纖維種類對微孔混凝土干縮性能的影響研究

曹萬智，代佳，葉騏瑞，高瀟

（1.西北民族大學土木工程學院，甘肅蘭州 730030；2.甘肅省新型建材與建筑節能重點實驗室，甘肅蘭州 730124）

0 引 言

微孔混凝土[1]是通過空氣壓縮網孔阻滯制泡技術，將泡沫加入由快硬低收縮復合膠凝材料、膨脹珍珠巖、水、短切纖維、各種礦物摻合料及化學外加劑混合拌制而成的料漿中，經過攪拌、澆筑、成型和養護而制成的多孔混凝土，含有0.2 mm 左右均勻分布的微孔，導熱系數為0.01～0.14 W/（m·K）。目前，微孔混凝土主要用于保溫結構一體化復合墻體制品的生產。相對于普通多孔混凝土，微孔混凝土具有吸水率低、干縮小、隔熱保溫和防火性能好的特點，其中干縮性能的改善，添加纖維是主要原因之一。

研究表明，玻璃纖維（GF）的摻入能降低微孔混凝土早期收縮變形，GF 彈性模量大，能承擔微孔混凝土收縮時的擠壓應力，從而抑制微孔混凝土收縮；聚丙烯纖維（PPF）的摻入在微孔混凝土結構中形成一種均勻、亂向的三維支撐體系，阻隔微孔混凝土內部水分溢出的通道，改善微孔混凝土的均勻性和微觀結構，抑制混凝土的干燥收縮[2-3]。本文選取800、1000、1200 kg/m3表觀密度的微孔混凝土為基本對象，以纖維摻量為1.5 kg/m3進行2 種纖維單摻以及GF 與PPF 按1∶2、1∶1、2∶1 質量比復摻（復摻時未考慮2 種纖維體積密度對體積摻量和質量摻量的影響），對比單摻纖維和復摻纖維對微孔混凝土干縮性能的影響，通過性能試驗尋找規律，持續提高和優化微孔混凝土的性能。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）快硬低收縮復合膠凝材料：由P·O42.5 水泥（OPC，蘭州祁連山水泥集團）、SAC42.5 低堿度硫鋁酸鹽水泥（SAC，鄭州市王樓水泥工業有限公司）、粉煤灰（Ⅱ級，甘肅宏大投資開發集團有限公司）等礦物摻合料及化學外加劑復配而成（以下簡稱復合膠凝材料）[4]。復合膠凝材料中水泥的化學成分如表1所示，復合膠凝材料主要技術性能如表2 所示。

表1 復合膠凝材料中水泥的化學成分%

表2 復合膠凝材料的主要技術性能

（3）輕骨料：膨脹珍珠巖，蘭州市榆中定遠保溫材料廠，其主要性能如表3 所示。

表3 膨脹珍珠巖的主要性能

（4）纖維：聚丙烯纖維（PPF）、玻璃纖維（GF），其主要性能如表4 所示。

表4 PPF 和GF 的主要性能

1.2 試驗方案

（1）配合比設計（見表5）

表5 微孔混凝土配合比

采用0.55 的水灰比和30%粉煤灰摻量，進行纖維單摻及復摻對微孔混凝土形成的獨立微孔具有一定的影響，在保證試件制作過程中漿體和易性較好的情況下，摻加1.5 kg/m3纖維，12%體積摻量的膨脹珍珠巖。膨脹珍珠巖在微孔混凝土中充當骨料作用，并且能改善泡沫的引入效果，節約水泥用量，降低制造成本，緩解混凝土中泡沫的上浮和改善纖維的分布。

（2）施工工藝

根據表5 配合比先將水、膨脹珍珠巖、纖維進行第1 次機械攪拌，時間控制在5 s 左右（防止攪拌時膨脹珍珠巖破壞），接著放入復合膠凝材料進行第2 次機械攪拌，時間控制在20 s 左右。2 次機械攪拌目的是使纖維均勻分散在膠凝材料內。微孔混凝土料漿拌制完成后倒入準備好的模具，蓋上保鮮膜進行室內養護。

（3）試件制作及養護

試塊的制備按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。測試試驗組28 d 的干燥收縮率，每組3 個試塊取平均值。試件澆筑成型后放入室內帶模養護1 d，第2 d 拆模試件繼續放入室內進行養護[溫度（20±2）℃、相對濕度（25±5）%]至28 d 齡期。拆模養護2 d 后測試其初始數值。

上述基于在線監測數據的故障識別方法均是結合電壓互感器的結構特點和故障特征，通過分析某一個電壓互感器的量測數據識別故障。這些方法僅適用于特定類型、特定結構的電壓互感器，普適性較差。下面提出了一種基于多維量測數據序列的電壓互感器故障識別方法，屬于在線監測數據的故障識別方法。該方法通過在線分析多個電壓互感器的量測數據識別故障，無需利用電壓互感器的結構特征，適用于所有類型的電壓互感器。首先，利用經驗模態分解法對電壓互感器量測數據進行去噪處理，消除噪音干擾；其次，利用時間序列分層聚類法對多維電壓互感器量測數據進行分析，識別電壓互感器故障位置。

（4）試件編號

將800、1000、1200 kg/m3三種表觀密度微孔混凝土未摻纖維組（空白組）編號為A0、B0、C0。纖維種類分為單摻GF、PPF以及按m（GF）∶m（PPF）=1∶2、1∶1、2∶1 復摻，如表6 所示。

