周孜豪

摘? ?要：運(yùn)用正交試驗(yàn)方法研究了水灰比、砂膠比、減水劑摻量對(duì)干密度為800 kg/m3的泡沫混凝土收縮性能的影響，得出了利于泡沫混凝土收縮性能的最優(yōu)配合比. 基于該配合比，進(jìn)一步研究了聚丙烯纖維、玻璃纖維、植物纖維、膨脹劑、減縮劑對(duì)泡沫混凝土收縮性能的影響，同時(shí)測(cè)試了其對(duì)流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的影響，并利用雷達(dá)圖分析了最佳外加組分，利用宏觀孔結(jié)構(gòu)和SEM電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)解釋纖維和外加劑對(duì)其減縮的機(jī)理. 結(jié)果表明：綜合考慮3 d自收縮和28 d干燥收縮率，最優(yōu)配合比為水灰比0.5，砂膠比1.0，減水劑摻量0.5%. 纖維、膨脹劑、減縮劑均能有效降低泡沫混凝土的自收縮和干燥收縮，其抵抗收縮能力大小為：減縮劑>膨脹劑>纖維. 最佳外加組分為1%質(zhì)量摻量的減縮劑，其能夠在滿足泡沫混凝土的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度的前提下，降低泡沫混凝土37%的3 d自收縮和57.5%的56 d干燥收縮. 纖維的摻入引起部分泡沫的破碎，引起基體干燥收縮增大，但其對(duì)泡沫混凝土的物理約束作用使最終的干燥收縮降低. 膨脹劑和減縮劑減縮機(jī)理在于其自身的化學(xué)作用.

關(guān)鍵詞：泡沫混凝土;纖維;膨脹劑;減縮劑;自收縮;干燥收縮

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

泡沫混凝土具有質(zhì)輕、保溫、隔熱、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于節(jié)能墻體材料、屋面保溫層、補(bǔ)償?shù)鼗阮I(lǐng)域[1]. 另一方面，泡沫混凝土存在工作性能較差[2]、收縮大[3]、力學(xué)性能差[4]等問題，相關(guān)研究表明泡沫混凝土的收縮比普通混凝土的收縮大10倍[5-6]，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、空鼓、滲漏等一系列問題[7]. 因此，研究泡沫混凝土的收縮性能，顯得尤為重要.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泡沫混凝土的收縮性能開展了一系列研究. Wan等人[8]認(rèn)為泡沫混凝土的一維干燥收縮研究方法忽略了基質(zhì)材料的不均勻收縮，采用三維全方位研究方法提出了泡沫混凝土干燥收縮的3個(gè)階段，第一階段散失大量水分但干燥收縮非常低，第二階段散失水分很少但基體開始發(fā)生干燥收縮，第三階段干燥收縮基本停止. 楊益民[9]研究發(fā)現(xiàn)常溫下泡沫混凝土的干燥收縮發(fā)展平緩而穩(wěn)定，高溫作用下泡沫混凝土的干燥收縮在早期保持快速增長后趨于穩(wěn)定. Nambiar等人[10]研究了密度、濕度、泡沫體積等泡沫混凝土的基本參數(shù)對(duì)干燥收縮性能的影響. 王建軍等人[11]、張國永等人[12]研究發(fā)現(xiàn)降低水膠比和填充體積穩(wěn)定的細(xì)骨料能減小泡沫混凝土的干燥收縮. 但大多數(shù)學(xué)者研究泡沫混凝土的收縮性能都是基于干燥收縮，對(duì)泡沫混凝土的自收縮研究鮮有報(bào)道.此外，學(xué)者們還研究了纖維、外加劑等組分對(duì)泡沫混凝土收縮性能的影響. 林興勝[13]研究了加入聚丙烯纖維的泡沫混凝土，發(fā)現(xiàn)纖維起到抑制泡沫混凝土干燥收縮的作用，纖維的彈性模量與其分擔(dān)的應(yīng)力成正比關(guān)系. 詹炳根等[14]研究發(fā)現(xiàn)，摻入少量的抗堿玻璃纖維后，泡沫混凝土干燥收縮不斷下降，但抑制效果主要集中在早期. Kudyakov等人[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，0.1%～2%質(zhì)量摻量的石棉纖維能降低42%～90%的收縮應(yīng)變，在基體內(nèi)均勻分布的石棉纖維為泡沫混凝土提供了大小均勻的封閉氣孔結(jié)構(gòu). 張皓等人[17]研究發(fā)現(xiàn)，摻入減水劑可減少由于水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔數(shù)量，能有效減小泡沫混凝土的干燥收縮. 謝明輝[18]通過摻入適量的粉煤灰取代部分水泥，設(shè)計(jì)低水膠比下大摻量粉煤灰混凝土，發(fā)現(xiàn)收縮變形減小. 李青等人[19]研究摻入羥丙基甲基纖維素醚至泡沫混凝土后，對(duì)漿體中的氣孔起到良好的穩(wěn)泡效果，提高了泡沫混凝土的收縮性能. 蔣俊等人[20]研究發(fā)現(xiàn)膨脹組分能降低泡沫混凝土的干燥收縮，但強(qiáng)度有所降低. 蔣俊等人[21]還結(jié)合壓汞法、氮吸附法等測(cè)試手段，研究了減縮劑對(duì)A08級(jí)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)、干燥收縮和自收縮的影響. 但多數(shù)學(xué)者研究單因素組分對(duì)泡沫混凝土收縮性能的影響，鮮有研究多種組分對(duì)泡沫混凝土收縮性能影響的文獻(xiàn)報(bào)道. 同時(shí)，多數(shù)學(xué)者定量分析外加組分對(duì)泡沫混凝土收縮性能的影響，少有學(xué)者結(jié)合宏觀孔結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其減縮機(jī)理進(jìn)行定性分析.本文首先通過正交試驗(yàn)得出有利于泡沫混凝土收縮性能的最優(yōu)配合比，接著討論聚丙烯纖維、玻璃纖維、植物纖維、膨脹劑、減縮劑5種常見的纖維和外加劑對(duì)泡沫混凝土的自收縮、干燥收縮的影響，然后通過雷達(dá)圖得出最佳外加組分，最后從宏觀孔結(jié)構(gòu)和SEM電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)討論纖維和外加劑對(duì)泡沫混凝土的減縮機(jī)理.

