泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)研究

高慶強(qiáng)

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350100)

0 引言

泡沫混凝土是通過(guò)將物理發(fā)泡得到的泡沫加入由水、膠凝材料、集料及外加劑等材料攪拌均勻而成的漿體，經(jīng)過(guò)混泡均勻并通過(guò)泵送系統(tǒng)進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成的多孔混凝土。近年來(lái)，由于泡沫混凝土具有容重輕、流動(dòng)性強(qiáng)、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)及施工便捷等特點(diǎn)，其在路基和橋臺(tái)背回填應(yīng)用工程案例越來(lái)越多[1-2]。但在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了強(qiáng)度低等問(wèn)題，目前泡沫混凝土關(guān)于孔結(jié)構(gòu)的研究還相對(duì)較少，為了促進(jìn)泡沫混凝土得到更好的應(yīng)用，本文以濕密度800級(jí)泡沫混凝土為研究對(duì)象，采用單因素試驗(yàn)方法，因素為水灰比、減水劑、粉煤灰、硅灰，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)的性能研究。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，福建福州煉石水泥有限公司生產(chǎn)；粉煤灰采用II級(jí)粉煤灰，福建和東新型建材有限公司生產(chǎn)；減水劑采用TW-3(F)高效減水劑，減水率為17%，福建建工建材科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)；硅灰采用廣東銳通建材有限公司生產(chǎn)，比表面積為16.9m2/g；發(fā)泡劑采用MS-1型復(fù)合發(fā)泡劑，福建省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)，稀釋倍數(shù)為40倍。

1.2 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照《泡沫混凝土》(JG/T266-2011)進(jìn)行。平均孔徑和圓度值采用斷面直接觀測(cè)法進(jìn)行測(cè)量，首先盡量截取平整的泡沫混凝土剖面試樣，利用Supereyes電子顯微鏡對(duì)剖面進(jìn)行觀察并拍照如圖1(a)，利用Image-Pro Plus對(duì)圖像進(jìn)行處理，將圖像二值化如圖1(b)。在同樣的拍攝條件下，對(duì)微標(biāo)尺進(jìn)行拍照。根據(jù)標(biāo)尺和圖像尺寸進(jìn)行比例尺設(shè)定，將圖像的pixel尺寸按比例轉(zhuǎn)化為mm單位；通過(guò)對(duì)原圖和處理后的灰度圖進(jìn)行對(duì)比，將灰度圖中與原圖孔隙尺寸和形狀與原圖相符的區(qū)域選出，利用軟件分析出平均孔徑、圓度值等氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖1(c)、(d)所示。

(a)剖面觀測(cè)拍攝圖

(b)二值化

(c)選取平均孔徑及圓度值進(jìn)行計(jì)算

(d) 調(diào)取計(jì)算結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水灰比對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

不同水灰比會(huì)對(duì)泡沫混凝土漿體內(nèi)部泡沫與漿體的粘性產(chǎn)生影響，影響孔結(jié)構(gòu)的分布和變形及抗壓強(qiáng)度。以0.38、0.42、0.46、0.50不同水灰比進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試每組試樣抗壓強(qiáng)度，并測(cè)量平均孔徑和圓度值。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 水灰比對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

由圖可知，在0.38～0.50水灰比范圍內(nèi)，水灰比增加有利于提升抗壓強(qiáng)度，分析原因?yàn)樵龃笏冶却龠M(jìn)了膠凝材料水化產(chǎn)物的生成，減少未水化水泥顆粒，提高泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)各個(gè)部位孔壁水泥石的抗壓強(qiáng)度，從而整體上提高抗壓強(qiáng)度。隨著水灰比增大，平均孔徑均表現(xiàn)為逐漸增大，分析原因是在低水灰比下，漿體粘性較大，對(duì)泡沫有壓迫變形作用，水灰比增大漿體對(duì)泡沫的約束變形作用減弱，則泡沫可趨于球形，故表現(xiàn)為平均孔徑逐漸增大，圓度值逐漸減少，抗壓測(cè)試時(shí)受力比較均勻，從而宏觀上增大抗壓強(qiáng)度[3]。

2.2 減水劑對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

摻入減水劑可提高泡沫混凝土強(qiáng)度，為了解減水劑對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響，基于拌合水灰比為0.38，以減水劑占水泥重量的0.3%、0.4%和0.5%不同摻量進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試每組試樣抗壓強(qiáng)度，并測(cè)量平均孔徑和圓度值。與未摻減水劑試驗(yàn)結(jié)果比較，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 減水劑對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

從圖3觀察得知，減水劑摻入后抗壓強(qiáng)度有一定增長(zhǎng)，分析為減水劑的離散特性使水泥顆粒表面帶負(fù)電荷，電荷的相互排斥作用使水泥顆粒得到較好分散，同時(shí)釋放出被禁錮的自由水，使水泥顆粒與水分子充分接觸進(jìn)行水化反應(yīng)，減水劑摻量越多，水化反應(yīng)更全面，同時(shí)避免拌合水在局部分配不均的現(xiàn)象，改善水泥石內(nèi)部因水分遷移的孔隙結(jié)構(gòu)，減少因此產(chǎn)生的原始裂紋，提高抗壓強(qiáng)度[4]。摻入減水劑后與水灰比增大對(duì)于平均孔徑及圓度等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)影響趨勢(shì)相似，分析原因?yàn)闇p水劑摻入有利于降低泡沫與漿體的黏聚性，泡沫在漿體分散過(guò)程中受到阻力更小，分散更為均勻，受到的擠壓變形更小，宏觀上有利提高其抗壓強(qiáng)度。

