模板是现浇混凝土结构工程中必不可少的重要工具。在施工过程中, 传统模板需要支模、拆模、运输和保管, 导致模板工程占用劳动量大、施工工期长、造价比例高^[1], 而且严重消耗自然资源、破坏生态环境^[2]。另外, 在某些特殊混凝土工程 (如水下混凝土) 施工中, 模板不便于拆除, 因此施工过程需要一种安装简便、制作费用低廉、无需拆卸的免拆模板。近年来, 国内外研究者采用玻璃纤维增强水泥基材料、纤维增强复合材料等制作各种免拆模板^[3,4,5,6], 研究证明, 免拆模板用于实际工程是可行的。目前已有的免拆模板大多存在强度较低、刚度较小、与混凝土之间黏结性较差、施工工艺复杂、难以符合建筑节能和防火的要求等问题^[7,8]。本课题从利废、节能、降耗的角度出发, 以湖北省黄石市及周边地区大量堆放的铁尾矿为主要原材料, 水泥为胶凝材料, 耐碱玻璃纤维为增强材料, 并掺加膨胀珍珠岩与其他辅助材料, 制备一种自保温免拆模板 (SHSM) , 并研究其力学性能、导热性能以及耐久性能等, 探讨利用铁尾矿生产利废、环保、节能、高附加值的新型建筑材料的可行性, 对实现黄石资源枯竭型城市的绿色转型发展有现实意义。

铁尾矿:取自湖北省黄石市灵乡选矿厂, 堆积密度为2 000~2 200 kg/m³, 化学成分如表1所示, 粒度组成如表2所示;膨胀珍珠岩:市售品, 密度 (210±5) kg/m³;玻璃纤维:短切耐碱玻璃纤维, 襄樊汇尔杰玻璃纤维有限责任公司生产, 技术指标如表3所示;水泥:P·O 42.5, 华新水泥厂黄石公司生产;铁尾矿改性剂:自配。

HBY-40A标准养护箱 (无锡市建仪仪器机械有限公司) ;NYL-300压力试验机 (无锡市建筑材料仪器机械厂) ;NYL-300抗折试验机 (无锡市建筑材料仪器机械厂) ;DRH-Ⅲ导热系数测定仪 (湘潭市仪器仪表有限公司) 等。

根据设计的配合比, 将铁尾矿和部分水加入搅拌器中搅拌2~3min, 再加入确定的自制激发剂、珍珠岩和水泥搅拌1~2min后, 将剩余水和减水剂混合均匀后分2次加入搅拌器中搅拌2~3min得到混合料, 将混合料浇筑到试模中, 压制成型, 标准养护28d, 进行各性能测试。

根据设计的配合比, 将铁尾矿、耐碱玻璃纤维和部分水加入搅拌器中搅拌2~3min, 其余步骤同1) 。

1) 抗压强度和抗折强度 按照GB/T1671—1999《水泥胶砂强度检验方法》测定28d抗压强度, 参照日本土木工程协会的JCI—SF4测定28d抗折强度。

2) 导热系数 参照JGJ51—2002《轻骨料混凝土技术规程》测定。

3) 干表观密度 将试件放入80℃的烘箱中烘干至恒重, 取出后放入干燥器中, 冷却至室温并称量试件质量M (g) , 用游标卡尺量出试块尺寸 (每边测量上、中、下3处, 取其平均值) , 并计算出其体积V (cm³) 。根据式 (1) 计算干表观密度:

4) 抗碱侵蚀性能 参照GB/T20102—2006《玻璃纤维网布耐碱性试验方法氢氧化钠溶液浸泡法》测定。

5) 抗开裂性能 制作尺寸25mm×25mm×280mm的试件, 试件两端安置铜头, 试件拆模后标准养护3d, 取出试件放到恒温恒湿室, 控制温度在 (20±1) ℃, 湿度为 (60±5) %, 风速8m/s风吹加速干燥, 用水泥比长仪测定试件初始长度, 并在1, 3, 7, 14, 21, 28, 45d和60d测定干燥收缩量, 并观察试件表面的裂纹数量、裂缝宽度及长度。

6) 与混凝土浇筑料之间的黏结性能 按照确定的配合比配料、搅拌、成型、养护等工序制作以下3种形式的免拆模板: (1) 普通免拆模板厚度10mm, 切割成200mm×200mm的板块待用; (2) 拉毛免拆模板将模板不光滑的一面拉毛, 以增强其与现浇混凝土之间的黏结力; (3) 打孔免拆模板在免拆模板上打8mm的花孔, 对混凝土浇筑料可起到销栓作用, 增加两者之间的黏结性。