1? ?原材料及試驗(yàn)方法

1.1? ?原材料

本文采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥. 細(xì)骨料為天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.58，粒徑0～5 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2 660 kg/m3. 減水劑為白色粉末狀聚羧酸高效減水劑. 采用3種常見的纖維：聚丙烯纖維、耐堿型玻璃纖維、植物纖維（劍麻纖維），其主要性能指標(biāo)分別見表1. 膨脹劑為褐色粉末狀U型膨脹劑，主要性能指標(biāo)見表2. 減縮劑主要成分為聚烯基乙二醇，其性能指標(biāo)見表3.

1.2? ?試驗(yàn)方案

1.2.1? ?正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文首先對(duì)干密度為800 kg/m3的泡沫混凝土的配合比進(jìn)行正交試驗(yàn)，考察各因素對(duì)泡沫混凝土自收縮、干燥收縮、流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度的影響，然后以收縮性能為主通過極差分析確定最優(yōu)配合比. 正交試驗(yàn)的因素和水平的選取見表4.

1.2.2? ?摻纖維和外加劑的泡沫混凝土試驗(yàn)方案

根據(jù)正交試驗(yàn)的最優(yōu)配合比，討論纖維和外加劑對(duì)泡沫混凝土收縮性能的影響，纖維和外加劑包括聚丙烯纖維、玻璃纖維、植物纖維、膨脹劑、減縮劑. 試驗(yàn)配合比見表5.

1.2.3? ?植物纖維表面處理

植物纖維采用劍麻纖維，由于劍麻纖維表面存在木質(zhì)素、果膠、蠟質(zhì)物等雜質(zhì)，因此在摻入泡沫混凝土之前，需要進(jìn)行表面處理去除雜質(zhì). 堿液處理是一種經(jīng)典的表面處理方法，被廣泛運(yùn)用于劍麻纖維表面處理. 劍麻纖維浸泡在低濃度的堿溶液中時(shí)，木質(zhì)素失去連接而脫離，果膠中的甲基脫離后溶解，其他雜質(zhì)也逐漸脫離. 表面處理后的劍麻纖維光滑而具有彈性，不含其他雜質(zhì)[22].

