1、纤维增强泡沫混凝土的研制与性能纤维增强泡沫混凝土的研制与性能Development and Properties of Foamed Concrete with Fiber Reinforcement 作 者 姓 名 林 兴 胜 学 位 类 型 学 历 硕 士 学 科、专 业 结 构 工 程 研 究 方 向 高性能混凝土 导 师 及 职 称 詹炳根 副教授 2007年5月合 肥 工 业 大 学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：（工作单位、职称） 主 席：完海鹰，合肥工业大学土建学院，教授委 员：孙道胜，安徽建筑工业学院，教授 方诗圣，合肥
2、工业大学土建学院，教授导 师：詹炳根，合肥工业大学土建学院，副教授 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：林兴胜 签字日期：07 年 6月 9日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁
3、盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文者签名：林兴胜 导师签名：詹炳根 签字日期： 07年 6月 9日 签字日期：07年6月9日学位论文作者毕业后去向：工作单位： 电话：通讯地址： 邮编：纤维增强泡沫混凝土的研制与性能摘要本文采用聚丙烯纤维、耐碱玻璃纤维和高强高弹模聚乙烯醇纤维（简称PVA纤维）研制了纤维增强泡沫混凝土，测试了纤维泡沫混凝土密度、强度、韧性、变形、热工等性能，研究并分析了纤维种类、纤维体积率以及水灰比、砂子细度
4、等对各种性能的影响。采用图像分析方法测定了泡沫混凝土孔隙率、孔面积、孔径分布、孔形貌、孔空间排列状况等孔结构参数，分析了孔结构与各性能之间的关系。水灰比从0.5增大到0.75时，泡沫混凝土密度减小，孔隙率和孔径增大，孔形貌得到改善，导热系数和强度降低。磨细砂可以使泡沫混凝土孔径减小，改善孔形貌。三种纤维均可以提高泡沫混凝土料浆稳定性，减少泡沫破裂，从而减小纤维泡沫混凝土的密度和孔径，增大孔隙率，改善孔形貌。当泡沫用量不变时，随着纤维掺量增大，孔隙率增大，纤维泡沫混凝土的导热系数和强度相应降低。但是当纤维泡沫混凝土的密度相同时，玻璃纤维和PVA纤维可以增大泡沫混凝土抗折强度，而聚丙烯纤维则没有这
5、种效果。掺入体积率为1.6%的玻璃纤维使抗折强度提高143%，同时使其韧性指数提高8.1倍，而导热系数变化不大。同时，三种纤维对泡沫混凝土干燥收缩有较好的抑制作用。研究结果表明，掺加一定种类和数量的纤维可以优化泡沫混凝土结构，克服泡沫混凝土的缺点和不足，得到综合性能优异的墙体材料。关键词：聚丙烯纤维；玻璃纤维；聚乙烯醇纤维；泡沫混凝土；性能；孔结构Development and Properties of Foamed Concrete with Fiber ReinforcementAbstractA fiber reinforced foamed concrete was develope
6、d that contains polypropylene fibers, alkali-resistant glass fibers or high strength and high modulus of elasticity Polyvinyl Alcohol (PVA) fibers. The influence of material factors, such as fiber volume fractions, water-cement ratio and sand fineness, on the properties of foamed concrete which incl
7、udes density, strength, deformation and thermal conductivity, were investigated. The parameters of pore structure, such as pore porosity, pore area, pore diameter, pore morphology and pore position, were measured with image processing systems, and the relations between pore structure and the propert
