ZMQ纤维混凝土模卡节能防灾砌块的研究

[摘　要] 　研究了不同掺量ZMQ纤维、ZMQ防水黏结添加剂对ZMQ砌块的抗折、防裂、抗渗性、吸水率和热工性能的影响。探讨和分析了水泥基纤维复合材料抗折防裂、抗渗性、热工性能提高的机理。试验证明，掺ZMQ纤维和防水黏结剂能显著降低混凝土的脆性，提高混凝土抗折强度、抗渗性和热工性能。

[关键词] 　ZMQ砌块；纤维增强防裂；抗渗性；吸水率；热工性能 

研发出适合夏热冬冷地区气候特点，解决节能建筑节能不节钱、干缩开裂现象较多、“二次装修”困难等不足，是我们湖南大学衡阳分校建筑工程系ZMQ纤维混凝土模卡节能防灾砌块(以下简称“ZMQ 砌块”)课题组3年来致力探讨的课题。2003年10月，“纤维混凝土保温砌块技术预研究”列为上海市建设科研项目计划。

ZMQ砌块采取不燃材料膨胀珍珠岩作为保温材料，以期有效地控制火灾、热辐射和次生烟尘灾害。珍珠岩保温性能稳定，价格低廉，是一种较好的保温材料，但其吸水率大，不适宜应用于潮湿环境，并且膨胀珍珠岩混凝土存在抗拉强度低、极限应变小、抗冲击性差、脆性大、易开裂等缺点。为改善其抗折、抗剪、开裂、抗渗性、吸水率等特性，我们在该材料中掺加了ZMQ纤维、ZMQ防水黏结剂等材料组成了ZMQ砌块，该砌块很好地满足了其使用、施工环境和保温效果的性能要求。

1 　试验方法

纤维增强膨胀珍珠岩混凝土成型及抗压、抗折强度按GBJ81-1985普通混凝土力学性能试验方法。参照GB10303-1989膨胀珍珠岩绝热制品的技术要求和GB11969加气混凝土性能试验方法。

1.1 　实验设计思路

ZMQ砌块结构由表层结构和芯层结构组成，材料由水泥、膨胀珍珠岩、ZMQ防水黏结添加剂、ZMQ纤维、BY7减水剂、砂等组成。先经课题组反复实验，找出ZMQ砌块在干燥条件下满足抗压强度和保温性能的基本配合比(重量比)。表层结构层:水泥∶砂∶珍珠岩∶水∶减水剂= 1∶1.5∶0.48∶0.46∶0.0135。芯层结构层: 水泥∶珍珠岩∶水∶减水剂= 1∶1.23∶0.46∶0.0135。然后通过掺加ZMQ纤维、ZMQ防水黏结添加剂，改变表层结构层与芯层结构层的结合方式和结合厚度，设置公母榫镶砌结构来改善ZMQ砌块的抗折、抗剪、防裂、抗渗能力和吸水率，提高墙体整体刚度、环境适应性和热工性能，最后调整和确定产品的材料配比和生产工艺。

1.2 　试验用原材料

水泥：采用衡阳市水泥厂生产的湘江牌425号普通硅酸盐水泥。

膨胀珍珠岩：采用湖南冷水滩美迪实业公司产品，堆积密度180kg/m³，细度模数3.6，大于5mm的颗粒不超过5% ，压缩比1.5，热导率0.064～0.072W/(m·K) 。

细砂：采用衡阳市砂石场普通河砂，含泥量小于2%，细度模数2.2～1.6。ZMQ纤维:采用独特的三叶型横截面，经过接枝处理的改性聚丙烯纤维。白色单丝；相对密度0.91；长度2～30mm；纤度6～16D(当量直径0.02～0.1mm)；熔点165～173℃；抗拉强度>500MPa；断裂伸长率15%～25%；弹性模量>3800MPa；浓NaOH溶液、浓氨水、浓盐酸、浓硫酸、浓硝酸对其强度无影响；分散性:随机取0.1g纤维，投入到盛有300ml水的烧杯中，晃动烧杯，纤维均匀分散，无并丝、无缠绕，无结团。

