浅析水泥基珍珠岩吸声板开裂原因及防治措施

1浅析水泥基珍珠岩吸声板开裂原因及防治措施孔飞1、潘钢华2、郭雷3(1从事吸声材料制作的工程师；2东南大学材料科学与工程学院教授副院长；3安徽建筑工业学院材化学院在读硕士研究生)摘要：通过正交试验分析了骨料种类、乳液和纤维掺量对水泥基珍珠岩吸声材料的容重、抗压、抗折强度、线性收缩率的影响，其中骨料性能是影响水泥基珍珠岩吸声材料性能的主要因素，选择吸水率低、筒压强度高的轻骨料，是提高产品内聚力、降低产品收缩值，防止产品开裂的最佳方式。在骨料材质一定的前提下，可以通过调试配方，如在配方中增加纤维、乳液等增加产品内聚力，同时选择适当的产品尺寸和固定方式，也可以有效防治产品开裂。关键词：骨料种类、产品宏观尺寸、固定方式、裂纹Abstract:Theeffectsofaggregatetypes、latexandfiberconcentrationoncracksofpearliteporeconcretewereinvestigatedwithorthogonalexperimentmethod,theresultsshowthataggregatetypesisthemoreimportantcausesonthecrack,asthemorepress-tubestrengthandthelesswaterabsorptionoflightaggregate,thebetteradhesivestrengthofmaterial.Theinfluenceofplatesizeandfixedmethodoncrackhaveanalyzedwithsinglefactormethodonconditionofthesameaggregatetype.Itconcludedthatthecrackcanbeavoidednoonlybyaddedlatexandfiber,butbyoptimizeproperproducesizeandfixedmethods.Keywords:aggregatetype、planesize、fixedmethod、crack0、引言珍珠岩类水泥吸声材料现常用于铁路沿线声屏障中，该类材料具有吸声系数较高、耐久性、美观等诸多优点，但该材料的主要骨料一般为膨胀珍珠岩材质，由于膨胀珍珠岩开孔率高和吸水率高、密度低的特点，易造成一般水泥类材料类似珍珠岩保温砂浆的质量通病：开裂、空鼓等。经试验验证发现：珍珠岩吸声板具有规律性的开裂特征，且垂直于板材长度方向形成通长裂纹，裂纹宽度逐渐增大最终形成裂缝。本文重点对水泥珍珠岩吸声材料开裂性能的影响因素进行了初步分析，对配比中的轻骨料种类、产品宏观尺寸、固定方式进行了正交试验，总结了裂纹的防治措施，为制作、选用类似材料提供参考。1、珍珠岩材料产生裂纹的机理分析根据裂纹产生的原因分为荷载裂纹、变形裂纹及其他物理或化学变化产生的裂纹。其中荷载裂纹是由于混凝土结构承受各种荷载后产生的裂纹；变形裂纹则是因环境温度、湿度变化、混凝土结构内部温湿度或水分变化使其变形而产生的裂纹，包括塑性裂纹、温度裂纹、干燥收缩裂纹、自收缩裂纹及碳化收缩裂纹；物理化学裂纹是由于物理或化学变化产生的裂纹，如碱骨料反应裂纹、钢筋锈蚀裂纹等。一般长×宽为500mm×500mm的珍珠岩吸声板在五点法施工（具体施工方式见下文）前提下开裂现象为：开裂现象一般产生在后期使用过程中，大多在施工完毕后3个月左右，朝阳面开裂几率大于背阳面；裂纹特征为垂直于板材长度方向形成裂纹，长度随着时间逐渐延伸至贯穿，裂纹宽度逐渐增大最终形成裂缝；而三点法施工或产品包装箱内则没有发现裂纹。所以可以初步排除化学单因素裂纹，引起珍珠岩多孔混凝土膨胀或收缩因素有：温度变化的热胀冷缩，水分蒸发后的塑性收缩或干燥收缩，以及混凝土碳化形成的碳化收缩。（从开裂时间）根据开裂时间的不同可以定为干燥收缩裂纹、化学收缩以及荷载裂纹。