8、ies were analyzed. When the water-cement ratio increases from 0.5 to 0.75, the density of foamed concrete is decreased; the porosity and pore diameter are increased; the pore morphology is improved; the strength and thermal conductivity are decreased accordingly. Grinded sand can be used to reduce t
9、he pore diameter, and improve pore morphology. The three fibers can reduce foam breakage and enhance the stability of fresh foamed concrete. So the density and pore diameter of fiber foamed concrete decrease, and porosity increases. And the three fibers also can improve pore morphology. When the foa
10、m volume remain the same, the strength and thermal conductivity decrease with the fiber volume fraction increases as a result of the increase in porosity. But when the density of fiber foamed concrete are the same, the fibers can enhance the flexural-tensile strength of foamed concrete except polypr
11、opylene fibers. When the glass fiber volume fraction is 1.6%, the flexural-tensile strength increases by 143%, and its flexural toughness index is enhanced by 8.1 times, while the thermal conductivity keeps little change. Moreover, the three fibers decrease the dry shrinkage of foamed concrete. The
12、results show that incorporating certain types and quantities of fiber can optimize the structure and overcome the deficiencies of foamed concrete to get a wall material with integrated high-performance.Keywords : Polypropylene fiber; Glass fiber; PVA fiber; Foamed concrete; Properties；Pore structure
13、;致谢本文是在导师詹炳根副教授的悉心指导下完成的。在学习和撰写论文期间，詹老师为我提供了良好的学习环境和许多宝贵的资料，对本论文的撰写倾注了大量的心血。詹老师不仅使我学到扎实的专业知识，导师博学、严谨的治学态度和诲人不倦的无私精神都给我留下深刻印象并产生巨大影响，使我在今后的学习、工作和生活中受益终身。我会不断进取、刻苦学习，不辜负导师的期望和教诲。衷心祝愿詹老师身体健康！特别感谢建材实验室李鹤老师对实验工作的全力支持！感谢师兄张青峰、师弟郭建雷、王锐、师妹姚春梅提供的无私帮助！感谢实验室的黄静、王纪娟助理在整个实验制备过程中的热心帮助！感谢其他所有给予我帮助的老师和同学们!感谢我的家人多年来
