高性能纤维增强水泥基复合材料及其墙材制品性能试验研究

摘要：制备了一种以高性能纤维增强水泥基复合材料为壳体、泡沫混凝土为芯体的新型复合墙板，并对其力学性能、热工性能进行了研究。结果表明：随着纤维掺量的增加，复合墙板的3d、7d和28d抗折强度明显增加，7d和28d抗折强度均能达到20MPa以上，极限抗弯荷载系数为9.0；空心墙板的力学性能与复合墙板基本一致；空心墙板的传热系数较高，为3.20W/（m2·K），复合墙板的传热系数最低，为0.82W/（m2·K）。

关键词：高性能纤维增强水泥基复合材料；泡沫混凝土；力学性能；热工性能

0前言

高性能纤维增强水泥基复合材料是以水泥浆或砂浆为基体，以纤维为增强材料的复合材料。与普通混凝土材料相比，高性能纤维增强水泥基复合材料具有高延性、高耐久、裂缝宽度小且裂缝能够自愈合等特点，可显著改善混凝土结构的抗震性能和抗剪性能，在缓解混凝土脆性开裂的同时，也能够很好地应对工程中混凝土结构强度、耐久性不足的问题。近年来，建筑工程对混凝土力学性能和耐久性能的要求越来越高，高性能纤维增强水泥基复合材料得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。

在我国，建筑物耗能总量占社会总能耗的1/3左右，通过围护结构损失的能量占建筑使用消耗能量的2/3左右，降低建筑围护结构的能耗是解决建筑节能问题的关键。国内外许多研究人员相继提出了一些新型墙板，如木复合墙板、石膏复合墙板、轻质钢骨隔墙等。但是，上述墙体在使用过程中存在力学性能差、保温效果不佳等问题，导致墙板安装后易开裂、隔热保温性能不好。泡沫混凝土作为一种轻质多孔的无机材料，具有保温、防火以及隔音的优点，将其作为复合墙板的芯体材料优势明显。本文基于高性能纤维增强水泥基复合材料和泡沫混凝土的性能特点，设计一种新型复合墙板，通过挤压注浆工艺制备空心率≥65%的空心墙板，再在空心墙板内浇筑泡沫混凝土制得复合墙板，研究高性能纤维增强水泥基复合材料及其墙材制品的力学性能和热工性能。

1试验概况

1.1主要原材料

水泥：峨胜水泥集团股份有限公司提供的P·O42.5R级水泥，比表面积m2/kg。

硅灰：半加密硅灰。

粉煤灰：四川宜宾发电厂提供的Ⅰ级粉煤灰。

粉煤灰微珠：安徽友胜建材科技集团有限公司生产的Ⅰ级微珠。

减水剂：自制聚羧酸类高性能减水剂，减水率为35%，固含量为50%。

消泡剂：圣消洛消泡剂。

纤维素醚：羟丙基甲基纤维素（HPMC）。

纤维：四川维尼纶厂生产的PVA短纤维，直径39μm，长度6mm，抗拉强度MPa，伸长率8%，密度1.3g/cm3，弹性模量35.0GPa。

水泥、硅灰、粉煤灰、粉煤灰微珠的化学组成如表1所示。

1.2复合墙板的构造形式及制备方法

墙板的组成部分如表2所示，构造形式如图1、图2所示。

1.3检测与表征方法

高性能纤维增强水泥基复合材料及墙板的力学性能、流变性能测试按照GB/T—《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》、JC/T—《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》进行，抗压、抗折试件尺寸为40mm×40mm×mm，弹性模量试件尺寸为mm×mm×mm。泡沫混凝土芯材性能测试按照JG/T—《泡沫混凝土》进行，力学性能、吸水率试件尺寸为mm×mm×mm，导热系数试件尺寸为mm×mm×30mm。

依据GB/T—《建筑构件稳态热传递性质的测定标定和防护热箱法》，采用WTRZ-系列稳态热传递性能试验机测试墙体的传热性能，试件尺寸为mm×mm×mm。

2试验结果与分析

2.1高性能纤维增强水泥基复合材料基材的性能

经过大量的试配试验发现，当水胶比为0.20时，高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能较佳（抗压强度≥80MPa、抗折强度≥20MPa），且流动性良好。为了确定纤维的最佳掺量，设计纤维掺量为1.0%、1.5%、2.0%，高性能纤维增强水泥基复合材料的配合比见表3，试验水胶比为0.2。

2.1.1纤维掺量对新拌浆体流变性能的影响

使用ICARPLUS型混凝土流变仪测试浆体的屈服剪切应力和黏度，结果见图3。由图3可知，当纤维掺量从1.0%增至2.0%时，黏度先减小后增加，屈服应力则持续增长。原因是在搅拌过程中，水泥基浆体开始运动时不仅要克服自身的屈服剪切应力，还要克服纤维对水泥基浆体的阻力作用。当纤维掺量较低（1.5%以内）时，纤维产生的阻力远小于搅拌对浆体流动性的促进作用，对浆体的黏度影响小；当纤维掺量超过1.5%时，纤维产生的阻力使得浆体的流动性变差，黏度逐渐增加。此外，随着纤维掺量的增加，纤维对水泥基浆体产生的拉扯力越大，从而提高了体系整体的屈服剪切应力。

