http://qks.cqu.edu.cn/html/cqdxzrcn/2020/8/20200806.htm
泡沫混凝土是轻质混凝土的一种, 用发泡剂在水泥浆体中引入孔隙制成[1-3]。泡沫混凝土有许多优良的性能, 比如密度低(300~1 600 kg/m3)[4-6]、耐火性能强[7]、导热系数低和隔声性能好[8]。目前, 泡沫混凝土已被广泛应用在隔热墙板、地面保温路基桥涵回填等领域[9]。
泡沫混凝土的密度等级对其力学性能有显著的影响。Falliano等[10-11]研究了不同密度等级泡沫混凝土的抗压强度和弯曲强度, 提出随着密度增加, 泡沫混凝土的抗压强度和弯曲强度呈线性增加。龙文武等[12]研究发现, 随着泡沫混凝土干密度增大, 其抗压强度呈二次方增加, 干密度为850 kg/m3的试件抗压强度是650 kg/m3试件的1.84倍。习会峰等[13]研究了密度为400~1 200 kg/m3的泡沫混凝土的抗压强度, 提出泡沫混凝土抗压强度与其密度之间存在指数相关。目前关于泡沫混凝土密度等级与其抗压强度之间的关系还没有统一的结论。
泡沫混凝土的密度等级对其吸水率、干燥收缩和孔结构也有显著影响。周利睿等[14]和李广良等[15]对干密度600~900 kg/m3的泡沫混凝土性能进行了研究, 发现泡沫混凝土的吸水率随密度增大而逐渐降低, 但关于泡沫混凝土密度与其吸水率之间的函数关系目前还没有相关研究。Amran等[3]提出泡沫混凝土的干燥收缩随密度等级的增大而逐渐降低, 王建军等[16]进一步研究了密度为600, 800, 1 000, 1 200 kg/m3的泡沫混凝土的干燥收缩, 提出泡沫混凝土干密度与其干燥收缩之间存在线性相关。侯明昱等[18]和Nambiar等[18]研究发现泡沫混凝土的干密度与其孔隙率存在反比关系。庞超明等[19]、张旭等[20]和Hilal等[21]研究了泡沫混凝土的密度等级(600, 1 000, 1 400 kg/m3)对其孔形貌的影响, 发现随着密度等级降低, 泡沫混凝土的平均等效孔径和形状因子均逐渐增大。
虽然已有不少关于泡沫混凝土密度等级及其性能的研究, 但目前的相关研究涉及的密度等级较少, 一般只选取3~5个密度等级来进行研究, 很难对泡沫混凝土密度与其性能之间的规律作出细致的分析。此外, 在同一密度下, 泡沫混凝土的性能也受到泡沫稳定性的影响。用稳定性好的泡沫制备成的泡沫混凝土在同一密度下的性能比不稳定的泡沫所制试样高很多, 利用稳定性好的泡沫制备不同密度等级的泡沫混凝土的性能规律性也更强。因此, 采用一种人工合成类发泡剂(SS), 在水泥浆体中产生尺寸稳定的泡沫, 制备了密度等级在300~1 000 kg/m3的泡沫混凝土, 测试了其浆体流动度、强度、吸水率、干燥收缩等性能, 并利用(X-ray computed to mography, X-CT)对其内部的孔结构进行分析, 探究试件的宏观性能与其微观结构之间的联系。
1 实验原材料及样品制备
1.1 实验原材料
采用江南小野田水泥有限公司的PⅡ52.5水泥, 比表面积为362 m2/kg, 水泥的化学成分和粒径分布分别列于表 1和表 2中。本研究中所用发泡剂是一种白色粉末状的人工合成类发泡剂(SS), 主要成分为纳米颗粒及十二烷基磺酸钠等, 产自江苏句容宜发建材有限公司。
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表 1 水泥化学成分
Table 1 Chemical composition of cement
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表 2 水泥粒径分布
Table 2 Cement particle size distribution
1.2 配合比设计
泡沫混凝土的配合比主要是根据其目标密度来进行计算, 这种方法适用范围较广, 可以根据泡沫混凝土的设计密度、泡沫的性能进行调整。制备不同干密度的泡沫混凝土的配合比计算公式如下[5] :
ρd=Samc,
(1)
V2=K(1−V1)=K[1−(mcρc+mwρw)],
(2)
式中:ρd是泡沫混凝土的设计干密度, kg/m3; Sa为经验常数, 硅酸盐水泥一般为1.2;mc是水泥的质量, kg; V1和V2分别是水泥浆体和泡沫的体积, m3; 1代表的是1 m3泡沫混凝土体积, ρc和ρw分别是水泥和水的密度, kg/m3; mw是水的质量, kg; 在本研究中水灰比为0.5[5]; K是和泡沫性质有关的系数, 通常为1.2~1.6, 随泡沫种类和试件密度等级变化。
1.3 前言