14、的辛勤养育与默默支持，培养我走上成才之路。衷心祝愿父母和所有家人身体健康、生活愉快！再次感谢所有的老师、同学和朋友！没有他们的帮助，试验无法顺利完成。祝愿大家身体健康、工作顺利！作者：林兴胜二零零七年五月于合肥目录第一章 前言 11.1 课题研究的意义 11.1.1 保温隔热材料在建筑中的作用及其在国民经济中的地位 11.1.2 保温隔热材料的种类及存在的问题 21.1.3 泡沫混凝土作为保温隔热材料的优缺点 31.1.4 纤维泡沫混凝土的研究意义及可行性 41.2 课题在国内外的研究现状 51.2.1 泡沫混凝土研究应用现状 51.2.2 纤维影响墙体材料性能的研究现状 71.2.3 纤维泡
15、沫混凝土的研究应用现状 81.3 本文的研究目的及主要内容 8第二章 纤维对水泥基材料的复合改性作用 102.1 概述 102.2 影响纤维与水泥基材复合增强作用的要素 112.3 纤维增强水泥基复合材料限制收缩时纤维的阻裂作用 122.4 纤维增强水泥基复合材料的韧性 14第三章 原材料及试验方案设计 153.1 原材料 153.2 试验方案设计 163.2.1试验方案设计 163.2.2试验配合比 173.3 试验方法 173.3.1 泡沫的制备 173.3.2 密度和吸水率试验 183.3.3 力学性能试验 183.3.4 干燥收缩 183.3.5 导热系数试验 183.3.6 泡沫混凝
16、土制备工艺 18第四章 纤维泡沫混凝土的孔结构 204.1 孔结构测量原理 214.2 各种因素对平均孔径、孔隙率的影响 214.3 各种因素对孔结构的影响 224.3.1 孔面积分布 224.3.2 孔径分布 254.3.3 孔形貌分布 274.3.4 孔形心位置分布 314.4 本章小结 33第五章 纤维泡沫混凝土的各项性能 345.1 非等密度系列纤维泡沫混凝土的性能 345.1.1 试验结果 345.1.2 密度 355.1.2.1 水灰比和砂子细度对泡沫混凝土密度的影响 355.1.2.2 纤维对泡沫混凝土密度的影响 355.1.3 力学性能 365.1.3.1 混凝土的强度 365
17、.1.3.2 水灰比和砂子细度对泡沫混凝土力学性能的影响 375.1.3.3 纤维对泡沫混凝土力学性能的影响 385.1.4热工性能 395.1.4.1 水灰比和砂子细度对导热系数的影响 405.1.4.2 纤维对导热系数的影响 415.1.5 吸水率 415.2 泡沫混凝土的密度与力学性能和导热系数的关系 425.2.1 泡沫混凝土干燥密度与其力学性能的关系 425.2.2 泡沫混凝土干燥密度与其热工性能的关系 435.3 等密度玻璃纤维泡沫混凝土的性能 445.3.1 试验结果 445.3.2 力学性能 445.3.3 韧性 445.3.4 热工性能 465.4 纤维增强泡沫混凝土的干燥收
18、缩 475.4.1 试验结果 475.4.2 纤维对泡沫混凝土干燥收缩的影响 485.4.3 纤维阻滞泡沫混凝土干燥收缩机理 485.5 本章小结 49第六章 研究结论与展望 506.1 本课题的研究结论 506.2 本课题的创新之处 506.3 本课题的后续研究 51参考文献 52插图清单图2.1 纤维增强水泥基复合材料中纤维对水泥基材的阻裂机制 10图2.2 素混凝土与纤维混凝土在限制收缩时裂缝情况的对比 13图3.1 泡沫混凝土制备流程工艺 19图4.1 泡沫混凝土中的孔 21图4.2 经软件处理后的孔 21图4.3 不同水灰比系列孔面积分布柱状图 23图4.4 不同砂子细度系列孔面积分
19、布柱状图 23图4.5 玻璃纤维系列孔面积分布柱状图 24图4.6 PVA纤维系列孔面积分布柱状图 24图4.7 聚丙烯纤维系列孔面积分布柱状图 24图4.8 不同水灰比系列孔径分布柱状图 25图4.9 不同砂子细度系列孔径分布柱状图 25图4.10 玻璃纤维系列孔径分布柱状图 25图4.11 PVA纤维系列孔径分布柱状图 26图4.12 聚丙烯纤维系列孔径分布柱状图 26图4.13 不同水灰比系列孔形貌分布柱状图（a、b） 27图4.14 不同砂子细度系列孔形貌分布（a、b） 28图4.15 玻璃纤维系列孔形貌分布（a、b） 29图4.16 PVA纤维系列孔形貌分布（a、b） 29图4.17