将制作好的模板用木楞、螺栓固定, 向其中浇筑C35混凝土, 静养28d, 沿黏结界面的法向加载进行正向拉力试验, 观察试件表面裂缝、断面形状, 并测定荷载-位移间的关系, 分析SHSM免拆模板与现浇混凝土之间的黏结性能。同时制作聚苯板免拆模板作对比试验。

根据前期试验结果, 在用水量与固体材料用量比值、水泥用量不变的情况下, 改变膨胀珍珠岩与铁尾矿用量, 并添加适量自配铁尾矿改性剂, 研究材料配合比对试件主要性能的影响, 确定抗压强度、导热系数和干表观密度满足使用要求的最适宜配合比, 结果如表4所示。由表4可知:试件抗压强度随着膨胀珍珠岩用量的增加而降低, 当其掺量超过固体材料用量13%时, 抗压强度降低显著, 这是由于膨胀珍珠岩本身强度很低, 当掺量超过某一值时, 膨胀珍珠岩表面胶凝材料不足而导致抗压强度明显降低, 如果通过增加胶凝材料用量来提高抗压强度, 将导致干表观密度增加, 导热性能变差, 同时增加产品成本;另一方面随着膨胀珍珠岩用量的增加, 试件干表观密度和导热系数先减小后增大, 这与在试验过程中观察到的湿密度的变化规律一致;当膨胀珍珠岩掺量小于某一值时, 在搅拌过程中混合料较致密, 这种现象可能是由于膨胀珍珠岩本身强度很低, 当掺量较小时, 表面胶凝材料相对较多, 较大的胶凝作用致使堆聚结构较致密。由表4亦可知:在固定水泥和膨胀珍珠岩掺量的情况下, 随着铁尾矿用量的降低, 试件导热系数降低, 保温性能提高, 抗压强度则明显降低。

试验时观察到试件在脱模时, 容易破裂, 这是由于脱模一般在成型后24h进行, 水泥胶凝作用不足, 铁尾矿活性胶凝作用较缓慢, 针对此现象, 在搅拌时浆料中加入107胶, 并且在成型后48h进行脱模, 脱模后试件保持完整。

因此, 综合考虑材料抗压强度、保温性能与经济成本, 确定原材料基准配合比为水泥∶铁尾矿∶膨胀珍珠岩∶用水量=270∶450∶110∶290。

玻璃纤维可以改善水泥基材料的脆性, 起到增强、阻裂的作用, 因此在轻质保温模板中通过掺加玻璃纤维改善其韧性。表5是在前述各材料基准配合比的基础上, 根据玻璃纤维掺量和流动度适当调整减水剂用量, 研究玻璃纤维掺量对模板力学性能和导热系数的影响。由表5可知:随着玻璃纤维掺量的增加, 试件抗压强度先增大, 后出现一定程度的降低, 试件抗折强度变化规律与抗压强度趋势大致相同, 但是抗压强度在玻璃纤维掺量>2.5%时开始降低, 而抗折强度在玻璃纤维掺量>3.0%时略有降低, 同时在试验时观察到当玻璃纤维掺量>2.5%时, 脱模时试件表面容易产生裂纹, 这是由于玻璃纤维掺量较多时, 分散不均匀导致试件宏观结构不均匀, 在试件受外力作用时容易产生应力集中, 因而在较小荷载下就会产生裂纹, 再继续增加玻璃纤维掺量抗压强度反而会降低。通常, 强度取决于水灰比, 而对玻璃纤维增强水泥基材料, 尽管水灰比是相同的, 掺入玻璃纤维使试件抗压强度有一定程度增加, 玻璃纤维体积率为2.5%时, 试件抗压强度为4.5MPa, 比不掺加玻璃纤维试件增大30.8%。由表5亦可知, 试件导热系数的变化与抗压强度一致。同时, 试件的折压比随着玻璃纤维掺量的增加而增大, 相对普通的纤维增强水泥基材料, 折压比明显增大, 这种现象可能是由于铁尾矿中Fe₂O₃含量较高, 经活化、水化作用生成较多的铁铝酸钙类矿物, 有利于提高材料抗折强度。综合考虑材料性能、生产成本及成型的难度, 玻璃纤维掺量控制在2.5%, 抗压强度和抗折强度都有明显增大, 折压比约为0.6, 韧性较好, 可明显改善水泥基材料的脆性。

玻璃纤维在混凝土制备中很早就有应用, 由于材料使用时暴露在大气中, 以及水泥水化时产生的较强碱性环境, 致使玻璃纤维被碱侵蚀而脆化, 丧失增韧作用, 影响材料耐久性。