2.1.2纤维掺量对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响

图4~图7为高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能测试结果。

由图4可知，随着纤维掺量的增加，试件的3d、7d、28d抗折强度明显增加，且当纤维掺量为2.0%时，7d和28d抗折强度均能达到20MPa以上。

由图5可知，随着纤维掺量的增加，试件的3d、7d、28d抗压强度均呈先增大后减小的趋势，说明纤维掺量过高会对抗压强度产生不利影响；当纤维掺量为1.5%时，抗压强度最大。

由图6可知，随着纤维掺量的增加，试件的折压比增大；随着养护龄期的延长，折压比降低。

由图7可知，随着纤维掺量的增加，试件的弹性模量增幅较小，说明纤维掺量对弹性模量的影响较小。

综合考虑高性能纤维增强水泥基复合材料的各项性能，确定PVA纤维的最佳掺量为1.5%。

一般说来，泡沫混凝土的密度等级越低，28d抗压强度和导热系数越低，但体积吸水率越高。因此，综合考虑经济成本和保温性能，低密度等级的泡沫混凝土更适合用作复合墙板的芯体材料。本文选用市场上kg/m3的泡沫混凝土作为空心墙板的填充芯材，其各项性能检测结果如表4所示。

2.2高性能纤维增强水泥基复合墙板性能研究

2.2.1力学性能

墙材在服役过程中需要考虑其抗压强度及抗弯性能。因此，本文测试了空心墙板和复合墙板的28d抗压强度及抗弯性能。

（1）抗压性能

抗压强度测试时，受压方式分为板面受压和纵向受压两种，加载方式和破坏位置如图8所示，抗压强度测试结果见表5。

由图8和表5可知，板面受压与纵向受压破坏位置均在面板与肋板相接位置，且破坏裂缝均沿板长度方向发展，复合墙板与空心墙板抗压受力时的破坏位置相同，说明该位置为受力时的应力集中位置，是板材结构的受力薄弱点。以JF2组为例，可知：墙板抗压强度远低于基材抗压强度，板面抗压强度约为基材抗压强度的14%，纵向抗压强度约为基材抗压强度的18%。

（2）抗弯性能

图9为抗弯性能测试过程，测试结果见表6。

由图9和表6可知，空心墙板的极限均布抗弯荷载略高于复合墙板。采用密度为kg/m3的泡沫混凝土作为芯体材料时，复合墙板的极限均布抗弯荷载为N/m2，挠度为5.12mm，极限抗弯荷载系数为9.0，抗弯性能优异。

2.2.2热工性能

建筑围护结构时刻受到室内外的热作用，不断有热量通过围护结构传递。随着季节更替，外界热作用也随时间呈周期性变化，围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量也会发生变化。在建筑围护结构中，外墙是与室外环境接触最多的外围护结构，其保温隔热性能直接影响建筑能耗的大小。为此，本文针对复合墙板的传热过程及其数学模型进行研究，分析两种或多种材料复合时墙板传热性能的计算方式。

（1）测试结果

空心墙板和复合墙板的传热系数测试结果如表7所示。由表7可知，空心墙板的传热系数高达3.07W/（m2·K），与之相比，复合墙板的传热系数明显降低，为0.74W/（m2·K）。根据GB—《公共建筑节能设计标准》可知，复合墙板的厚度为mm时，可实现夏热冬冷地区公共建筑外墙传热系数的要求。

（2）计算结果

在墙板热工理论计算中，主要用传热组R0、传热系数K来评价墙板的保温隔热性能。热阻R是评价墙板本身或其中某层材料阻抗传热能力的物理量,传热阻R0是评价墙板阻抗传热能力的物理量，其为传热系数K的倒数。

本试验的空心墙板和复合墙板均由两种或两种以上材料组成，其中，不同材料的传热阻R可查阅GB—《民用建筑热工设计规范》，通过计算所得，平均热阻按式（1）计算：

式中：——平均热阻，（m2·K）/W；

F0——与热流方向垂直的总传热面积，m2；

F1、F2···Fn——按平行方向与热流方向划分的各个传热面积，m2；

R0.1、R0.2···R0.n——各个传热面积部位的传热阻，（m2·K）/W；

Ri——内表面换热阻，取0.11（m2·K）/W；

Re——外表面换热阻，取0.04（m2·K）/W。

整个墙板的传热阻R0按式（2）计算：

传热系数是评价墙板保温性能的重要指标，空心墙板和复合墙板的传热系数K按式（3）计算：

墙板传热系数的计算结果如表8所示。由表8可知，空心墙板的传热阻较低，为0.（m2·K）/W，小于复合墙板传热阻的1/6；空心墙板的传热系数较高，为3.20W/（m2·K），复合墙板的传热系数较低，为0.82W/（m2·K），说明空心墙板填充泡沫混凝土后，其传热阻增加明显，保温性能得到提升。

结合表7、表8可知，复合墙板传热系数的计算结果与试验测试结果基本一致，说明可直接采用传热系数计算公式来计算墙板的传热系数，减少了测试工作量，提高工作效率。

3结论

（1）随着PVA纤维掺量的增加，高性能纤维增强水泥基复合材料的3d、7d、28d抗折强度明显增加，且7d、28d抗折强度均能达到20MPa以上，PVA纤维的最佳掺量为1.5%。考虑到墙板的成本和保温性能，建议选用密度等级为kg/m3的泡沫混凝土作为复合墙板的芯体材料。

（2）复合墙板的整体力学性能优异，纵向抗压强度≥15MPa，极限抗弯荷载系数为9.0。

（3）墙板传热系数计算结果与试验测试结果基本一致，可直接采用现有的传热系数计算公式来计算复合墙板的传热系数。

来源：《混凝土与水泥制品》年第7期

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