1.3? ?測(cè)試方法

1.3.1? ?自收縮

本試驗(yàn)采用非接觸式探頭與波紋管結(jié)合的方法. 波紋管的內(nèi)、外徑分別為20 mm和30 mm，長度為（340±5） mm. 每組試驗(yàn)采用兩根波紋管試件，每個(gè)組別的自收縮值取兩根波紋管試件自收縮值的算術(shù)平均值. 試驗(yàn)過程如下：首先把泡沫混凝土漿體裝入波紋管并密封后，將波紋管試件的一端用彈簧固定在鋼支架上，另一端可以在鋼支架上自由移動(dòng)，然后調(diào)整電渦流位移傳感器的位置，對(duì)試件的自由端進(jìn)行位移變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用多通道數(shù)據(jù)采集儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收錄. 測(cè)試范圍為0～4 mm，分辨率為0.5 μm，其精度為0.05%.

1.3.2? ?干燥收縮

泡沫混凝土干縮試驗(yàn)方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ/T70—2009）. 測(cè)量混凝土收縮變形的裝置為SP-175型比長儀. 每個(gè)配合比成型三聯(lián)40 mm×40 mm×160 mm的試件，試件兩端預(yù)埋測(cè)頭. 成型完畢后，立即帶模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù). 1 d后拆模并繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，2 d后轉(zhuǎn)移至溫度為（20±2 ）℃、相對(duì)濕度為60%±5%的恒溫恒濕室中，并測(cè)定其初始長度L0. 此后，按規(guī)定時(shí)間間隔，測(cè)量其7 d、14 d、21 d、28 d、56 d的變形讀數(shù)Lt. 每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的混凝土干燥收縮可按下式計(jì)算： ，式中Ld為兩個(gè)收縮頭進(jìn)入試件中的長度之和.

1.3.3? ?流動(dòng)度

本試驗(yàn)中泡沫混凝土流動(dòng)度測(cè)試過程參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（J1352—2012），規(guī)定干密度為800 kg/m3的泡沫混凝土的流動(dòng)度應(yīng)為（180±20） mm.

1.3.4? ?抗壓強(qiáng)度

本試驗(yàn)中泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試過程參照《泡沫混凝土》（JG-T266—2011）和《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》（GB/T 11969—2008），規(guī)定干密度為800 kg/m3的泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)為1.6～3.0 MPa.

1.3.5? ?CT掃描

CT掃描技術(shù)是計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，利用X射線對(duì)40 mm×40 mm×40 mm的泡沫混凝土試件掃描多個(gè)斷面，獲得多個(gè)斷面層的圖像后，利用MagicEyeICT軟件分析多個(gè)斷面的孔隙率和孔徑分布，從而得出泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征.

1.3.6? ?SEM掃描電鏡

試樣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后將其破碎成1 cm3左右的小塊，然后立即放入無水乙醇中終止水化7 d，之后放入（60±5） ℃的真空干燥箱中烘干至恒重. 將真空干燥的樣品表面噴金使其導(dǎo)電，即可用FRI QuANTA 200型的環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行測(cè)試.

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?基準(zhǔn)配合比最優(yōu)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表見表6.

比較各R值大小，3 d自收縮率：水灰比>減水劑摻量>砂膠比，28 d干燥收縮率：砂膠比>減水劑摻量>水灰比，流動(dòng)度：水灰比>砂膠比>減水劑摻量，28 d抗壓強(qiáng)度：水灰比>砂膠比>減水劑摻量. 根據(jù)綜合平衡法，在確定主次順序時(shí)，對(duì)3 d自收縮率、28 d干燥收縮率、流動(dòng)度、28 d抗壓強(qiáng)度影響的大小順序?yàn)椋核冶?砂膠比>減水劑摻量.

對(duì)于3 d自收縮應(yīng)變值來說，極差越小越好，根據(jù)極差分析表：KA1>KA2>KA3>KA4，則 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，最優(yōu)水平為A4B4C4. 對(duì)于28 d干燥收縮率，極差越小越好，最優(yōu)水平為A1B4C4. 對(duì)于流動(dòng)度來說，極差越大越好，則最優(yōu)水平為A4B1C4. 對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度，極差越大越好，最優(yōu)水平為A2B3C4.