ZMQ防水黏结剂：课题组自配，由有机硅氧烷、尿素和水玻璃等组成。

减水剂：采用岳阳白银化工生产的BY7型超早强减水剂，由甲基萘磺酸钠甲醛缩合物、增强剂等材料复合而成。

2 　ZMQ纤维增强实验

2.1 　实验方法及数据

2.1.1 　测定28d抗压、抗折强度。

表层结构层ZMQ拌合料基本配比保持不变，ZMQ纤维(长度5～8mm)掺入量(kg/m³)逐步增加(14组实验)，实验平均值如表1。玻璃等组成。

减水剂：采用岳阳白银化工生产的BY7型超早强减水剂，由甲基萘磺酸钠甲醛缩合物、增强剂等材料复合而成。

2.1.2 　测定抗渗性

抗渗性能参照GBJ82-1985规定进行，试件为上下底面直径各为175mm和185mm、高度为150mm的圆台体，试件养护方法同力学性能测定的立方体试件。基本配比掺1.5kg/m³ZMQ防水黏结剂，实验平均值如表2。

2.1.3 　抗裂观察实验

制作4组1200mm×1600mmZMQ纤维掺量(kg/m³ )分别为0、0.4、0.8、1.2的ZMQ砌体，120d观察，无ZMQ纤维掺入时砌体有裂纹；当ZMQ纤维掺入量超过0.8kg/m³砌块料时，所有ZMQ砌体均无裂纹产生。

2.2 　实验结果分析

a) 表1试验结果表明，当纤维含量从0.4kg/m³～2.0kg/m³，混凝土的抗压强度几乎没有变化，但抗折强度提高达25%。数值说明ZMQ纤维对强度的影响程度和纤维在混凝土中的体积率有关。课题组分析认为，之所以抗折强度提高幅度大于抗压强度提高幅度，原因在于混凝土脆性及自收缩等造成内部存在不同尺度的微裂缝，而微裂缝对抗折强度的影响远大于抗压强度；ZMQ纤维对抗折强度的影响可从纤维对混凝土结构内原生裂纹尺度的细化效应增强了混凝土介质的连续性、有机材料对振动波的吸收和ZMQ纤维钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使介质内的应力场更加连续和均匀几方面来理解。

b) 表2试验结果表明，随着ZMQ纤维掺量的增加，混凝土的渗透高度减小。课题组分析认为，由于纤维与混凝土之间握裹力极强，可以有效控制混凝土结晶体的位移；裂缝碰到邻近的微纤维时立即被阻挡，因而防止了裂缝的扩大；均匀分布在混凝土中的大量纤维降低了混凝土表面的析水，阻碍了集料的离析，从而使混凝土中直径为50～100nm的孔隙含量大大降低，可以极大地提高抗渗能力，同时大大增强混凝土的抗冻能力。

c) 抗裂观察表明，加入ZMQ纤维后，抗裂能力提高，可有效控制面层不产生大于0.2mm的有害裂缝。课题组分析认为，由于ZMQ纤维与水泥基料的结合力极强，易于充分混合，在混凝土内部形成多向分布的支撑体系，该体系有助于减弱混凝土的塑性收缩及冻融时的张力，而收缩时的能量被混凝土中大量的高强ZMQ纤维所吸收，有效的增强了混凝土的韧性及延性，有效释放温度应力，提高了抗变形能力，抑制其微裂缝的产生与发展。同时，砌筑采用ZMQ胶泥，无湿化作业，有利于避免因湿胀率大于干缩率几乎一倍而使砌块墙体出现的收缩裂缝。

3 　ZMQ防水黏结剂效果实验

3.1 　实验方法及数据

制作ZMQ芯层材料100mm×100mm×100mm试件，标准养护28d后，在105～110℃下烘至恒重称重，放入20+5℃水中浸泡48h后取出擦干称重。测试掺加ZMQ防水黏结剂对ZMQ混凝土吸水率的影响。实验平均值如表3。

3.2 　实验结果分析

表3试验结果表明，掺加适量的ZMQ防水黏结剂可以降低ZMQ砌块的吸水率。当ZMQ防水黏结剂掺量为1.5kg/m³时，ZMQ芯层材料吸水率≤10% ，课题组分析认为，膨胀珍珠岩性能稳定，价格低廉，是一种较好的保温材料，但其吸水率大，不适宜应用于南方潮湿环境；ZMQ防水黏结剂能使珍珠岩表面形成防水薄膜；ZMQ防水黏结剂有微膨胀作用，有利于补偿混凝土自收缩，抑制其微裂缝的产生与发展；与拒水性好的表层结构层配合，ZMQ砌块在南方潮湿环境下，能保持良好的防水保温效果，同时又有较好的透汽性。