由于干燥收缩裂纹、化学收缩以及荷载裂纹有以下几个特点：2（1）干燥收缩裂纹：珍珠岩多孔混凝土停止浇水养护后，在环境湿度或温度变化较大的情况下,体系中的吸附水及毛细管便会逐渐蒸发，毛细管产生了内缩压力，引起体积缩小。或体系吸水达到过饱和则会产生体积膨胀。在自然天气条件下，这种交替循环加剧了产品的收缩开裂。其裂纹出现如下特征[4]：常出现在湿度差较大的部位，如表面系数较大的板式或壁式结构表面，大多为表面裂纹；出现时间从混凝土硬化到期龄数年的较长时间内；裂纹走向多为长条形混凝土结构的垂直方向，裂纹相互平行，间隔距离比较均匀，也有斜裂纹或不规则的干缩裂纹。(2)化学裂纹主要为碳化收缩裂纹和碱骨料裂纹，其中碳化裂纹是混凝土在长期使用过程中，水化产物中的Ca(OH)2与空气中的CO2作用生成了CaCO3，碳化不但使混凝土的碱性降低，失去保护钢筋的作用，而且伴有体积缩小，形成碳化收缩。碱骨料裂纹是混凝土中的碱性物质同珍珠岩(富硅物质)中的SiO2发生反应而引起的体积变化，从而引发的裂纹。(3)荷载裂纹特征[4]：出现部位—多出现在混凝土结构的尺寸变化处，荷载不同的两结构连接处以及不同结构类型的两结构连接处，其中由于地基不均匀沉降而引起的沉降裂纹多发生在门窗薄弱部位；出现时间—加荷后较长时间，其中因地基沉降生成的裂纹可持续数年；裂纹走向一般沿荷载方向，如梁底的横向裂纹，或梁端的剪切斜裂纹。所以水泥珍珠岩吸声板开裂为干燥收缩裂纹、化学收缩以及荷载裂纹共同作用的结果。三点法施工，裂纹没有出现可以判定荷载是裂纹出现的直接原因，而水泥珍珠岩吸声板高吸水率、高收缩值则是开裂的根本原因。2、试验方法2.1物理力学试验影响水泥制品开裂的因素很多，一般控制裂纹途径有：对原材料优选、配比优化、养护条件控制、改善产品后期环境条件。由于本文研究的水泥类珍珠岩吸声材料应用于室外露天环境，因此不可避免要受到风吹、雨打、寒冻、暴晒，更加剧了该材料的收缩、膨胀开裂的几率。若采用改善后期环境条件，比如对产品做防水处理，但由于该类产品具有高孔隙率特点，且最大孔隙接近1mm，无论软性防水或硬性防水均不能达到长期防水目的，所以只能对产品原材料、配方进行优化。对水泥珍珠岩吸声材料而言，主要是由于骨料性质造成了制品的抗拉强度低、吸水率大，同时增加了体系的湿涨干缩、冷热膨胀应力，因此本文选择了三种不用的原材料：开口珍珠岩、闭口珍珠岩和玻璃微珠（各自性能见表1），同时通过增加材料张拉应力，力求抵消开裂应力，主要措施为增加纤维[2]和聚合物[3]（具体配比见表2）。试验按照水泥制品压制原理，采用统一的水泥掺量300kg/m3，开口珍珠岩混凝土压缩比为1.4，闭口珍珠岩混凝土压缩比为1.2，玻璃微珠混凝土压缩比为1.1，加水量根据拌和物的稠度调控，采用统一的蒸汽养护制度，正交试验依据表2因素水平表，按照L9(34)正交表安排，考察的性能指标有表干容重、抗压强度、抗折强度、线性收缩率，试验编号依次为A-1～A-9，共9组试验结果，具体见下表2、表3；表1骨料性能参数材料种类开口膨胀珍珠岩[1]闭孔膨胀珍珠岩[1]玻璃微珠颗粒粒径（mm）0.3-1.20.3-1.20.8-1.2体积密度（kg/m3）702502600筒压强度76%-83%（1Mpa压力的体积损失率%）38%-46%（1Mpa压力的体积损失率%）24MPa压碎强度开孔率(%)90300.1吸水率(%)300-400400.23表2因素水平表123骨料种类(G)开口膨胀珍珠岩闭孔膨胀珍珠岩玻璃微珠Sikalatex(L)(kg/m3)01530纤维掺量(F)(kg/m3)0.30.60.9备注：Sikalatex为SIKA胶皇；纤维长度为10mm，当量直径为30μm的束状单丝聚丙烯纤维。2.2开裂模拟试验为了进一步验证自然条件下产品不同尺寸和固定方式下的开裂程度，在没有标准试验的情况下，在厂区朝西墙面上粘贴产品，每种产品粘贴10m2，完全在室外进行开裂现场评估试验，通过2个季度的试验期比较开裂效果，选用抗折强度较大的开口珍珠岩吸声板配比A-3和闭口珍珠岩吸声板A-5，抗折强度最小的玻璃微珠产品A-8，其中产品尺寸见表3。