在A4B4C4、A1B4C4、A4B1C4、A2B3C4四個(gè)較優(yōu)水平組合中，由于優(yōu)先確定水灰比，結(jié)合3 d自收縮和28 d干燥收縮的水平趨勢(shì)（即均值趨勢(shì)），水灰比第二個(gè)因素最佳，因此優(yōu)先確定水灰比為0.5. 那么水灰比為0.5的水平組合僅有A2B3C4，最終選擇A2B3C4這個(gè)組合作為最優(yōu)配合比. 綜上所述，最優(yōu)配合比見表8，其性能見表9.

2.2? ?纖維和外加劑對(duì)泡沫混凝土自收縮的影響

2.2.1? ?纖維對(duì)泡沫混凝土自收縮的影響

如圖1所示，所有組別的自收縮都相對(duì)較低. 隨著3種纖維摻量的增加，泡沫混凝土自收縮減小. 究其原因，一方面在于摻入纖維后，毛細(xì)孔孔隙的總體積增加，毛細(xì)孔的直徑增大，數(shù)量增多，使得毛細(xì)孔壓力減小，從而降低自收縮. 另一方面在于摻入纖維后，纖維單絲在泡沫混凝土內(nèi)部形成亂向分布的三維體系，有助于提高泡沫混凝土的均勻性，降低自收縮[23]. 相對(duì)于未摻入纖維的泡沫混凝土基準(zhǔn)組，摻入0.05%、0.10%、0.15%聚丙烯纖維的泡沫混凝土3 d自收縮值減小了8.2%、14.4%、21.8%;摻入0.05%、0.10%、0.15%玻璃纖維的泡沫混凝土3 d自收縮值減小了21.8%、30.6%、35.8%;摻入0.05%、0.10%、0.15%植物纖維的泡沫混凝土3 d自收縮值減小了16.6%、22.5%、27.5%. 3種纖維對(duì)泡沫混凝土的自收縮的抑制程度：玻璃纖維>植物纖維>聚丙烯纖維，原因在于3種纖維彈性模量的不同，玻璃纖維的彈性模量為65 GPa，植物纖維的彈性模量為18 GPa，聚丙烯纖維的彈性模量為8 GPa[24]，漿體發(fā)生自收縮，纖維受到擠壓，彈性模量更大的纖維所能承擔(dān)的應(yīng)力就更大，抑制自收縮的能力就更強(qiáng)[25].

2.2.2? ?外加劑對(duì)泡沫混凝土自收縮的影響

從圖2、圖3可看出，隨著膨脹劑和減縮劑摻量的增加，泡沫混凝土自收縮減小. 相對(duì)于未摻入外加劑的泡沫混凝土基準(zhǔn)組，摻入1%、2%、3%膨脹劑的泡沫混凝土3 d自收縮值減小了36.9%、41.7%、51.3%;摻入1%、2%、3%減縮劑的泡沫混凝土3 d自收縮值減小了37.0%、51.7%、59.4%. 對(duì)于膨脹劑，如圖2所示，在0～8 h稍微抑制了收縮;而在8～18 h這一段時(shí)間內(nèi)，收縮曲線有一個(gè)膨脹的過程，這是由于U型膨脹劑主要成分是硫鋁酸鈣，生成的水化產(chǎn)物是鈣礬石相，此過程中生成的鈣礬石在泡沫混凝土中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，可抵消泡沫混凝土在0～6 h自收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力. 減縮劑對(duì)泡沫混凝土自收縮的降低作用，主要是因?yàn)闇p縮劑降低了泡沫混凝土內(nèi)部孔溶液的表面張力，從而使毛細(xì)管失水，造成附加壓力減小，也就降低了毛細(xì)孔在失水過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力. 同等摻量下，減縮劑抑制泡沫混凝土自收縮的能力優(yōu)于膨脹劑.

