聚丙烯纤维掺量对碱矿渣泡沫混凝土砌块性能影响的研究

江旋，季韬，徐维，梁咏宁

（福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108）

0 引言

碱矿渣水泥能充分合理地利用工业矿渣，达到变废为宝的目的；将其推广应用，既有助于节能环保，又符合可持续发展的战略[1-2]。与普通硅酸盐水泥混凝土相比，碱矿渣水泥混凝土有很多优点，如抗压强度高、快硬早强、耐久性好等[3-4]。采用普通硅酸盐水泥制备泡沫混凝土砌块，存在硬化慢、强度低等缺点，碱矿渣水泥可以克服这些缺点，更适用于制备泡沫混凝土砌块[5]。

目前，针对碱激发水泥泡沫混凝土的研究还较少。Lidija和Vilma[6]使用过硼酸钠作为发泡剂，十二烷基硫酸钠作为稳定剂，粉煤灰作为胶凝材料制备碱激发水泥泡沫混凝土，这大幅度提高了泡沫混凝土的抗压强度，但与传统的泡沫混凝土相比，碱激发水泥泡沫混凝土的收缩较大。目前有大量研究表明[7-13]，聚丙烯纤维（PP 纤维）可以均匀地分布在泡沫混凝土中形成网状结构，将其作为增强材料应用于泡沫混凝土中可以有效改善泡沫混凝土的收缩和抗裂性能、孔结构和力学性能。但目前PP 纤维对碱矿渣泡沫混凝土砌块（AFC）的抗压强度、干密度、吸水率、干燥收缩、裂纹长度率和孔结构等性能的影响研究较少。碱矿渣水泥的收缩大于普通硅酸盐水泥，掺入PP 纤维预期会有更好的效果。本文选择水玻璃作为激发剂，以铝粉作为发泡剂，研究PP 纤维掺量对AFC 性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料

（1）矿渣：泰宇混凝土厂提供，碱度系数1.10，活度系数0.20，其主要化学成分如表1所示。

表1 矿渣的主要化学组成 %

（2）氢氧化钠：天津市恒兴化学试剂制造有限公司生产，颗粒状，纯度大于96.0%。

（3）粉煤灰：福州双腾建材有限公司提供，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求。

（4）水玻璃：品杰仪器有限责任公司提供，Na2SiO3固体含量为36.0%，水玻璃模数为3.2，采用氢氧化钠将水玻璃模数调整为1.5。

（5）镁粉：辽宁海城市群利矿业有限公司经过一次煅烧生产，平均粒径为33.292 μm，表观密度为3503 kg/m3，主要组成见表2。

表2 镁粉的化学组成 %

（6）水：自来水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》要求。

（7）发泡剂：从江苏淮安采购，为水剂型铝粉膏，基本性能符合JC/T 407—2008《加气混凝土用铝粉膏》要求。

（8）聚丙烯（PP）纤维：河北廊坊市昊轩建材厂生产，主要指标见表3。

表3 PP 纤维主要指标

1.2 配合比

已有的碱矿渣泡沫混凝土配合比为矿渣1736.01 g，粉煤灰193.10 g，氧化镁80.37 g，水玻璃（固体成分）284.20 g，铝粉3 g，水333.90 g，编为空白组。分别按照激发剂、矿渣、粉煤灰、氧化镁和水的总质量的百分比外掺0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的聚丙烯纤维，分别编为PPS1～5 组，研究PP 纤维的掺量对AFC 性能的影响。

1.3 试件成型工艺

1.3.1 搅拌工艺

按1.2 中的配合比称量矿渣、粉煤灰、氧化镁和PP 纤维，将其倒入净浆搅拌机中干拌3 min，加入水玻璃激发剂迅速搅拌，先低速搅拌1 min，再高速搅拌1 min，然后倒入铝粉高速搅拌30 s，将搅拌均匀的浆体倒至100 mm×100 mm×100 mm的塑料模具高度的1/2，然后静停发气。

1.3.2 养护工艺

试块在标准养护条件下[养护温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%]带模养护1 d 后拆模，并继续在养护间养护至规定龄期。

1.4 性能测试方法

（1）抗压强度、干密度和吸水率：试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，测试龄期为28 d，试件数3 个，参照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》进行测试。

（2）干燥收缩：试件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，测试龄期为28 d，试件数3 个，参照JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试。

（3）裂纹长度率：利用Stemi508 型扫描电子显微镜拍摄泡沫混凝土侧面照片，使用放大40 倍的刻度放大镜测量裂纹长度。利用体视显微镜随机拍摄的4 张照片，测量其裂纹长度，取其平均值，计算裂纹长度率。裂纹长度率为裂纹长度除以选取照片的面积（50 mm×50 mm），测试龄期为28 d，试件数为3 个。

（4）孔结构试验：利用Stemi508 型扫描电子显微镜拍摄泡沫混凝土断面照片，然后应用计算机图像处理软件Image Pro Plus 对照片进行处理，得到其孔圆度值、孔隙率、孔径分布、平均孔径[14]。

2 试验结果

2.1 PP 纤维掺量对AFC 抗压强度和干、湿密度的影响（见图1）

图1 PP 纤维掺量对AFC 28 d 抗压强度和干、湿密度的影响

由图1 可知，随着PP 纤维掺量的增加，AFC 的抗压强度和干、湿密度下降。纤维掺量从0 增加到0.6%时，AFC 的抗压强度从3.96 MPa 下降至3.41 MPa，下降了13.9%；湿密度从648 kg/m3下降至612 kg/m3，下降了5.6%；干密度从575 kg/m3下降至540 kg/m3，下降了6.1%。当PP 纤维掺量为0.6%时，AFC 抗压强度、湿密度和干密度达到最低值，分别为3.41 MPa、612 kg/m3和540 kg/m3，但最低强度仍能符合JG/T 266—2011 中C3 等级的要求。

