玄武岩纤维泡沫混凝土的制备及性能分析

Preparation and Performance Analysis of Basalt Fiber Foam Concrete

摘要

采用普通硅酸盐水泥为基体材料，玄武岩纤维为掺杂相，制备不同纤维掺量的泡沫混凝土，分析玄武岩纤维的用量对泡沫混凝土的力学性能、导热性能、干密度、吸水率及耐久性能的影响。结果表明：加入适量的玄武岩纤维可以改善泡沫混凝土的抗拉强度及抗折强度，随着纤维掺量的增加，干密度逐渐降低，导热性能则先降低后增加，吸水率呈现出先降低后增大的趋势，氯离子迁移系数先降低后增大。在养护28 d时，加入1.2%的玄武岩纤维，泡沫混凝土抗拉强度及抗折强度达到最大值，分别为4.79 MPa和1.86 MPa，同时具备较佳的导热性、吸水率及耐久性。

关键词

玄武岩纤维 / 泡沫混凝土 / 力学性能 / 导热性 / 耐久性

Key words

Basalt fiber / Foam concrete / Mechanical properties / Thermal conductivity / Durability

玄武岩纤维作为一种常用的工业无机非金属材料，其价格低廉，性能优良，常用作填料改善混凝土基质的综合性能^[1-3]。王振山^[4]研究发现，加入0.1%的玄武岩纤维可以明显改善混凝土的耐久性及抗变形能力。刘俊君^[5]研究发现，在C30混凝土中掺杂的玄武岩纤维越短，复合材料的耐久性越佳。泡沫混凝土兼具有保温、吸声、减震等多种功能，在保温外墙中具有重要的应用，可以在减轻房屋质量的同时减少热量的损失^[6-7]。

众多学者将纤维材料加入混凝土基质中，纤维材料对优化混凝土性能、提高纤维材料的利用价值具有重要的意义^[8]。本文进一步扩展纤维混凝土的种类，将玄武岩纤维掺入泡沫混凝土中，利用二者的优异特征降低材料的成本，同时改善复合材料的热工性能，兼顾轻质、高强度的特性，在绿色建筑领域具有重要的应用价值。

纤维泡沫混凝土采用纤维作为掺杂相，该类泡沫混凝土具有耐腐蚀、密度小、抗开裂等优点，且在建筑外墙等场合具有良好的保温效果^[9-10]。本实验采用普通硅酸盐水泥为基体材料，玄武岩纤维为掺杂相，制备不同纤维掺量的泡沫混凝土，分析玄武岩纤维的用量对泡沫混凝土的力学性能、导热性能、干密度、吸水率及耐久性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

水泥，P.O 42.5，浙江金华鸿泰材料公司；AC发泡剂，偶氮二甲酰胺，济南鑫源化工公司；减水剂，聚羧酸盐，工业品，河南金鼎化工公司；玄武岩纤维，单丝纤维状，安徽昊凯再生公司。

表1为水泥的主要化学组分。

1.2 仪器与设备

水泥搅拌机，JY-500，南京江源仪器制造厂；光学显微镜，SG-310，上海光学仪器制造厂；扫描电子显微镜(SEM)，S-4800，日本日立公司；电子万能拉力实验机，CMT4000，江苏蠡园电子公司；热导率测试仪，HC-110，江苏精工仪器制造厂；混凝土养护箱，THR-7005，河南浩源仪器公司。

1.3 样品制备

本文根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，在分析各试验原料成分的基础上，为满足和易性要求，达到坍落度40~55 mm，经过试拌、测量与调整，最终确定玄武岩纤维泡沫混凝土实际配合比为水泥∶水∶砂∶石子=2∶1∶1.91∶2.43。表2为玄武岩纤维泡沫混凝土的具体配方。首先将发泡剂按照1∶50的比例稀释，再按表2的配比称取各原材料并充分混合均匀，其中水灰比为0.50，发泡剂的用量为水泥质量的0.2%，减水剂的用量为水泥质量的0.4%，玄武岩纤维和水泥的质量比依次为0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%；再将发泡剂加入水泥浆料中，搅拌10 min，放入模具中，放置24 h后拆模，放在养护箱中养护3 d，再取出在自然条件下养护，直到28 d后，得到分别养护3、7、28 d的玄武岩纤维泡沫混凝土样品。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：按JG/T 266—2011测试玄武岩纤维泡沫混凝土的抗拉强度和抗折强度，样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，速度为5 mm/min。

SEM测试：首先对试样的表面喷金处理，使用20 kV的加速电压，在SEM仪器上观察玄武岩纤维泡沫混凝土的微观形貌。

导热性能测试：使用热导率测试仪在稳态条件下进行测量，样品直径为500 mm，厚度为50 mm。

干密度测试：按JG/T 266—2011进行测试，样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，取5个试样的平均值作为该组样品的干密度值。