2.3? ?纖維和外加劑對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的影響

2.3.1? ?纖維對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的影響

從圖4可看出，隨著纖維摻量的增加，56 d干燥收縮值逐漸減小. 原因是纖維無序分布在泡沫混凝土結(jié)構(gòu)中，水泥水化產(chǎn)物附著在纖維表面上，由于水泥水化產(chǎn)物呈堿性，腐蝕纖維表面，這使得纖維與硬化漿體的過渡區(qū)得到有效的加強(qiáng)，纖維更好地與硬化漿體黏結(jié)，有效地抑制泡沫混凝土的干燥收縮. 相對(duì)于未摻入纖維的泡沫混凝土基準(zhǔn)組，摻入0.05%、0.10%、0.15%聚丙烯纖維的泡沫混凝土56 d干燥收縮值減小了18.9%、35.6%、45.2%;摻入0.05%、0.10%、0.15%玻璃纖維的泡沫混凝土56 d干燥收縮值減小了38.2%、43.9%、53.5%;摻入0.05%、0.10%、0.15%植物纖維的泡沫混凝土56 d干燥收縮值減小了35.5%、43.9%、48.0%. 3種纖維對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的抑制程度：玻璃纖維>植物纖維>聚丙烯纖維. 原因在于彈性模量越大的纖維能承擔(dān)更大的干燥收縮應(yīng)力.

2.3.2? ?外加劑對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的影響

從圖5、圖6可看出，隨著膨脹劑、減縮劑摻量的增加，56 d干燥收縮值逐漸減小. 這是由于膨脹劑生成鈣礬石相水化產(chǎn)物的過程中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，抵消了部分因水分蒸發(fā)引起的毛細(xì)孔張力，其機(jī)理與自收縮相同;而減縮劑除了降低孔溶液的表面張力外，還具有一定的保水作用，降低水分蒸發(fā)速率，更進(jìn)一步地降低干燥收縮. 相對(duì)于未摻入外加劑的泡沫混凝土基準(zhǔn)組，摻入1%、2%、3%膨脹劑的泡沫混凝土56 d干燥收縮值減小了46.5%、74.3%、79.5%;摻入1%、2%、3%減縮劑的泡沫混凝土56 d干燥收縮值減小了57.5%、74.3%、81.1%. 可以看出，減縮劑抑制泡沫混凝土干燥收縮的能力優(yōu)于膨脹劑. 但值得注意的是，該試驗(yàn)中采用的膨脹劑摻量與傳統(tǒng)相比較低，但降低干縮的效果又很顯著，這有可能是膨脹劑在高水灰比條件下水化生成更多的鈣礬石晶體，使水泥石結(jié)構(gòu)形成致密的骨架，補(bǔ)償了干燥收縮[26].

2.4? ?雷達(dá)圖分析最佳外加組分

根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（J1352—2012）和《泡沫混凝土》（JG-T266—2011），800 kg/m3的泡沫混凝土流動(dòng)度應(yīng)為（180±20）? mm，抗壓強(qiáng)度應(yīng)為1.6～3.0 MPa. 因此，根據(jù)表7各組試件的流動(dòng)度和28 d抗壓強(qiáng)度，0.10%、0.15%體積摻量的玻璃纖維組與2%、3%質(zhì)量摻量的膨脹劑組以及2%、3%質(zhì)量摻量的減縮劑組都不滿足流動(dòng)度要求，3%質(zhì)量摻量的減縮劑組不滿足強(qiáng)度要求. 因此，將分別摻有0.05%體積摻量的聚丙烯纖維組、玻璃纖維組、植物纖維組和1%質(zhì)量摻量的膨脹劑組、減縮劑組作為對(duì)比，考察3 d自收縮、56 d干燥收縮、流動(dòng)度、28 d抗壓強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)，以雷達(dá)圖的形式分析最佳外加組分[27].

圖7用雷達(dá)圖的形式分析泡沫混凝土的最佳外加組分.雷達(dá)圖由一系列等角的輻條組成，每個(gè)輻條代表一個(gè)變量，每個(gè)輻條的長度代表影響泡沫混凝土各個(gè)性能的程度，數(shù)據(jù)點(diǎn)將每個(gè)輻條依次連接，形成一個(gè)封閉的區(qū)域. 對(duì)于各種纖維和外加劑，形成較大的面積表示整體性能最佳[28]. 因此，1%質(zhì)量摻量的減縮劑是最佳外加組分.