2.3 粉煤灰對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

將粉煤灰作為泡沫混凝土的摻合料，減少生產(chǎn)成本的同時(shí)可以改善施工性能。選取水灰比為0.38，減水劑摻量為0.4%，以內(nèi)摻粉煤灰15%、30%、50%不同摻量進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試每組試樣抗壓強(qiáng)度，并測(cè)量平均孔徑和圓度值，與未摻粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果比較。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 粉煤灰對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

當(dāng)摻量為15%時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定幅度的增長(zhǎng)，這是因?yàn)榉勖夯业幕钚猿煞峙c水化產(chǎn)物氫氧化鈣生成對(duì)強(qiáng)度有利的產(chǎn)物，同時(shí)粉煤灰的微集料效應(yīng)使支撐孔結(jié)構(gòu)的孔壁更加密實(shí)，粉煤灰的滾珠潤(rùn)滑作用有利于泡沫混凝土漿體各組分均勻混合，因此抗壓強(qiáng)度提高。粉煤灰摻入過(guò)量，有效膠凝材料減少，同時(shí)易導(dǎo)致未參與水化反應(yīng)材料增加，在混凝土內(nèi)部形成初始微裂紋，變成抗壓薄弱部分，因此降低抗壓強(qiáng)度[5]。隨著粉煤灰摻量增大，平均孔徑孔結(jié)構(gòu)參數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減少，圓度值則先減少后增大，但變化幅度都較小，分析原因是粉煤灰潤(rùn)滑漿體作用使泡沫分散更均勻，受到周圍漿體環(huán)境壓迫變形較小，粉煤灰摻量過(guò)大則易出現(xiàn)漿體對(duì)泡沫壁摩擦力較小，約束作用較弱，出泡沫合并現(xiàn)象，從而導(dǎo)致平均孔徑、圓度值增大。從孔結(jié)構(gòu)參數(shù)變化趨勢(shì)上看，少量摻入粉煤灰有利于泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)，過(guò)量摻入則水泥水化產(chǎn)物不足占著抗壓強(qiáng)度降低的主導(dǎo)作用。

2.4 硅灰對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

硅灰有利于提高泡沫混凝土基體材料的抗壓強(qiáng)度?；谇捌谠囼?yàn)，選取0.38水灰比、0.4%減水劑摻量及15%粉煤灰摻量，以內(nèi)摻硅灰2%、5%、8%不同摻量進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試每組試樣抗壓強(qiáng)度，并測(cè)量平均孔徑和圓度值，與未摻硅灰試驗(yàn)結(jié)果比較。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 硅灰對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的影響

由圖5可知，硅灰摻入后抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大后減少，先增大是由于硅灰內(nèi)部含有大量的活性SiO2，可發(fā)生與粉煤灰類似作用的火山灰效應(yīng)，且因?yàn)楣杌伊绞撬嗟膸装俜种?，可增加水泥石的密?shí)性，減少混凝土內(nèi)部因缺陷孔隙形成的抗壓薄弱區(qū)，故而提升抗壓強(qiáng)度[6]。當(dāng)硅灰摻量過(guò)大導(dǎo)致強(qiáng)度逐漸降低，分析原因是硅灰比表面積大，需水量高，同樣水灰比條件漿體流動(dòng)度急劇減少。加入泡沫后，黏聚性較大的漿體不易將泡沫分散開(kāi)，并進(jìn)行均勻包裹，且泡沫與漿體的接觸面摩擦力過(guò)大，導(dǎo)致泡沫破損形成混凝土薄弱區(qū)，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。隨著硅灰摻量增加，平均孔徑值均呈下降，圓度值變大，分析原因是漿體黏聚性增加，泡沫的泡沫壁機(jī)械強(qiáng)度不足，拌合過(guò)程中泡沫破損較多，泡沫里面空氣失去泡壁支撐易被壓縮，孔結(jié)構(gòu)圓度值增大，變形較大，導(dǎo)致泡沫混凝土內(nèi)部受壓時(shí)受力不均勻，因此抗壓強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)水灰比為0.38～0.50時(shí)，增大水灰比促進(jìn)了膠凝材料水化產(chǎn)物的生成，提高泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)各個(gè)部位孔壁水泥石的抗壓強(qiáng)度，從而整體上提高抗壓強(qiáng)度。

(2)當(dāng)水灰比為0.38，減水劑摻入有利于降低泡沫與漿體的黏聚性，泡沫在漿體分散更為均勻，受到的擠壓變形更小，宏觀上有利提高其抗壓強(qiáng)度。

(3)粉煤灰摻量過(guò)大時(shí)漿體對(duì)泡沫約束作用較弱，出現(xiàn)泡沫合并現(xiàn)象，從而導(dǎo)致平均孔徑、圓度值增大。

(4)黏聚性較大的漿體不易將泡沫分散開(kāi)，并進(jìn)行均勻包裹，且泡沫與漿體的接觸面摩擦力過(guò)大，導(dǎo)致泡沫破損形成混凝土薄弱區(qū)，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。