔，测量其7 d、14 d、21 d、28 d、56 d的变形读数Lt. 每个时间节点的混凝土干燥收缩可按下式计算： ，式中Ld为两个收缩头进入试件中的长度之和.

1.3.3   流动度

本试验中泡沫混凝土流动度测试过程参照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（J1352—2012），规定干密度为800 kg/m3的泡沫混凝土的流动度应为（180±20） mm.

1.3.4   抗压强度

本试验中泡沫混凝土抗压强度测试过程参照《泡沫混凝土》（JG-T266—2011）和《蒸压加气混凝土性能试验方法》（GB/T 11969—2008），规定干密度为800 kg/m3的泡沫混凝土的28 d抗压强度应为1.6～3.0 MPa.

1.3.5   CT扫描

CT扫描技术是计算机断层扫描技术，利用X射线对40 mm×40 mm×40 mm的泡沫混凝土试件扫描多个断面，获得多个断面层的图像后，利用MagicEyeICT软件分析多个断面的孔隙率和孔径分布，从而得出泡沫混凝土的孔结构特征.

1.3.6   SEM扫描电镜

试样养护至规定龄期后将其破碎成1 cm3左右的小块，然后立即放入无水乙醇中终止水化7 d，之后放入（60±5） ℃的真空干燥箱中烘干至恒重. 将真空干燥的样品表面喷金使其导电，即可用FRI QuANTA 200型的环境扫描电子显微镜进行测试.

2   结果与分析

2.1   基准配合比最优设计

正交试验数据分析表见表6.

比较各R值大小，3 d自收缩率：水灰比>减水剂掺量>砂胶比，28 d干燥收缩率：砂胶比>减水剂掺量>水灰比，流动度：水灰比>砂胶比>减水剂掺量，28 d抗压强度：水灰比>砂胶比>减水剂掺量. 根据综合平衡法，在确定主次顺序时，对3 d自收缩率、28 d干燥收缩率、流动度、28 d抗压强度影响的大小顺序为：水灰比>砂胶比>减水剂掺量.

对于3 d自收缩应变值来说，极差越小越好，根据极差分析表：KA1>KA2>KA3>KA4，则 A 因素第四水平最佳，同理B因素以第四水平最佳，C因素以第四水平最佳，最优水平为A4B4C4. 对于28 d干燥收缩率，极差越小越好，最优水平为A1B4C4. 对于流动度来说，极差越大越好，则最优水平为A4B1C4. 对于28 d抗压强度，极差越大越好，最优水平为A2B3C4.

在A4B4C4、A1B4C4、A4B1C4、A2B3C4四个较优水平组合中，由于优先确定水灰比，结合3 d自收缩和28 d干燥收缩的水平趋势（即均值趋势），水灰比第二个因素最佳，因此优先确定水灰比为0.5. 那么水灰比为0.5的水平组合仅有A2B3C4，最终选择A2B3C4这个组合作为最优配合比. 综上所述，最优配合比见表8，其性能见表9.

2.2   纤维和外加剂对泡沫混凝土自收缩的影响

2.2.1   纤维对泡沫混凝土自收缩的影响

如图1所示，所有组别的自收缩都相对较低. 随着3种纤维掺量的增加，泡沫混凝土自收缩减小. 究其原因，一方面在于掺入纤维后，毛细孔孔隙的总体积增加，毛细孔的直径增大，数量增多，使得毛细孔压力减小，从而降低自收缩. 另一方面在于掺入纤维后，纤维单丝在泡沫混凝土内部形成乱向分布的三维体系，有助于提高泡沫混凝土的均匀性，降低自收缩[23]. 相对于未掺入纤维的泡沫混凝土基准组，掺入0.05%、0.10%、0.15%聚丙烯纤维的泡沫混凝土3 d自收缩值减小了8.2%、14.4%、21.8%;掺入0.05%、0.10%、0.15%玻璃纤维的泡沫混凝土3 d自收缩值减小了21.8%、30.6%、35.8%;掺入0.05%、0.10%、0.15%植物纤维的泡沫混凝土3 d自收缩值减小了16.6%、22.5%、27.5%. 3种纤维对泡沫混凝土的自收缩的抑制程度：玻璃纤维>植物纤维>聚丙烯纤维，原因在于3种纤维弹性模量的不同，玻璃纤维的弹性模量为65 GPa，植物纤维的弹性模量为18 GPa，聚丙烯纤维的弹性模量为8 GPa[24]，浆体发生自收缩，纤维受到挤压，弹性模量更大的纤维所能承担的应力就更大，抑制自收缩的能力就更强[25].