2.5? ?纖維和外加劑減縮機(jī)理不管是基準(zhǔn)組還是摻纖維和外加劑的泡沫混凝土，其自收縮都處于較低水平. 原因一方面在于試件水灰比的選擇較大，導(dǎo)致自收縮處于較低水平[29];另一方面在于試件在自收縮的測(cè)試裝置內(nèi)處于密封絕濕環(huán)境，弱化了減水劑在干燥條件下的增縮效應(yīng)，即在密封養(yǎng)護(hù)條件下，隔絕了試件與外界的濕度交換，減水劑的摻加并不會(huì)導(dǎo)致試件自收縮增大[30]. 相對(duì)于泡沫混凝土的干燥收縮，其自收縮基本可以忽略. 故對(duì)于纖維和外加劑的減縮機(jī)理，主要考慮干燥收縮.

圖8至圖10為摻纖維的泡沫混凝土干燥收縮56 d后的SEM照片. 從圖8（a）、圖9（a）、圖10（a）可看出，玻璃纖維與硬化漿體黏結(jié)良好，而聚丙烯纖維和植物纖維的彈性模量遠(yuǎn)低于玻璃纖維的彈性模量，無法承受水泥基體干燥收縮引起的拉應(yīng)力，從水泥基體中剝離. 這很好地解釋了2.3.1節(jié)所述彈性模量越大的纖維能承擔(dān)更大的干燥收縮應(yīng)力的結(jié)論.

表10和圖11為摻各種外加組分的泡沫混凝土的孔隙率和孔徑分布. 相對(duì)于基準(zhǔn)組，摻入纖維使泡沫混凝土的孔隙率略為降低，而且孔徑在0～0.45 mm范圍內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)減少，孔徑在0.45～2 mm范圍內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)增多，孔徑在2～3 mm范圍內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)變化不大. 這有可能是摻入纖維成型攪拌時(shí)，水泥漿體包裹著纖維攪拌，導(dǎo)致部分泡沫合并成孔徑大的泡沫;同時(shí)導(dǎo)致部分泡沫破裂，水泥漿體占據(jù)破裂泡沫的位置，使孔隙率降低. 而泡沫混凝土的干燥收縮一方面取決于基體的體積大小，另一方面在于水分的散失量. 摻入纖維后，泡沫混凝土孔隙率降低，基體體積增大，整體的干燥收縮增大;而孔徑在0～0.45 mm范圍內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)減少，孔徑在0.45～2 mm范圍內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)增多，自由水更容易散失，會(huì)引起更大的干燥收縮，但由于纖維的物理約束作用，使最終的干燥收縮降低. 相對(duì)于基準(zhǔn)組，摻入膨脹劑和減縮劑使泡沫混凝土孔隙率略為增加，孔徑分布變化不大，因此氣孔結(jié)構(gòu)對(duì)干燥收縮的影響不大，其本身的化學(xué)作用使最終的干燥收縮降低.

3? ?結(jié)? ?論

1）以800 kg/m3泡沫混凝土為例，采用正交試驗(yàn)方法，綜合考慮3 d自收縮和28 d干燥收縮率，本試驗(yàn)最優(yōu)的基準(zhǔn)配合比為：水灰比為0.5，砂膠比為1.0，減水劑摻量為0.5%.

2）基于基準(zhǔn)配合比，在泡沫混凝土中摻入纖維、膨脹劑、減縮劑均能有效降低泡沫混凝土的自收縮和干燥收縮，隨著摻量增加收縮顯著降低，其抵抗收縮能力大小為：減縮劑>膨脹劑>纖維. 在纖維體積摻量一樣的情況下，抵抗收縮能力大小為：玻璃纖維>植物纖維>聚丙烯纖維.

3）根據(jù)相關(guān)規(guī)范，0.05%體積摻量的3種纖維和1%質(zhì)量摻量的膨脹劑、減縮劑符合干密度為800 kg/m3的泡沫混凝土的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度要求. 通過雷達(dá)圖綜合分析，泡沫混凝土的最佳外加組分為1%質(zhì)量摻量的減縮劑.

4）纖維的摻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，基體體積增大，整體干燥收縮增大，另一方面使孔徑在0～0.45 mm范圍內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)減少，孔徑在0.45～2 mm范圍內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)增多，自由水更容易散失，引起干燥收縮進(jìn)一步增大，但由于纖維的約束作用使最終的干燥收縮降低，減縮機(jī)理在于其自身的物理作用. 膨脹劑和減縮劑的摻入對(duì)泡沫混凝土孔隙率與孔徑分布影響甚微，減縮機(jī)理在于其自身的化學(xué)作用.

