碳纖維切絲改性發(fā)泡混凝土試驗研究

陸正華，李十泉，沈德爭，陳亞蘭，劉劍

（1.中城建第十三工程局有限公司，江蘇 泰州225300；2.南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州225300；3.泰州市同一建設工程質量檢測有限公司，江蘇 泰州225300）

0 引言

發(fā)泡混凝土屬于環(huán)保型保溫隔熱材料， 由發(fā)泡劑機械發(fā)泡后，與水泥漿經(jīng)混合、泵送、養(yǎng)護、硬化而成[1-2]。1923 年，發(fā)泡混凝土的首個專利授權[3]，逐步得到廣泛的工程應用。2017 年，我國泡沫混凝土產(chǎn)量達4 000 萬m3[4]。目前，發(fā)泡混凝土在結構保溫、工程填充等方面得到較廣泛的應用，其優(yōu)點有[5-6]：質輕，密度約為400～1 000 kg/m3，明顯降低結構負重；保溫隔熱，內部分布微小獨立孔洞，保溫性能好，導熱系數(shù)為0.10～0.24 w/(m·K)；耐火耐高溫，為不燃材料；環(huán)保，所用發(fā)泡劑可由動植物蛋白為組份。其不足主要在于：強度偏低，吸水率高、干縮值大。其中，強度不足是影響發(fā)泡混凝土工程應用的基礎性因素[7]?？蓳郊泳郾⒉ＡЮw維、碳纖維切絲等工程纖維進行改性，以提高發(fā)泡混凝的強度。

1 試驗準備

1.1 試驗材料

（1）十二烷基硫酸鈉（K12）：發(fā)泡劑，活性物含量≥94 %，石油醚可溶物≤1.0 %，廠家為廣州某化工有限公司。

（2）硬脂酸鈣：防水劑，游離酸含量≤0.5 %，氯化物含量≤0.05 %，水溶性鹽≤0.3 %，廠家為天津某化工有限公司。

（3）水泥：膠凝材料，使用海螺牌普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）。

（4）碳纖維切絲：改性材料，抗拉強度3.6 GPa，拉伸模量240 GPa，伸長率1.50%，密度1.76 g/cm3，由南京某復合材料有限公司生產(chǎn)。

（5）水：普通自來水。

1.2 主要儀器

（1）水泥攪拌機NJ-160A，無錫某公司生產(chǎn)；

（2）養(yǎng)護箱SBY-32B，蘇州某公司生產(chǎn)；

（3）DY-208 型水泥強度試驗機， 無錫某公司生產(chǎn)。

1.3 試件制作與測試

流程[8]：①先稱取發(fā)泡劑、防水劑，并加水混合，制作出均勻、細小、穩(wěn)定的泡沫；②將水泥、水以及碳纖維切絲進行攪拌，得到水泥漿體；③將泡沫加入水泥漿繼續(xù)攪拌至均勻； ④入模，24 h 后脫模，試件編號并養(yǎng)護；⑤至齡期，進行測試。

2 凈漿試件

為分析配合比、齡期對發(fā)泡混凝土試件強度的影響，選用發(fā)泡劑K12 濃度為0.6 %、1.2 %、1.8 %、2.4 %（質量比，下同），養(yǎng)護齡期為3 d、7 d、28 d。防水劑∶普通硅酸鹽水泥=1∶1 000， 水灰比取0.6，K12∶水=1.2∶100。凈漿試件配合比見表1，相應強度見表2，圖1、2。

表1 凈漿試件配合比

表2 不同齡期凈漿試件的強度

圖1 K12 摻量與抗折強度

由圖1、2 可知，隨K12 濃度增加，發(fā)泡效果越好，但試件強度均降低；K12 為0.6 %時，試件的強度最高， 其28 d 抗折、 抗壓強度分別為4.2 MPa、10.0 MPa，單組試件的最小值抗壓強度7.1 MPa，所屬泡沫混凝土強度等級為C7.5；試件強度均隨齡期的增加持續(xù)增加，其強度增長規(guī)律與普通混凝土相近；3 d 時水化程度較低，7 d 時水化反應完成大部分（7 d 強度與28 d 強度接近）。K12 濃度為2.4 %時， 試件的28 d 抗折、 抗壓強度分別為3.4 MPa、7.4 MPa， 單組試件的最小值抗壓強度7.2 MPa，所屬強度等級下降為C5。

3 碳纖維切絲改性試件

圖2 K12 摻量與抗壓強度

為改善泡沫混凝土強度、抗裂性能、耐久性，采用碳纖維切絲對凈漿試件進行改性。據(jù)參考文獻[9-10]，選用碳纖維切絲的摻入量為0.38wt %。所用碳纖維切絲長度有5 mm、10 mm 和15 mm，改性試件的配合比見表3。改性試件各齡期強度見表4 和圖3。

由表4 可知，隨K12 濃度增加，發(fā)泡效果越好，改性試件的強度逐步降低；以A3 與A 為例，28 d 抗折、抗壓強度分別提高123.8%、90.0%，強度等級由C7.5 提高為C15，可見碳纖維切絲對該組發(fā)泡混凝土強度的提升很大，且效果在各組改性試件中均顯著存在。

由圖3 可知，改性試件的強度隨齡期的增長趨勢與凈漿試件一致；隨K12 濃度增加，改性試件強度均降低。據(jù)圖2 和圖3，與A 相比，A1、A2、A3 的28 d 抗壓強度逐步提高， 且強度增長速率分別為53%、62%、90%，呈依次提高?？梢?，碳纖維切絲長度對改性試件的強度有明顯影響，增加切絲長度利于發(fā)泡混凝土強度的提升。其原因在于，碳纖維切絲具有較高的抗拉強度，但其強度的發(fā)揮前提是切絲與發(fā)泡混凝土之間粘結良好；碳纖維切絲長度增加時，具有更大的粘結長度，切絲的強度才能更好發(fā)揮。與普通混凝土相比，由于發(fā)泡混凝土中存在大量孔隙，切絲長度對其強度的影響更明顯。

表3 碳纖維切絲改性試件配合比

表4 不同齡期改性試件的強度

圖3 碳纖維切絲改性試件強度

4 結論

（1）提高發(fā)泡劑濃度，發(fā)泡效果越好，但試件強度逐步越低。試件強度隨齡期的增加而提高，其規(guī)律與普通混凝土相似。K12 為0.6 %時，凈漿試件達C7.5 級；K12 為2.4 %時，凈漿試件達C5 級。

（2）碳纖維切絲對發(fā)泡混凝土的增強效果明顯。發(fā)泡劑濃度為2.4 %時，15 mm 碳纖維切絲改性試件達到C10 級，其抗折、抗壓強度分別提高118.8%、71.6%。

（3）在摻量相等時，碳纖維切絲長度越大，增強效果越明顯。長度大的切絲與發(fā)泡混凝土之間有更大的粘結長度，切絲的抗拉強度能得到更充分的發(fā)揮。