20、 聚丙烯纤维系列孔形貌分布（a、b） 30图5.1 水灰比和砂子细度对泡沫混凝土干燥密度的影响 35图5.2 三种纤维对泡沫混凝土干燥密度的影响 36图5.3 水灰比对泡沫混凝土力学性能的影响（a、b） 37图5.4 砂子细度对泡沫混凝土力学性能的影响（a、b） 38图5.5 三种纤维对泡沫混凝土力学性能的影响（a、b） 39图5.6 水灰比和砂子细度对导热系数的影响 40图5.7 三种纤维对泡沫混凝土导热系数的影响 41图5.8 泡沫混凝土干燥密度对抗压强度的影响 42图5.9 泡沫混凝土干燥密度对抗折强度的影响 43图5.10 泡沫混凝土干燥密度对导热系数的影响 43图5.11 等密度玻璃
21、纤维泡沫混凝土力学性能 44图5.12 荷载挠度曲线（ASTM法） 45图5.13 等密度玻璃纤维泡沫混凝土抗弯荷载挠度曲线 46表格清单表3.1 水泥的化学成分、矿物组成（） 15表3.2 水泥的技术性能指标 15表3.3 聚丙烯纤维的物理力学性能 15表3.4 耐碱玻璃纤维的物理力学性能 15表3.5 高强高弹PVA纤维的物理力学性能 15表3.6 试验方案设计（一） 16表3.7 试验方案设计（二） 16表3.8 纤维泡沫混凝土的配合比（质量比，g） 17表4.1 孔的尺寸、名称及其测试方法 20表4.2 平均孔径、孔隙率测量结果 22表4.3 孔形心X坐标测量结果（%） 31表4.4
22、孔形心Y坐标测量结果（%） 32表5.1 非等密度系列泡沫混凝土的各项性能 34表5.2 等密度玻璃纤维泡沫混凝土的各项性能 44表5.3 玻璃纤维系列干燥收缩试验结果 47表5.4 PVA纤维系列干燥收缩试验结果 47表5.5 聚丙烯纤维系列干燥收缩试验结果 47表5.6 等密度玻璃纤维系列干燥收缩试验结果 48第一章 前言1.1 课题研究的意义目前，墙体材料改革与建筑节能己成为我国的基本国策，研制满足国家建筑节能规范的新型墙体材料，已成为材料科研工作者的使命。 泡沫混凝土是用机械的方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的浆体中，经混合搅拌、浇筑成
23、形、养护而成的一种多孔材料1-3。泡沫混凝土中具有大量封闭的细小孔隙，具有很好的保温隔热性能，可以用作墙体保温隔热材料。泡沫混凝土中可大量使用粉煤灰、矿渣、氧化铝赤泥等工业废料做填充材料。研究开发这种材料有利于保护环境和日益减少的土地资源，符合国家产业政策，意义重大，前景广阔4-6。1.1.1 保温隔热材料在建筑中的作用及其在国民经济中的地位材料是一切技术发展的物质基础。建筑材料更与人类的生存休戚相关。建筑保温隔热材料是节约能源、降低环境污染、提高建筑物居住和使用功能非常重要的一面。随着人民生活水平的逐步提高，人们对建筑物的质量要求也越来越高。因此作为建筑功能材料重要类型之一的建筑保温隔热材料
24、的地位和作用也越来越受到人们的关注和重视。能源问题是当前世界各国普遍重视的问题，并被列为人类面临的四大生存问题之一。随着各国工业化进程的发展，地球上可供人类利用的化石燃料资源日渐枯竭，能源危机的总趋势已不可避免。自1973年世界性的能源危机发生以来，人类从痛苦的经历中开始认识到，无节制地使用能源，必然会导致能源危机的加剧7。失去了能源支柱，人类文明就是无源之水，无本之木，可持续发展就无从谈起。解决能源危机的出路只有两条，即在开发新能源的同时注意节约能源，受科学技术发展水平的限制，新能源的开发在短期内尚难起到缓解能源供应紧张局面的作用，因此20世纪70年代以来，世界各国均投入大量的人力、物力进行
25、节能研究8-10。在全世界的能源消耗中，由于建筑耗能占人类总能耗的比例甚高（一般在30%40%），故世界各国又将建筑节能列为节能工作的重点11。同时其造成的环境污染同样不可忽视。近年来，地球上温室效应、酸雨、厄尔尼诺现象、沙尘暴、水旱灾害频发，这一切都向人们揭示，过量燃烧矿物燃料所产生的污染正在危及人类的生存，建筑节能是改善大气环境所必需12。目前世界上众多有识之士已逐渐形成这样的共识，即建筑节能是事关拯救地球、拯救人类的大事。因此各发达国家目前制订的节能政策，都十分明确地以减少矿物燃料燃烧排放物为主要目标。在近20多年中，建筑节能在世界上成为人类关注的热点问题。我国由于以煤炭为主要能源，受煤
26、烟型污染危害则更加严重。近年来，虽在不断进行整治，但以城市为中心的环境污染势头并未得到有效控制。几个主要技术指标如总悬浮颗粒、降尘、二氧化硫和氮氧化物等的变化情况反映出，我国大气污染总的趋势是北方高于南方，采暖期高于非采暖期。故除工业用燃煤外，建筑采暖是造成大气污染的一个主要因素。随着城市化进程的发展，采暖建筑越来越多，取暖煤耗还会大幅增加，由烟尘和二氧化碳排放造成的环境污染的加剧不可避免。大幅降低建筑采暖能耗，是保证大气环境指标改善的有效途径之一13-14。有效地利用能源、节能降耗是摆脱能源危机的有效途径之一，建筑保温隔热则是节能的重要措施。建筑保温隔热材料是建筑节能的物质基础，性能优良的建