在成型前, 先将发泡剂与水按照1:300质量比搅拌均匀制成发泡液, 然后将水和水泥按照表 3中的比例混合均匀, 同时将发泡液通入发泡机制成泡沫, 泡沫密度为81 kg/m3, 然后按照表 3量取指定体积的泡沫加入到水泥浆体中, 利用手持搅拌机(转速80~150 r/min)搅拌90 s, 将泡沫混凝土浆体搅拌均匀, 最后将浆体浇筑到模具中, 48 h后拆模, 并在标准条件下养护28 d。
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表 3 不同密度等级的泡沫混凝土配合比
Table 3 Mix of foam concrete with different density grades
1.4 试验方法
1.4.1 浆体流动度
泡沫混凝土浆体的流动度会影响它的施工性能。发泡剂的种类对泡沫混凝土浆体的流动度有显著影响。本研究中参考标准JGJ∕T341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》的试验方法对泡沫混凝土浆体流动度进行测试, 将一个内径80 mm、高80 mm的两端敞开的圆柱筒放置在水平的玻璃板(500 mm×500 mm)上, 将泡沫水泥浆体倒入该圆柱筒中直至装满, 表面刮平, 然后将圆筒垂直提起, 水泥浆体会在玻璃板上向四周扩展, 经过60 s, 测试浆体的最大直径即为其流动度。
1.4.2 抗压强度及吸水率
抗压强度和吸水率的测试方法参考标准JG-T266-2011《泡沫混凝土》。在测试前, 将经过28 d标准养护的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的泡沫混凝土试件在60 ℃恒温条件下烘干24 h。利用液压伺服万能试验机对泡沫混凝土的抗压性能进行测试, 加载速度为1 kN/s。
吸水率通过吸水前后的质量变化计算得到。将干燥的泡沫混凝土浸泡在水中, 48h后取出试件, 用湿抹布擦干其表面的水分, 称出试件的质量, 计算质量变化率即为吸水率。
1.4.3 干燥收缩
利用40 mm×40 mm×160 mm的两端带铜头模具成型泡沫混凝土, 经过48 h后拆模, 放置在恒温恒湿(相对湿度50%, 25℃)的环境中, 每隔一段时间测量两端铜头的长度变化即为干燥收缩值。
1.4.4 孔结构分析
利用X-CT对泡沫混凝土试件二维切片及三维结构进行分析, 比较3组泡沫混凝土的孔径和孔壁形貌。本实验研究中采用德国YXLON Precision S型微焦点X-CT进行试验, 高压范围10 ~225 kV, 分辨率为10 μm。
2 实验结果与分析
2.1 浆体流动度
泡沫混凝土的流动性决定了其施工的难易程度, 与一般的混凝土相比, 新拌的泡沫混凝土浆体具有很好的流动性。实验中对不同密度等级的泡沫混凝土新拌浆体流动度进行了测试。从图 1可以看出, 随着泡沫混凝土密度等级提高, 泡沫混凝土的浆体流动度先上升后下降, 在600 kg/m3时浆体流动度最大。这是由于一方面泡沫中的气泡对水泥浆体起到一定的分散润滑作用[21], 另一方面泡沫中含有一定的水和表面活性剂组分(可以起到减水剂的作用), 掺入适当体积会使浆体的流动度增大, 而随着泡沫掺量进一步增大, 泡沫混凝土中的水泥浆体无法很好地包裹泡沫, 使浆体被泡沫隔开, 浆体的均匀性降低, 且浆体整体密度过低, 以致流动度下降。
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图 1 不同密度泡沫混凝土的浆体流动度
Fig. 1 Slurry fluidity of foam concrete with different densities
2.2 抗压强度
对不同密度等级的泡沫混凝土的抗压强度进行了测试, 结果如图 2所示。可以看出, 随着密度增加, 泡沫混凝土的7, 14, 28 d抗压强度均呈现增长趋势, 且随着泡沫混凝土密度增大, 强度的增长幅度也越来越高。为了确定泡沫混凝土密度等级与抗压强度之间的关系, 对不同密度等级的泡沫混凝土28 d抗压强度进行了拟合, 拟合结果如图 3所示, 拟合公式如下:
y=2.04e(x/566.72)−3.32,
(3)
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图 2 不同密度泡沫混凝土的抗压强度
Fig. 2 Compressive strength of foam concrete with different densities
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图 3 不同密度试件的28 d强度拟合曲线