2.2 PP 纤维掺量对AFC 吸水率的影响（见表4）

表4 PP 纤维掺量对AFC 吸水率的影响

由表4 可知，随着PP 纤维掺量的增加，AFC 吸水率呈上升趋势。掺量为0.6%时，其吸水率最大，相较于未掺PP 纤维的AFC，其吸水率上升了18.9%；当掺量在0.4%～0.6%时，AFC 吸水率上升速度加快。将PP 纤维掺入AFC 中，PP 纤维会穿插分布在AFC 浆体中，使内部连通孔和贯穿孔的数量增多，AFC 吸水率也增大。

2.3 PP 纤维掺量对AFC 干燥收缩的影响（见图2）

图2 PP 纤维掺量对AFC 干燥收缩的影响

由图2 可知，随着PP 纤维掺量的增加，干燥收缩在每个龄期均下降。当PP 纤维掺量为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%时，相较于未掺纤维的AFC3 d 干燥收缩分别降低了10.13%、15.27%、18.34%、20.93%和22.48%，56 d 干燥收缩分别降低了4.88%、7.01%、9.95%、10.82%和12.29%。

由于PP 纤维的直径较小，可以均匀地分布在AFC 浆体内部；当浆体发气后，纤维在AFC 内部形成了乱向支撑；当AFC 浆体干燥收缩产生应力时，PP 纤维就会承受拉应力，消耗部分内应力，使得AFC 干燥收缩减小。

2.4 PP 纤维掺量对AFC 裂纹长度率的影响（见表5）

表5 PP 纤维掺量对AFC 裂纹长度率的影响

如表5所示，随着6 mm 纤维掺量的增加，裂纹长度率呈大幅度下降趋势。掺入0.6%PP 纤维时，AFC 裂纹长度率最低；相较于未掺纤维的AFC，其裂纹长度率下降了97.4%。细长的纤维横跨AFC 微裂缝，抵消掉因收缩而产生的拉应力，限制裂纹的发展。当PP 纤维掺量在0～0.3%时，裂纹长度率减少最明显。这是因为当PP 纤维的掺量较多时，纤维在AFC 内部容易分布不均匀，导致其对裂纹发展的限制作用没有小掺量的好。因此，当纤维掺量在0.3%～0.6%时，裂纹长度率下降的趋势没有掺量在0～0.3%时的明显。

2.5 PP 纤维掺量对孔结构的影响（见表6）

表6 纤维掺量对碱矿渣泡沫混凝土平均孔径和孔隙率的影响

由表6 可以看出，随着PP 纤维掺量的增多，AFC 的平均孔径呈减小的趋势，孔隙率呈增大的趋势。当纤维掺量为0.6%时，相较于未掺纤维的AFC，其平均孔径减少了24.8%，孔隙率增大了13.6%。孔隙率的增大导致了AFC 干密度、湿密度和抗压强度的下降。不同PP 纤维掺量AFC 的孔径与孔圆度值分布见图3。

由图3 可以看出，随着PP 纤维掺量的增加，AFC 大孔减少，小孔的比例增多，AFC 孔的圆度值逐渐得到改善。圆度值用来描述孔形貌特征，孔越圆，则圆度值越接近1，孔形貌特征越好。从图3（b）可以看出，在未掺PP 纤维的空白组中，AFC 孔圆度值在1.0～1.8 之间的数量占52.9%，而圆度值超过1.8 的占47.1%。随着PP 纤维掺量的增多，圆度值大于1.8 的孔有一定程度的减少，孔的形貌特征得到改善。虽然孔的形貌特征得到一定程度的改善，但是由于影响抗压强度的主导因素是孔隙率，所以抗压强度还是会随着孔隙率的增加而下降。

图3 PP 纤维掺量对AFC 孔结构的影响

2.6 SEM 分析

不同掺量PP 纤维碱矿渣泡沫混凝土砌块的气孔结构见图4。

图4 不同PP 纤维掺量AFC 的气孔结构

由图4 可知，未掺PP 纤维的AFC 存在一些微小的孔洞和微裂纹。随着PP 纤维掺量的增加，微裂纹逐渐减少，当掺入0.4%和0.6%的PP 纤维后，碱矿渣泡沫混凝土的内部几乎看不到微裂纹的存在。PP 纤维可以抵抗碱矿渣泡沫混凝土裂纹的扩展，减小裂纹长度率。相较于未掺纤维的空白组，掺入PP 纤维AFC 的连通孔和贯穿孔数量增多，使掺入PP 纤维的AFC 吸水率增加。不同PP 纤维掺量AFC 中纤维与硬化浆体的交接面见图5。

图5 不同PP 纤维掺量AFC 中纤维与硬化浆体的交接面

由图5 可以看出，硬化浆体对PP 纤维的包裹性也较好，在纤维与浆体接触面几乎看不到微裂纹的存在，纤维与硬化浆体粘结效果较好，所以当PP 纤维承受拉应力的同时，PP 纤维不易松动，这证明了掺入PP 纤维可以减小干燥收缩和裂纹长度率。

3 结论

（1）随着PP 纤维掺量增加（0～0.6%），碱矿渣泡沫混凝土砌块（AFC）孔径大小分布、孔圆度值得到了改善，但由于孔隙率的增加是主导因素，AFC 吸水率上升，其抗压强度和干、湿密度减小。

（2）随着PP 纤维掺量的增加，硬化浆体对PP 纤维的包裹性也较好，在纤维与浆体接触面几乎看不到微裂纹的存在，由于PP 纤维与硬化浆体粘结效果较好，AFC 干燥收缩和裂纹长度率均下降。