吸水率测试：按GB/T 11970—1997进行测试。

抗氯离子渗透性能测试：按GB/T 50082—2009进行测试。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩纤维泡沫混凝土力学性能

图1为玄武岩纤维泡沫混凝土养护不同时间的力学性能。

从图1a可以看出，随着玄武岩纤维用量的增加，在养护28 d后，玄武岩纤维质量分数为0、0.4%、0.8%、1.2%和1.6%，泡沫混凝土的抗拉强度依次为3.98、4.03、4.45、4.79、4.51 MPa，在玄武岩纤维质量分数为1.2%时，抗拉强度达到最大值，比未添加玄武岩纤维的样品提高20.3%。主要是因为加入适量的玄武岩纤维可以起到骨架支撑的作用，能够在混凝土中形成稳定均匀的结构，同时进一步改善泡沫混凝土的泡孔圆整度，提高了孔壁的强度，从而提高其抗拉强度。继续加入玄武岩纤维，泡沫混凝土强度降低，主要是由于过量的玄武岩纤维在泡沫混凝土中出现团聚^[11]，团聚部位极易出现大尺寸的泡孔，从而降低材料的整体抗拉强度。从图1b可以看出，随着玄武岩纤维质量分数的增加，在养护28 d后，玄武岩纤维质量分数为0、0.4%、0.8%、1.2%和1.6%时，泡沫混凝土的抗折强度依次为1.19、1.44、1.68、1.86、1.74 MPa，在玄武岩纤维质量分数为1.2%时，抗折强度达到最大值，比未添加玄武岩纤维的样品提高56.3%，其整体变化趋势呈现为先增大后降低。分析认为，加入适量的玄武岩纤维可以跟水泥浆体紧密地结合，使泡沫混凝土内部的结合力提升，在受到外力作用时，玄武岩纤维会承担部分外力，从而提高泡沫混凝土整体的抗变形能力。

2.2 SEM分析

图2为玄武岩纤维泡沫混凝土的微观形貌图。

从图2可以看出，未加入玄武岩纤维的泡沫混凝土结构较为疏松，泡孔分散较杂乱，加入玄武岩纤维后，纤维穿插在混凝土基质中，随着玄武岩纤维用量的增加，纤维与混凝土之间结合得更加紧密，纤维形成框架体系，对混凝土形成束缚作用，使其结构更加完善。而随着玄武岩纤维质量分数进一步增加到1.6%，纤维出现局部脱落的情况，主要是由于过多的玄武岩纤维出现不均匀的团聚，使纤维和水泥基质黏合不紧密，在混凝土固化成型阶段出现脱落^[12]，对泡沫混凝土的力学性能也会造成一定的不利影响。

2.3 玄武岩纤维泡沫混凝土的导热性能及干密度

图3为玄武岩纤维泡沫混凝土的导热性能及干密度。

从图3可以看出，未加入玄武岩纤维时，试样的干密度为729 kg/m³，随着纤维掺量的增加，干密度逐渐降低，纤维用量为1.6%时，干密度仅为680 kg/m³，主要是由于纤维本身具有较高的吸水性，同时纤维的密度较低，从而降低泡沫混凝土的干密度^[13]。试样的干密度均在650~750 kg/m³之间，符合JGJ/T 341—2014的相关要求，可以作为泡沫混凝土使用。

导热系数可以直观反映材料的保温性能，随着玄武岩纤维的增多导热系数呈现先降低后增大的趋势。分析认为，泡沫混凝土的热量传递主要是依靠水泥基体的热传导^[14]，纤维的加入改善了泡沫混凝土的泡孔结构，孔隙率降低使试样的导热性能减弱，保温能力增强，在纤维质量分数为1.2%时具备最佳的保温性能，而当玄武岩纤维质量分数达到1.6%时，由于纤维过多，纤维扩展了气孔的发育空间，纤维在混凝土中的分布性变差，出现较多的团聚现象，使试样的导热系数增大，这也意味着材料的保温性能有所降低，将会限制泡沫混凝土的保温隔热功能。综上所述，在纤维质量分数为1.2%时，试样具有较好的保温性能。

2.4 玄武岩纤维泡沫混凝土的吸水率

图4为养护28 d后玄武岩纤维泡沫混凝土的吸水率。

从图4可以看出，未加入玄武岩纤维时，试样的吸水率为0.335 4%，随着玄武岩纤维用量的增加，吸水率呈现出先降低后增大的趋势，纤维质量分数为1.2%时，吸水率仅为0.289 4%，相较于未加入玄武岩纤维的试样降低0.046%，变化幅度较低。分析认为，加入适量的玄武岩纤维后，混凝土的泡孔分布更为均匀，连通的气孔数量减少，吸水率下降，且玄武岩纤维自身吸水率较差，影响混凝土的吸水率的变化主要是由于混凝土自身孔隙存在差异^[15]，继续加入过多纤维后，泡孔出现连通，过多的连通孔形成渗水通道，使试样的吸水率升高。