Fig. 3 The 28 dstrength fitting curve of specimens with different densities
式中:y为泡沫混凝土的28 d抗压强度; x为泡沫混凝土的干密度。可以看出泡沫混凝土密度等级与28 d抗压强度之间呈现指数关系, 这与习会峰等[13]得出的结论相似。
2.3 吸水率
对不同密度的SS发泡剂试件进行吸水率测试的结果如图 4所示。从图中可以看出, 泡沫混凝土的吸水率随密度等级升高逐渐下降。密度等级A03的泡沫混凝土试件吸水率最高, 为44.6%;密度等级提高至A06时, 泡沫混凝土吸水率为21.7%;密度等级为A10的泡沫混凝土吸水率最低, 为7.4%。这是由于一方面低密度的泡沫混凝土孔隙率较高, 连通孔和大孔较多, 因此吸水量更大, 而高密度的泡沫混凝土孔隙较少且多不连通, 因此吸水量较低; 另一方面低密度的泡沫混凝土泡沫用量较高, 泡沫引入的水更多, 因此使得水泥水化产物的密实度降低, 吸水率增大。
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图 4 不同密度泡沫混凝土的质量吸水率
Fig. 4 Water absorption of foam concrete with different densities
为明确泡沫混凝土密度等级与吸水率之间的关系, 对不同密度等级的泡沫混凝土吸水率进行了拟合, 拟合结果如图 5所示, 拟合公式如下:
y1=(4.94×10−5)x2−0.12x+75.51(300<x<1000),
(4)
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图 5 不同密度试件的质量吸水率拟合曲线
Fig. 5 Fitting curve of mass water absorption of specimens with different densities
式中y1为泡沫混凝土的吸水率。可以看出泡沫混凝土密度等级与吸水率之间呈现二次函数关系, 由于二次函数不是单调函数, 因此这里取实验结果所在的密度等级范围为定义域。
2.4 干燥收缩
泡沫混凝土的干燥收缩较大, 是普通混凝土干燥收缩的8倍左右。本研究在恒温(20±1) ℃、恒湿(43±2)%的条件下对不同密度等级的泡沫混凝土90 d干燥收缩进行了测试, 结果如图 6所示。从图中可以看出, 泡沫混凝土的干燥收缩主要集中在早期, 在前14 d, 泡沫混凝土的干燥收缩较大, A03、A06、A10密度等级的泡沫混凝土干燥收缩分别为4.78, 3.17, 2.28 mm/m。14 d后泡沫混凝土的干燥收缩速率明显减缓, 到90d时干燥收缩变化已经不明显, A03、A06、A10密度等级的泡沫混凝土干燥收缩分别为6.39, 4.68, 3.95 mm/m。此外, 泡沫混凝土的干燥收缩与其密度等级之间存在密切的联系, 随着泡沫混凝土密度等级增加, 泡沫混凝土的干燥收缩逐渐下降。其主要原因有两方面:一方面, 由于泡沫中含有一定量的水, 泡沫混凝土的密度等级越高, 其泡沫的掺量越少, 则泡沫引入的水也越少, 导致泡沫混凝土浆体的总水灰比下降, 使得干燥收缩下降; 另一方面, 泡沫混凝土的密度等级越高, 其内部的连通孔和大孔越少, 缺陷也越小, 试件在干燥收缩过程中受到的内部应力越大, 导致干燥收缩减小。
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图 6 不同密度泡沫混凝土的90 d干燥收缩
Fig. 6 Shrinkage during90 d drying of foam concrete with different densities
对不同密度等级的泡沫混凝土90 d干燥收缩进行拟合的结果如图 7所示, 拟合公式如下:
y2=(4.80×10−6)x2−0.01x+8.39(300<x<1000),
(5)
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图 7 不同密度试件的90 d干燥收缩拟合曲线
Fig. 7 Fitting curve of 90 d drying shrinkage of specimens with different densities
式中y2为泡沫混凝土的干燥收缩。可以看出泡沫混凝土密度等级与90 d干燥收缩之间呈二次函数关系, 这与之前学者研究所得出的规律不同[16]。由于二次函数不是单调函数, 因此这里取实验结果所在的密度等级范围为定义域。
2.5 孔结构