4 　ZMQ砌块热工性能

4.1 　计算方法及数据

课题组以位于北纬24°39～30°08′之间的湖南省气候特征参数作为研究依据，采用以18 ℃为基准的采暖度日数HDD18，以26℃为基准的空调度日数CDD26。

依据《民用建筑热工设计规范》GB50176-1993及《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ26-1995，课题组对ZMQ主砌块墙体构造及热工计算参数的最终实验取值为，外结构层:导热系数λ=0.58W/(m·K)，厚度15mm；芯层结构层:λ=0.102W/(m·K)，厚度120mm；内结构层:λ =0.58W/(m·K)，厚度15mm；内侧水泥砂浆:λ=0.93W/(m·K)，厚度5mm。

ZMQ 砌块热工计算：

a) 外结构层15mm+芯层结构层120mm+内结构层15mm+两侧水泥砂浆各5mm传热系数：

K_p1 = 1/(R_i +ΣR_P +R_e)

= 1/(0.11+0.005/0.93+0.015/0.58+0.12/0.102+0.015/0.58+0.005/0.93+0.04)

= 0.72W/(m²·K)

b) 结构“热桥”150mm传热系数:

K_p2 = 1/(R_i+ΣR_P+R_e)

= 1/(0.11+0.005/0.93+0.15/0.58+0.005/0.93+0.04)

= 2.38W/(m²·K)

c) ZMQ砌块墙体计权传热系数K

K = 0.72×0.923+2.38×0.077

= 0.85W/(m²·K)

4.2 　结果分析

计算结果表明， ZMQ砌块墙体平均传热系数K≦0.85W/(m²·K)，小于外墙传热系数限值1.5 W/ (m²·K)，满足建筑节能65%的要求。课题组实际测试数据和DOE22程序能耗分析结果表明，当改变围护结构传热系数K 时，随着K值的减小，能耗指标的降低并非按线性规律变化。当外墙平均K值降为1W/(m²·K)时，再减小K值对降低建筑能耗的作用已不明显。在非稳态传热的条件下，还应该用高强、高密度ZMQ纤维保温混凝土表层的设计来满足抵抗温度波和热流波在建筑围护结构中传播能力的热惰性指标。ZMQ砌块采用预成球双嘴三料一次性复合成型技术，重要的是形成保温混凝土表层与保温混凝土芯层均匀渐变和有机结合，提高ZMQ 砌块的强度，另一方面使墙体达到隔声指数≧45db(二级)的标准要求，还满足墙体拒水性与透气性设置，提高墙体的耐冻融、耐侯能力。

5 　几点结论

a) 普通膨胀珍珠岩混凝土由于其脆性、自收缩开裂和内部微裂缝使其抗折强度增长小于抗压强度增长，使后期强度和耐久性能有可能下降。ZMQ纤维掺量为2kg/m³时，可以提高抗折强度25 %以上。

b) ZMQ防水黏结剂能使珍珠岩表面形成防水薄膜；防水黏结剂的微膨胀作用，有利于补偿混凝土自收缩，抑制其微裂缝的产生与发展，当其掺量为1.5 kg/m³时，ZMQ砌块材料吸水率≤10%，在南方潮湿环境下，能保持良好的防水保温效果。但当其掺量达到一定比例后，防湿效果不再明显增加。

c) 课题组的综合研究证明，可以通过掺加ZMQ纤维、ZMQ防水黏结添加剂，改变表层与芯层结构层的结合方式和结合厚度，设置镶砌结构等多项手段来改善ZMQ砌块的抗折、防裂、抗渗能力和吸水率，提高墙体整体刚度、环境适应性和热工性能。

参考文献

1 　建设部. 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准，JCJ134-2001

2 　朱盈豹编著. 保温材料在建筑墙体节能中的应用. 北京:中国建材出版社，2003

3 　谢朝学. 利用“三废”制轻型保温隔热建筑材料. 安全与环境工程，2004，(3)

4 　高丹盈，B.Brahim. 纤维聚合物筋混凝土的粘结机理及锚固长度的计算方法.