为了探讨材料抗碱侵蚀性能, 按照前述确定的材料配合比制备试件, 参照GB/T20102—2006《玻璃纤维网布耐碱性试验方法氢氧化钠溶液浸泡法》来检测墙板的抗碱侵蚀性能 (由于目前没有关于纤维水泥制品的抗碱性腐蚀性能的检验标准) , 测定不同龄期试件的抗折强度, 如图1所示, 并计算试件的抗折强度损失率。

分析可知, 试件放入清水和5%Na OH溶液中后, 抗折强度较放入前都有不同程度的提高, 常温清水中试件的抗折强度较5%Na OH溶液提高明显, 80℃热水中的试件抗折强度降低, 这种现象说明:碱性溶液对玻璃纤维的侵蚀在一定程度上造成了试件强度的丧失, 但导致玻璃纤维增强复合材料长期性能降低的原因并非全部来自碱性侵蚀。由图1可知:相同浸泡龄期下, 80℃热水环境使试件强度的损失远大于5%Na OH溶液环境对试件造成的强度损失。所以玻璃纤维增强复合材料长期性能降低的原因除了玻璃纤维受水泥水化产生的Ca (OH) ₂的化学侵蚀外, 还可能受到水、蒸汽和水泥水化物结晶体对玻璃纤维中存在的微裂缝和缺陷的物理侵蚀作用。同时也可看出, 随着浸泡时间的增长, 试件在清水中和5%Na OH溶液中的抗折强度变化趋势基本一致, 在放入初期 (3d以内) 有一定的提高, 之后随时间的延长, 抗折强度呈递减趋势, 但递减速度很慢并趋于稳定。这是由于试件采取的养护方式是自然养护, 仅在成型的最初7d内早晚浇水, 相比完全将试件置入水中的养护方式, 前者没有进行充分养护, 可能导致试件中部分水泥水化不充分, 故在试件放入水溶液中后, 未完全水化的成分可能会继续完成其水化作用, 因而使试件强度比置入溶液前还要高, 而随着试件潜在的强度被充分发掘, 同时进行着的对玻璃纤维增强复合材料构件的物理和化学侵蚀作用慢慢显现出来, 使正在上升的强度部分被抵消, 甚至入不敷出。

根据前述原材料配合比制作试件, 测定其干缩值并观察试件开裂情况, 试验结果如表6所示。由表6可以看出, 试件早期 (14d) 干缩值增加较明显, 后期虽然仍有所增加, 但增加幅度减小, 60d试件的干缩率仅有546.6×10^-6, 干缩较小。通过观察可知:试件初裂时间为25.2h, 裂纹长度、宽度及数目随着龄期增加并没有明显增多, 在整个试验期间, 试件表面仅有非常微细的裂纹, 这些现象都说明纤维对试件干缩的抑制作用非常明显, 而且具有止裂作用。结果表明:此试件抗裂等级属于Ⅱ级。

对试件施加正向拉力时, 3种形式试件的上表面出现的裂缝基本相同, 初始的裂缝很细小。随着荷载的持续增大, 混凝土与免拆模板的黏结界面中部开始出现裂缝, 当中间裂缝出现后会向两端延伸, 同时也从两侧面由上向下发展, 裂缝不断延伸扩展, 全截面开始出现裂缝, 直至贯通整个截面时, 与混凝土脱离, 失去承载力。

从裂缝出现到破坏, 普通SHSM免拆模板历时最短, 打孔SHSM免拆模板历时最长, 拉毛SHSM免拆模板介于二者之间, 但均比聚苯板免拆模板历时长。另外, SHSM免拆模板与混凝土的破坏断面均为平面形式, 但与SHSM免拆模板相比, 断面较粗糙。

图2是不同试件在正向拉力作用下, 法向位移与荷载之间的关系曲线。由图2可知, 由于SHSM免拆模板与混凝土的材料属性相似, 所以其黏聚力比SHSM免拆模板与混凝土之间的黏结力较大;SHSM免拆模板的截面形式会显著地影响模板与混凝土间的黏结性, 将模板表面进行打孔和拉毛处理后, 试件位移-荷载关系曲线更加平缓, 说明这2种形式下试件破坏时所承受的最大荷载明显增加。这是因为拉毛增大了界面间的黏结面积和摩擦力, 打孔类似于在模板与混凝土之间形成销栓连接, 两者均可提高界面间的黏结程度。

1) 以铁尾矿为主要原材料, 水泥为主要胶凝材料, 耐碱玻璃纤维为增强材料, 掺加膨胀珍珠岩与其他辅助材料, 可制得容重、力学强度、导热系数等性能指标都满足使用要求的轻质隔热型水泥免拆模板。

2) 制作的SHSM免拆模板具有较好的抗碱侵蚀性能和抗开裂性能, 并且与混凝土之间有较大的黏结力, 通过对模板表面进行拉毛、打孔处理可以增大界面间的黏结力。