參考文獻(xiàn)

[1]? ?SARI K，SANI A. Applications of foamed lightweight concrete [C]// Proceedings of Engineering Technology International Conference. Paris： EDP Sciences，2016：97—102.

[2]? ?BYUN K J，SONG H W，PARK S S，et al. Development of structure lightweight foamed concrete using polymer foam agent [J]. Cement and Concrete Research，2008，29：625—633.

[3]? ?MOHANTY A，MISRA M，DRZAL L. Shrinkage behavior of structural foamed lightweight concrete containing glycol compounds and fly ash [J]. Materials and Design，2011，32（5）：723—727.

[4]? ?JONES M R，CARTHY A. Utilising unprocessed low-lime coal fly ash in foamed concrete [J]. Fuel，2005，84（11）：1398—1409.

[5]? ?NAMBIAR E K，RAMAMURTHY K. Sorption characteristics of foamed concrete [J]. Cement and Concrete Research，2007，37： 1341—1347.

[6]? ?梁建國，劉鑫，程少輝.蒸壓粉煤灰磚砌體干燥收縮試驗(yàn)研究及其預(yù)測(cè)模型[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，39（8）：27—33.

LIANG J G，LIU X，CHENG S H. Experimental research and prediction formulation of the drying shrinkage of autoclaved fly ash brick masonry [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2012，39（8）：27—33. （In Chinese）

[7]? ?JONES M R，OZLUTAS K，ZHENG L. Stability and instability of foamed concrete [J]. Magazine of concrete research，2016，68：11—18.

[8]? ?WAN K，LI G，WANG S，et al. 3D full field study of drying shrinkage of foam concrete[J]. Cement and concrete composites，2017，82：217-226.

[9]? ? 楊益民.養(yǎng)護(hù)對(duì)泡沫混凝土收縮及抗裂性能的影響[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，2015：33—36.

YANG Y M. Effects of curing early shrinkage and cracking of foamed concrete [D]. Hefei： College of Civil and Hydraulic? Engineering，Hefei University of Technology，2015：33—36. （In Chinese）

[10]? NAMBIAR E K K，RAMAMURTHY K. Shrinkage behavior of foam concrete [J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2009，21（11）：631—636.

[11]? 王建軍，饒秋生，賈淑明，等.泡沫混凝土收縮性能試驗(yàn)研究[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，21（2）：31—34.

WANG J J，RAO Q S，JIA S M，et al. Experimental study on the shrinkage of foamed concrete [J]. Journal of Lanzhou Institute of Technology，2014，21（2）：31—34. （In Chinese）

[12]? 張國永，陳永攀，曾憲純.泡沫混凝土干燥收縮性能改性研究[J].新型建筑材料，2013（4）：72—74.

ZHANG G Y，CHEN Y P，ZENG X C. Modification research on the dry shrinkage performance of foam concrete[J]. New Building Materials，2013（4）：72—74. （In Chinese）

[13]? 林興勝.纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的研制與性能[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，2007：47—49.

LIN X S. Development and properties of foamed concrete with fiber reinforcement[D]. Hefei：College of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，2007：47—49.（In Chinese）

[14]? 詹炳根，郭建雷，林興勝.玻璃纖維增強(qiáng)泡沫混凝土性能試驗(yàn)研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（2）：226—229.

ZHAN B G，GUO J L，LIN X S. Properties of foamed concrete with fiber glass reinforcement [J]. Journal of Hefei University of Technology，2009，32（2）：226—229. （In Chinese）

[15]? KUDYAKOV A I，STESHENKO A B. Cement foam concrete with low shrinkage [J]. Advanced Materials Research，2015，1085：245—249.

[16]? KUDYAKOV A I，STESHENKO A B. Shrinkage deformation of cement foam concrete [C]//Proceedings of IOP Conference Series： Materials Science and Engineering Series. Bristol： IOP Publishing，2016：12—19.

[17]? 張皓，鄭秀梅，景鐸.泡沫混凝土收縮性能影響因素的試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2016，43（3）：81—84.