2.5 玄武岩纤维泡沫混凝土的耐久性

图5为养护28 d后玄武岩纤维泡沫混凝土的氯离子迁移系数。氯离子迁移系数可以直接反映混凝土的耐久性，该值越大，表明材料在受到侵蚀时力学性能更易变差，材料耐久性不佳。

从图5可以看出，未加入玄武岩纤维时，试样的氯离子迁移系数为9.13×10^-12 m²/s，该值最大，抗氯离子侵蚀能力最差，随着纤维用量的增加，氯离子迁移系数呈现出现先降低后增大的趋势，纤维质量分数为1.2%时，氯离子迁移系数为8.01×10^-12 m²/s，抗蚀性能最佳。分析认为，加入适量的玄武岩纤维提高了混凝土浆体的强度，使气孔的孔径分布更为均匀，连通孔数量减少^[16]，从而提高了材料的耐久性。

3 结论

掺入适量的玄武岩纤维可起到骨架支撑的作用，提高其抗拉强度，而过量的玄武岩纤维在泡沫混凝土中会出现团聚，从而降低材料的整体抗拉强度。适量的玄武岩纤维可以跟水泥浆体紧密结合，使泡沫混凝土内部的结合力提升，在受到外力作用时，玄武岩纤维会承担部分外力，从而提高泡沫混凝土整体的抗变形能力。

纤维的加入可以改善泡沫混凝土的泡孔结构，保温能力增强，在纤维质量分数为1.2%时具备最佳的保温性能，当玄武岩纤维质量分数达到1.6%时，纤维过多会使试样的导热能力增强，限制泡沫混凝土的保温隔热功能。

加入适量的玄武岩纤维后，混凝土的泡孔分布均匀，连通气孔数减少，吸水率下降，改善了混凝土浆体的强度，从而提高了材料的耐久性。

参考文献

[1] 曹启坤,景昊星,李豪.基于响应曲面法的粉煤灰泡沫混凝土配合比优化[J].硅酸盐通报,2024,43(4):1427-1435.

[2] 饶超敏,梁哲为,朱元臣,吕飞,王建民.陶粒泡沫混凝土基本力学性能试验统计分析[J].宁波大学学报:理工版,2024,37(3):13-19.

[3] 刘圣超,左永越.钢纤维混凝土抗压强度预测方法研究[J].四川水泥,2024(2):10-12.

[4] 王振山,李浩炜,吴波,玄武岩纤维混凝土的耐碱腐蚀性及力学性能试验研究[J].应用力学学报,2019,36(05):1088-1095,1258-1259.

[5] 刘俊君,刘延波.玄武岩纤维对C30混凝土力学和抗氯离子渗透性能影响的试验研究[J].广东建材,2019,35(6):3-6.

[6] 詹奇淇,詹炳根.玄武岩纤维增强泡沫混凝土韧性及抗压强度试验研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2020,43(05):667-672.

[7] 詹丽萍.复掺聚丙烯纤维和玄武岩纤维对泡沫混凝土性能的影响[J].福建建材,2020(4):7-9.

[8] 王静文,王伟.玄武岩纤维增强泡沫混凝土响应面多目标优化[J].材料导报,2019,33(24):4092-4097.

[9] 刘灏,陈萍,谢富珍,玄武岩纤维对聚乳酸复合材料结晶性能的影响[J].新余学院学报,2022,27(5):1-8.

[10] 杜杰贵,王雄锋,陈波,纤维混杂超高性能混凝土流动性与抗压强度研究[J].施工技术:中英文,2023,52(15):73-78.

[11] 潘华清,董晨,吴春芳.改性玄武岩纤维对聚丙烯复合材料的性能影响[J].塑料科技,2020,48(12):27-31.

[12] 汪鑫.玄武岩-剑麻混杂纤维混凝土力学性能及耐久性研究[D].合肥:安徽理工大学,2022.

[13] 沈华艳,谢东,刘海露,玄武岩纤维生物质资源在复合材料领域的研究进展[J].现代化工,2019,39(7):52-55.

[14] 赵文辉.高速铁路泡沫轻质混凝土路基结构性能及施工技术研究[D].成都:西南交通大学,2018.

[15] 王秀丽,潘旭宾,吴征.稻草纤维增强泡沫混凝土物理力学性能试验研究[J].土木与环境工程学报:中英文,2024,46(3):189-197.

[16] 任大鹏.高强度聚丙烯纤维泡沫混凝土的制备及抗蚀性能分析[J].功能材料,2023,54(10):10200-10206.