为了对比不同密度等级试件内部气孔尺寸和分布的差异, 选择了以发泡剂SS制备的密度等级分别为300, 400, 500, 600, 700, 800 900, 1 000 kg/m3的泡沫混凝土试件, 并对其进行X-CT扫描, 所得试件内部二维平面照片如图 8所示, 三维立体图像如图 9所示。
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图 8 不同密度等级泡沫混凝土内部气孔大小及分布二维平面图
Fig. 8 Two-dimentional plans of pore size and distribution in foam concrete with different densities
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图 9 泡沫(SS发泡剂)混凝土内部X-CT三维立体图
Fig. 9 Three-dimentional X-CT pictures of internal structure of foam concrete with different densities
从图 8可以看出, 密度等级偏低的泡沫混凝土边界和内部气孔大小分布较不均匀, 边界的气孔体积较大, 内部气孔体积偏小, 这一特征在密度为300 kg/m3和400 kg/m3的试件中较为明显, 而500 kg/m3和600 kg/m3等中等密度试件则不存在该现象。另外, 观察气孔尺寸及分布可发现, 密度等级越低, 泡沫混凝土内部气孔尺寸越大, 气泡直径的离散性也更大; 而密度等级偏高的泡沫混凝土内部气泡则趋于均匀的小孔, 气孔周围的浆体形成的气孔壁也相对更厚实。这是由于密度等级较小的试件在成型中所使用胶凝材料量较少, 因此用于包裹泡沫的浆体较少, 导致在引入气泡的过程中气泡周围形成的气孔壁较薄。气泡壁较薄使得在拌合物浇筑硬化的过程中气泡壁易破裂, 小气泡逐渐融合形成较大的气泡, 并向边界移动, 因而导致密度等级较低的泡沫混凝土边界气泡尺寸显大于密度等级高的试件, 且其内部气泡尺寸和分布的离散性也较大。
图 9中红色代表孔隙体积大于0.01 mm3的大孔径气孔, 蓝色代表孔隙体积小于0.01 mm3的小孔径气孔。可以看出, 密度等级为300~600 kg/m3的泡沫混凝土内部几乎均为大孔, 随着密度等级增大, 试件中的大孔数量逐渐减少。不同尺寸的气孔在泡沫混凝土中的分布并不均匀, 大孔主要分布在表面的边界上或是聚集在某一方向上, 而小孔则主要集中在试件内部, 这主要因为水泥浆与泡沫由于密度不同而没有完全混合均匀所致。
红色大孔径气孔所占比例如表 4所示。可以看出, 随着密度等级增加, 泡沫混凝土的孔隙率显著下降。密度由300 kg/m3增大至1 000 kg/m3过程中, 试件的大孔占比从99.8%下降至37.8%, 密度等级A03、A04和A05的试件中大孔的占比均在90%以上。当密度等级提升至A06以后, 泡沫混凝土中的大孔占比明显降低, 这与抗压强度和吸水率的测试结果一致, 由此可知泡沫混凝土的孔结构会显著影响泡沫混凝土的性能。
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表 4 各泡沫混凝土试件内大孔径占比
Table 4 Large-diameter pore ratio of foam concrete specimens
3 结论
笔者研究了不同密度等级泡沫混凝土的各项性能, 并与微观形貌相结合进行了分析, 基于实验结果得到以下结论。
1) 密度等级对泡沫混凝土的流动性及硬化性能有显著影响。泡沫混凝土密度从300 kg/m3增大到1 000 kg/m3过程中, 新拌浆体的流动度先增大后减小, 密度为600 kg/m3时流动度最大。
2) 随着泡沫混凝土密度等级增加, 试件吸水率和干燥收缩逐渐下降, 与密度等级呈现二次函数相关; 抗压强度逐渐提高, 且与密度等级呈指数相关。
3) 随着密度等级增加, 泡沫混凝土的孔隙率显著下降。密度由300 kg/m3增大至1000kg/m3过程中, 试件的大孔(孔体积大于0.01m3)占比从99.8%下降至37.8%。在密度小于600 kg/m3时, 试件边缘会出现较多大孔, 这是由于浆体含量过低, 泡沫发生合并消泡所致。
致谢
感谢南京长江大桥维修改造工程研究项目(项目编号201727002)的资助, 感谢东南大学交通设计研究院、江苏博特新材料有限公司、武汉二航特种公司对本研究工作的支持。感谢澳门科学技术发展基金(FDCT-078/2017/A2)的资助。
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