ZHANG H，ZHENG X M，JING D. Experimental study on the influence factors of shrinkage of foamed concrete [J]. New Building Materials，2016，43（3）：81—84. （In Chinese）

[18]? 謝明輝.大摻量粉煤灰泡沫混凝土的研究[D].長春：吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，2006：17—18.

XIE M H. The research of foamed concrete with high added fly ash [D]. Changchun： College of Construction Engineering，Jilin University，2006：17—18. （In Chinese）

[19]? 李青，李玉平，楊斌.摻加穩(wěn)泡劑HPMC對(duì)泡沫混凝土性能的影響[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2008（9）：33—35.

LI Q，LI Y P，YANG B. Capability investigation on foam concrete with foam stabilizer HPMC [J]. Wall Materials Innovation & Energy Saving in Buildings，2008（9）：33—35. （In Chinese）

[20]? 蔣俊，牛云輝，盧忠遠(yuǎn).減縮劑對(duì)泡沫混凝土收縮的影響研究[J].功能材料，2014，45（11）：11032—11035.

JIANG J，NIU Y H，LU Z Y. Study on the shrinkage of foamed concrete with shrinkage-reducing admixtures [J]. Journal of Functional Materials，2014，45（11）：11032—11035. （In Chinese）

[21]? 蔣俊，盧忠遠(yuǎn)，牛云輝.外加組分對(duì)泡沫混凝土收縮性能的影響研究[J].混凝土，2013（8）：47—50.

JIANG J，LU Z Y，NIU Y H. Study of admixtures on shrinkage of foamed concrete [J]. Concrete，2013（8）：47—50. （In Chinese）

[22]? MOHANTY A K，MISRA M，DRZAL L T. Surface modifications of natural fibers and performance of the resulting biocomposites： an overview [J]. Composite Interfaces，2001，8（5）：313—343.

[23]? WANG K，SURENDRA P，PHUAKSUK P. Plastic shrinkage cracking in concrete materials-influence of fly ash and fibers [J]. ACI Materials Journal，2001，98（6）：458—464.

[24]? DITTENBER D B，GUANGRAO H V S. Critical review of recent publications on use of natural composites in infrastructure [J]. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2012，43（8）：1419—1429.

[25]? 朱德舉，歐云福，徐新華.玻璃纖維束拉伸力學(xué)性能影響參數(shù)試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，44（1）：118—124.

ZHU D J，OU Y F，XU X H. Experimental study of parameters affecting the tensile mechanical properties of glass fiber bundle [J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2017， 44（1）： 118—124. （In Chinese）

[26]? 劉加平，田倩，唐明述.膨脹劑和減縮劑對(duì)于高性能混凝土收縮開裂的影響[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，36（S2） ：195—199.

LIU J P，TIAN Q，TANG M S. Influence of expansion agent and shrinkage reducing agent on shrinkage cracking of high performance concrete [J]. Journal of Southeast University （Natural Science Edition），2006，36（S2）：195—199. （In Chinese）

[27]? MENG W，KHAYAT K. Effects of saturated lightweight sand content on key characteristics of ultrahigh-performance concrete [J]. Cement and Concrete Research，2017，27（4）：53—56.

[28]? MENG W，VALIPOUR M，KHAYAT K. Optimization and performance of cost-effective ultra-high performance concrete [J]. Materials and Structures，2017，50（1）：29—32.

[29]? 周富榮. 養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土早期收縮和開裂的影響[D].杭州：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2006：44—46.

ZHOU F R. Effects of curing on early-age shrinkage and cracking of concrete [D]. Hangzhou： College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，2006：44—46. （In Chinese）

[30]? 朱耀臺(tái). 混凝土結(jié)構(gòu)早期收縮裂縫的試驗(yàn)研究與收縮應(yīng)力場(chǎng)的理論建模[D].杭州：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2005：51—53.

ZHU Y T. Experimental investigation and theoretical modeling on early-age shrinkage cracking in concrete [D]. Hangzhou： College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，2005：51—53. （In Chinese）

收稿日期：2018-05-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278180），National Natural Science Foundation of China（51278180）

作者簡(jiǎn)介：龔建清（1963—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，湖南大學(xué)副教授，博士

通訊聯(lián)系人，E-mail：gongjianqing@hnu.edu.cn