表6 試驗組編號

2 試驗結果與分析

2.1 試驗步驟

采用的干縮試驗為接觸法。采用HSP-540 型混凝土收縮膨脹儀器（如圖1），試件兩端埋入Φ6×25 mm 銅釘。始終把有標記的一頭放置在儀器固定端進行測試試驗，每1 d 記錄1次百分表讀數并同時記錄室內溫度和相對濕度[室內平均溫度為（20±2）℃、相對濕度為（20±5）%）]，總齡期為28 d。試驗完成后將試塊放回原位繼續養護。將測試數據按GB/T 50082—2009 計算干燥收縮率。

圖1 混凝土收縮膨脹儀

2.2 干縮機理

纖維抑制微孔混凝土收縮開裂的機理主要在于纖維均勻分散于漿體中，約束了漿體應力和應變，從而提高微孔混凝土的抗拉強度，當受到外界力作用時，纖維能夠吸收大量外界能量，進而抑制收縮[5]。

2.3 干燥收縮率

不同表觀密度微孔混凝土干縮率如圖2 所示。

圖2 不同表觀密度微孔混凝土的干縮率

由圖2 可知，微孔混凝土中摻入纖維[m（GF）∶m（PPF）]后的干縮率以最小值為最優組的規律排序為：2∶1＞1∶1＞1∶2＞1∶0＞0∶1。隨著微孔混凝土表觀密度的增加，其空白組干縮率逐漸大于纖維組。

表觀密度800 kg/m3微孔混凝土中，A0 的28 d 干縮率為7.87%。纖維的摻入使得微孔混凝土的干縮率增大，摻纖維組中A1 的干縮率最大，28 d 干縮率為9.57%，較A0 提高了21.6%；A5 的28 d 干縮率最小，為8.09%，較A0 提高了2.8%，較A1降低了15.8%。

表觀密度1000 kg/m3微孔混凝土中，B0 的28 d 干縮率為8.43%。纖維以適當的方式摻入可降低微孔混凝土的干縮率，摻纖維組中B1 的干縮率最大，為9.54%，較B0 提高了13.2%；B5 的干縮率最小，為4.38%，較B0 降低了48.0%，較B1 降低了54.1%。

表觀密度1200 kg/m3微孔混凝土中，C0 的28 d 干縮率為9.21%。隨著表觀密度的提高，纖維單摻及復摻的干縮率開始逐漸低于C0 組。C1 的干縮率最大，為9.79%，較C0 提高了6.3%；C5 的干縮率最小，為4.51%，較C0 降低了51.0%，較C1降低了53.9%。

綜上分析可知：

（1）圖2 中，1~3 d 干縮率有負值存在，是因為復合膠凝材料水化產物中有鈣礬石產生所導致。而3~7 d 干縮率較大，是因為室內濕度低，水分蒸發較快；這種現象持續1 周左右開始減緩。說明環境因素對微孔混凝土干縮性能的影響。

（2）通過不同表觀密度空白組的干縮率可知，微孔混凝土隨著表觀密度的增長，干縮率呈上升趨勢。是因為高表觀密度微孔混凝土試件單位體積內的膠凝材料和水分含量較多，水化速度快，消耗了大量的水分，從而應力增大，導致干縮率增大產生為裂縫[6]。

（3）纖維的摻入能影響微孔混凝土的干縮率。在低表觀密度時，纖維的摻入增大了其干縮率。原因是表觀密度越低，內部的孔隙就越多，而纖維均勻分散在其中，起到孔隙與孔隙之間的橋接作用，使孔與孔連接在一起?；炷劣鏊畷蛎?，微孔混凝土表觀密度越低，內部孔隙越多，孔洞水分消失后微孔混凝土干縮率變化就較大。隨著微孔混凝土表觀密度的提高，孔隙變少纖維在微孔混凝土中形成了一種相互交織的支撐體系，在干縮過程中會受到纖維的抑制作用，減小了其收縮力，阻止其進一步收縮，從而提高了混凝土的抗縮能力，達到抑制微孔混凝土自身的收縮作用。纖維在微孔混凝土的漿體中均勻分布能有效減少混凝土的干燥開裂，減小收縮效果。

（4）纖維復摻[7-8]在微孔混凝土中多維分布，纖維與微孔混凝土漿體有良好的相容性，纖維可單根分散在漿體中，水泥水化產物附著于纖維表面，把纖維緊緊地包覆住，最終形成網狀結構，因此，微孔混凝土收縮時會受到纖維的阻礙，干燥收縮長會降低。復摻纖維對降低干縮率效果較單摻明顯。這是因為，2 種纖維由于彈性模量不同，能更好地分散微孔混凝土內部的收縮應力，減少微孔混凝土內部的缺陷，從而一定程度上抑制了收縮的產生和發展。GF 因其彈性模量大，對微孔混凝土干燥收縮的抑制效果大于PPF，所以復摻纖維組中隨著質量比變大，GF 摻量增加，抑制微孔混凝土干燥收縮性能效果更好。

3 結 論

（1）3 種不同表觀密度的微孔混凝土中摻入纖維[m（GF）∶m（PPF）]后的干縮率以最小值為最優組的規律排序為：2∶1＞1∶1＞1∶2＞1∶0＞0∶1。

（2）單摻和復摻纖維組中，微孔混凝土均是隨著表觀密度的增長，干縮率呈上升趨勢。

（3）綜合分析可知，表觀密度800 kg/m3微孔混凝土干縮率以空白組最佳；表觀密度1000 kg/m3微孔混凝土干縮率以B5 最佳；表觀密度1200 kg/m3微孔混凝土干縮率以C5 最佳。