表3产品尺寸及固定方式试验编号B-1B-2B-3B-4B-5B-6B-7B-8产品种类A-3A-3A-3A-3A-5A-5A-5A-8产品尺寸（mm）500×500×751000×500×751000×500×751000×500×751000×820×751000×820×751000×820×751000×820×75固定方式五点法五点法三点法平行线法五点法三点法平行线法五点法固定方式为粘贴式固定，各自具体固定方案见下图1粘贴固定方式：五点法固定三点法固定平行线法固定图1粘贴固定方式（单个粘贴面直径为100mm，平行线线粗为100mm，粘贴胶厚度为20mm）3、试验结果及分析3.1试验结果3.1.1正交试验结果标准条件20℃、相对湿度65％情况下测得28天线性收缩值（按照砂浆收缩标准试验方法测试）；表4正交试验结果性能组别表干容重（kg/m3）抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)线性收缩率(mm/m)A-1693.44.30.34.2A-2706.45.70.53.5水平因素4A-3731.96.00.62.9A-4735.07.40.92.8A-5740.88.11.22.5A-6745.59.20.82.1A-72980.817.32.11.0A-82985.218.21.80.6A-93000.319.62.40.3表5正交试验计算表表干容重(kg/m3)抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)线性收缩率(mm/m)GLFGLFGLPPFGLFK12132440948391629.029.01.43.32.910.68.06.9K222214432493524.732.132.72.93.53.87.46.66.6K389664477494855.133.731.46.33.83.91.95.36.4k1711147016135.39.79.70.51.11.03.52.72.3k2740147716458.210.710.91.01.21.32.52.22.2k329891493164918.411.210.52.11.31.30.61.82.1极差227822.836.613.01.61.21.60.20.32.90.90.23.1.2开裂试验结果表6开裂试验结果试验编号B-1B-2B-3B-4B-5B-6B-7B-8开裂结果未开裂开裂未开裂未开裂开裂未开裂未开裂未开裂3.2结果分析3.2.1骨料种类对吸声板开裂性能影响开口珍珠岩闭口珍珠岩膨胀微珠4567891011121314151617181920骨料种类线性收缩(mm/m)抗压强度(MPa)骨料种类开口珍珠岩闭口珍珠岩膨胀微珠0.00.51.01.52.02.53.03.54.0图2骨料种类对吸声板开裂性能影响从表5中可以看出，骨料堆积密度、筒压强度越大，吸声材料的抗压强度、抗折强度越高，且线性收缩值量越低。这主要由于骨料堆积密度大，相应的开口率低，吸水率低，从而降低了骨料吸水膨胀系数，同时从产品强度角度考虑，堆积密度大，每方中的胶凝材料少也是减少收缩的重要原因。从表6中可以发现骨料容重大的B-8配方产品即使五点法固定、1000×820×75mm大尺寸也没5有开裂。因此在条件允许的前提下，选择密度大、开口率小的骨料是预防产品开裂的最佳选择。从表6中B-6、B-7和B-8组对比可以发现，提高产品内聚力和降低产品收缩值，是防止产品开裂的最佳方式，即使采用不同的固定方式，产品也没有发现开裂现象。3.2.2Sikalatex对吸声板开裂性能影响05101520253035401.101.151.201.251.301.35Sikalatex（kg/m3）抗折强度(MPa)Sikalatex（kg/m3）05101520253035401.82.02.22.42.62.8线性收缩量(mm/m)图3Sikalatex对吸声板开裂性能