2.2.2   外加剂对泡沫混凝土自收缩的影响

从图2、图3可看出，随着膨胀剂和减缩剂掺量的增加，泡沫混凝土自收缩减小. 相对于未掺入外加剂的泡沫混凝土基准组，掺入1%、2%、3%膨胀剂的泡沫混凝土3 d自收缩值减小了36.9%、41.7%、51.3%;掺入1%、2%、3%减缩剂的泡沫混凝土3 d自收缩值减小了37.0%、51.7%、59.4%. 对于膨胀剂，如图2所示，在0～8 h稍微抑制了收缩;而在8～18 h这一段时间内，收缩曲线有一个膨胀的过程，这是由于U型膨胀剂主要成分是硫铝酸钙，生成的水化产物是钙矾石相，此过程中生成的钙矾石在泡沫混凝土中产生预压应力，可抵消泡沫混凝土在0～6 h自收缩产生的拉应力. 减缩剂对泡沫混凝土自收缩的降低作用，主要是因为减缩剂降低了泡沫混凝土内部孔溶液的表面张力，从而使毛细管失水，造成附加压力减小，也就降低了毛细孔在失水过程中产生的收缩应力. 同等掺量下，减缩剂抑制泡沫混凝土自收缩的能力优于膨胀剂.

2.3   纤维和外加剂对泡沫混凝土干燥收縮的影响

2.3.1   纤维对泡沫混凝土干燥收缩的影响

从图4可看出，随着纤维掺量的增加，56 d干燥收缩值逐渐减小. 原因是纤维无序分布在泡沫混凝土结构中，水泥水化产物附着在纤维表面上，由于水泥水化产物呈碱性，腐蚀纤维表面，这使得纤维与硬化浆体的过渡区得到有效的加强，纤维更好地与硬化浆体黏结，有效地抑制泡沫混凝土的干燥收缩. 相对于未掺入纤维的泡沫混凝土基准组，掺入0.05%、0.10%、0.15%聚丙烯纤维的泡沫混凝土56 d干燥收缩值减小了18.9%、35.6%、45.2%;掺入0.05%、0.10%、0.15%玻璃纤维的泡沫混凝土56 d干燥收缩值减小了38.2%、43.9%、53.5%;掺入0.05%、0.10%、0.15%植物纤维的泡沫混凝土56 d干燥收缩值减小了35.5%、43.9%、48.0%. 3种纤维对泡沫混凝土干燥收缩的抑制程度：玻璃纤维>植物纤维>聚丙烯纤维. 原因在于弹性模量越大的纤维能承担更大的干燥收缩应力.

2.3.2   外加剂对泡沫混凝土干燥收缩的影响

从图5、图6可看出，随着膨胀剂、减缩剂掺量的增加，56 d干燥收缩值逐渐减小. 这是由于膨胀剂生成钙矾石相水化产物的过程中产生预压应力，抵消了部分因水分蒸发引起的毛细孔张力，其机理与自收缩相同;而减缩剂除了降低孔溶液的表面张力外，还具有一定的保水作用，降低水分蒸发速率，更进一步地降低干燥收缩. 相对于未掺入外加剂的泡沫混凝土基准组，掺入1%、2%、3%膨胀剂的泡沫混凝土56 d干燥收缩值减小了46.5%、74.3%、79.5%;掺入1%、2%、3%减缩剂的泡沫混凝土56 d干燥收缩值减小了57.5%、74.3%、81.1%. 可以看出，减缩剂抑制泡沫混凝土干燥收缩的能力优于膨胀剂. 但值得注意的是，该试验中采用的膨胀剂掺量与传统相比较低，但降低干缩的效果又很显著，这有可能是膨胀剂在高水灰比条件下水化生成更多的钙矾石晶体，使水泥石结构形成致密的骨架，补偿了干燥收缩[26].

2.4   雷达图分析最佳外加组分

根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（J1352—2012）和《泡沫混凝土》（JG-T266—2011），800 kg/m3的泡沫混凝土流动度应为（180±20）  mm，抗压强度应为1.6～3.0 MPa. 因此，根据表7各组试件的流动度和28 d抗压强度，0.10%、0.15%体积掺量的玻璃纤维组与2%、3%质量掺量的膨胀剂组以及2%、3%质量掺量的减缩剂组都不满足流动度要求，3%质量掺量的减缩剂组不满足强度要求. 因此，将分别掺有0.05%体积掺量的聚丙烯纤维组、玻璃纤维组、植物纤维组和1%质量掺量的膨胀剂组、减缩剂组作为对比，考察3 d自收缩、56 d干燥收缩、流动度、28 d抗压强度4个指标，以雷达图的形式分析最佳外加组分[27].