27、筑保温隔热材料和保温隔热技术，在建筑中往往可以起到事半功倍的效果。据粗略统计，近年来我国采暖地区城镇新采暖住宅建筑面积平均为1108m2/年，若所有的新建建筑均达到节能50%的指标，则每年可节约采暖用煤1500kt标准煤，并可相应减少SO2排放量127kt，烟尘6550kt，灰渣2170kt。10年可累计节约用煤8250kt。因此开发研制适合我国国情的高效保温隔热材料、大力推广节能建筑，贯彻节能标准对节约采暖能耗、保护环境、保持我国国民经济的持续高速发展具有重要意义15-16。1.1.2 保温隔热材料的种类及存在的问题目前，我国使用的保温材料主要包括以下几种17： 泡沫型保温材料：泡沫型保温材
28、料主要包括两大类，聚合物发泡型保温材料和泡沫石棉保温材料。聚合物发泡型保温材料具有吸收率小，保温效果稳定，导热系数低，在施工中没有粉尘飞扬，易于施工等优点，正处于推广应用时期。 硅酸盐保温材料：复合硅酸盐保温材料具有可塑性强、导热系数低、耐高温、浆料干燥收缩率小等特点。主要种类有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合保温材料等。而近年出现的海泡石保温隔热材料作为复合硅酸盐保温材料中的佼佼者，由于其良好的保温隔热性能和应用效果，已经引起了建筑界的高度重视，显示了强大的市场竞争力和广阔的市场前景。 硅酸钙绝热制品保温材料：硅酸钙绝热制品保温材料在80 年代曾被公认为块状硬质保温材料中最好的一种，其特点是密度小、
29、耐热度高，导热系数低，抗折、抗压强度较高，收缩率小。但进入 90年代以来，其推广使用出现了低潮，主要原因是许多厂家为了解决无石棉问题而采用纸浆纤维，但由于纸浆纤维不耐高温，由此影响了保温材料的耐高温性和增加了破碎率，且不经济。 纤维质保温材料：纤维质保温材料在80年代初占有较大的市场份额，是因为其优异的防火性能和保温性能，主要适用于建筑墙体和屋面的保温。但由于投资大，生产厂家不多，限制了它的推广使用。轻质保温砌块：轻质保温砌块具有自重轻、施工快、保温效果好等特点。特别是利用粉煤灰等工业废渣生产的砌块，不但降低了产品成本，使废物得到利用，并且减少了对环境的污染。随着框架结构建筑的普遍采用，使其共
30、同构成外保温复合夹心墙体，轻质保温砌块的生产与应用得到迅猛发展。1.1.3 泡沫混凝土作为保温隔热材料的优缺点泡沫混凝土的结构决定了它具有以下优点18：轻质，泡沫混凝土密度小，密度等级一般为3001800 kg/m3，常用泡沫混凝土密度等级一般为3001200 kg/m3。近年来，由于建筑设计的需要，密度为160 kg/m3的超轻泡沫混凝土也得到了应用，并发挥了很好的作用。采用泡沫混凝土作为墙体屋面材料可以大大减轻建筑物自重，增加楼层高度，实现建筑的高层化，从而节约建筑占地面积。同时，也就可以减少建筑物对地基的压力，减小建筑物基础、梁、柱等结构的尺寸，可以节约建筑材料和工程费用，大幅度减少工程
31、量，缩短工期。同时泡沫混凝土建筑具有更好的抗震性能。近年来，国内外不断研究用泡沫混凝上制备各种板材、各种块材及装饰性建筑构件与制品等，为建筑业提供了轻质多功能的高性能建筑材料。热工性能优越，由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙，因此具有良好的热工性能，即良好的保温隔热性能，这是普通混凝土所不具备的。通常密度等级在3001200kg/m3范围的泡沫混凝土，导热系数在0.080.3 W/(m.K)之间，而普通混凝土、黏土砖和玻璃的导热系数分别为1.5、0.81、0.75 W/(m.K)。所以说采用泡沫混凝土作为墙体材料，建筑物具有更好的保温隔热效果，从而达到节能的目的。隔音耐火性能良好，泡沫混凝土属多孔材料，因此它也是一种良好的隔音材料, 在建筑物的楼层、地下建筑物的顶层等可采用该材料作为隔音层，也可用作高速公路的隔音板，大大减小噪声对建筑的影响，改善了居住环境。泡沫混凝土是无机质材料，不会燃烧，从而具有良好的耐火性，在建筑物上使用，可提高建筑物的防火性能。大量利用工业废渣，泡沫混凝土所利用的固体废弃物十分广泛，包含了大多数的固体废弃物，例如，粉煤灰、煤渣、煤矸石、矿渣、秸秆粉、锯末、废纤维、矿