图7用雷达图的形式分析泡沫混凝土的最佳外加组分.雷达图由一系列等角的辐条组成，每个辐条代表一个变量，每个辐条的长度代表影响泡沫混凝土各个性能的程度，数据点将每个辐条依次连接，形成一个封闭的区域. 对于各种纤维和外加剂，形成较大的面积表示整体性能最佳[28]. 因此，1%质量掺量的减缩剂是最佳外加组分.

2.5   纤维和外加剂减缩机理不管是基准组还是掺纤维和外加剂的泡沫混凝土，其自收缩都处于较低水平. 原因一方面在于试件水灰比的选择较大，导致自收缩处于较低水平[29];另一方面在于试件在自收缩的测试装置内处于密封绝湿环境，弱化了减水剂在干燥条件下的增缩效应，即在密封养护条件下，隔绝了试件与外界的湿度交换，减水剂的掺加并不会导致试件自收缩增大[30]. 相对于泡沫混凝土的干燥收缩，其自收缩基本可以忽略. 故对于纤维和外加剂的减缩机理，主要考虑干燥收缩.

图8至图10为掺纤维的泡沫混凝土干燥收缩56 d后的SEM照片. 从图8（a）、图9（a）、图10（a）可看出，玻璃纤维与硬化浆体黏结良好，而聚丙烯纤维和植物纤维的弹性模量远低于玻璃纤维的弹性模量，无法承受水泥基体干燥收缩引起的拉应力，从水泥基体中剥离. 这很好地解释了2.3.1节所述弹性模量越大的纤维能承担更大的干燥收缩应力的结论.

表10和图11为掺各种外加组分的泡沫混凝土的孔隙率和孔径分布. 相对于基准组，掺入纤维使泡沫混凝土的孔隙率略为降低，而且孔径在0～0.45 mm范围内的孔的个数减少，孔径在0.45～2 mm范围内的孔的个数增多，孔径在2～3 mm范围内的孔的个数变化不大. 这有可能是掺入纤维成型搅拌时，水泥浆体包裹着纤维搅拌，导致部分泡沫合并成孔径大的泡沫;同时导致部分泡沫破裂，水泥浆体占据破裂泡沫的位置，使孔隙率降低. 而泡沫混凝土的干燥收缩一方面取决于基体的体积大小，另一方面在于水分的散失量. 掺入纤维后，泡沫混凝土孔隙率降低，基体体积增大，整体的干燥收缩增大;而孔径在0～0.45 mm范围内的孔的个数减少，孔径在0.45～2 mm范围内的孔的个数增多，自由水更容易散失，会引起更大的干燥收缩，但由于纤维的物理约束作用，使最终的干燥收缩降低. 相对于基准组，掺入膨胀剂和减缩剂使泡沫混凝土孔隙率略为增加，孔径分布变化不大，因此气孔结构对干燥收缩的影响不大，其本身的化学作用使最终的干燥收缩降低.

3   结   论

1）以800 kg/m3泡沫混凝土为例，采用正交试验方法，综合考虑3 d自收缩和28 d干燥收缩率，本试验最优的基准配合比为：水灰比为0.5，砂胶比为1.0，减水剂掺量为0.5%.

2）基于基准配合比，在泡沫混凝土中掺入纤维、膨胀剂、减缩剂均能有效降低泡沫混凝土的自收缩和干燥收缩，随着掺量增加收缩显著降低，其抵抗收缩能力大小为：减缩剂>膨胀剂>纤维. 在纤维体积掺量一样的情况下，抵抗收缩能力大小为：玻璃纤维>植物纤维>聚丙烯纤维.

3）根据相关规范，0.05%体积掺量的3种纤维和1%质量掺量的膨脹剂、减缩剂符合干密度为800 kg/m3的泡沫混凝土的流动度和抗压强度要求. 通过雷达图综合分析，泡沫混凝土的最佳外加组分为1%质量掺量的减缩剂.

4）纤维的掺入引起部分泡沫的破碎，一方面使泡沫混凝土的孔隙率降低，基体体积增大，整体干燥收缩增大，另一方面使孔径在0～0.45 mm范围内的孔的个数减少，孔径在0.45～2 mm范围内的孔的个数增多，自由水更容易散失，引起干燥收缩进一步增大，但由于纤维的约束作用使最终的干燥收缩降低，减缩机理在于其自身的物理作用. 膨胀剂和减缩剂的掺入对泡沫混凝土孔隙率与孔径分布影响甚微，减缩机理在于其自身的化学作用.

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收稿日期：2018-05-12

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51278180），National Natural Science Foundation of China（51278180）

作者简介：龚建清（1963—），男，湖南湘乡人，湖南大学副教授，博士

通讯联系人，E-mail：gongjianqing@hnu.edu.cn