泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響研究

戴雨辰 ，高培偉 ，林輝 ，朱玉翔 ，吳春曉 ，耿飛 ，宿靜

（1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.無錫市墻材革新和散裝水泥辦公室，江蘇 無錫 214001 3.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引言

泡沫混凝土作為一種輕質(zhì)、多孔材料，以其較低的密度、適宜的強(qiáng)度和出色的保溫吸聲性能被廣泛應(yīng)用于道路回填、基礎(chǔ)墊層和建筑隔墻中[1-5]，這些特性主要由其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)決定[6-8]。影響泡沫混凝土性能的因素很多，如外加劑、密度、孔隙率及摻合料等[9-10]，對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的調(diào)控主要從泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)及孔壁強(qiáng)度等方面進(jìn)行[11-12]；對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響因素主要有水膠比、外加劑及攪拌工藝等[13-15]。本文針對(duì)4種不同中密度泡沫混凝土（600～900 kg/m3），根據(jù)前期大量試驗(yàn)優(yōu)化配比制備同一密度等級(jí)下5種不同水膠比的泡沫混凝土試件，以水膠比為變量，研究平均孔徑、孔隙率及抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析其相互作用關(guān)系，通過對(duì)同一級(jí)別泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行擬合，建立其相互關(guān)系，為泡沫混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：P·Ⅱ42.5水泥，上海產(chǎn)，符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，上海產(chǎn)，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求；發(fā)泡劑：FC-1型，自制，稀釋40倍時(shí)的發(fā)泡倍數(shù)為35.7，1 h沉降距為6.7 mm，1 h泌水率為15.7%；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑。

1.2 試驗(yàn)方案及方法

為提高泡沫混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性以及可操作性，滿足結(jié)構(gòu)填充材料的需要，在泡沫混凝土漿體中適當(dāng)摻入一定量的非活性材料，通過控制單位體積泡沫混凝土原料的總質(zhì)量，計(jì)算不同水膠比下各類原料的摻量，試件干密度及水膠比如表1所示。

表1 試件干密度及水膠比

在漿料完成拌和后，澆筑在邊長(zhǎng)100 mm的立方體模具中振動(dòng)成型；試件在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)（24±2）h后拆模，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，測(cè)試抗壓強(qiáng)度。

泡沫混凝土孔隙率e直接采用質(zhì)量-體積法測(cè)得，按式（1）計(jì)算：

式中：ρ——試件的干密度，kg/m3；

ρ0——試件的實(shí)密度，kg/m3。

將養(yǎng)護(hù)28 d后的泡沫混混凝土試件制成切片，通過supereyes電子顯微鏡采集孔隙圖片并用Image-J軟件進(jìn)行分析，計(jì)算平均孔徑。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水膠比對(duì)泡沫混凝土平均孔徑的影響

圖1是600～900級(jí)泡沫混凝土在不同水膠比下的平均孔徑。

圖1 水膠比對(duì)泡沫混凝土平均孔徑的影響

由圖1可見：隨水膠比的增大，不同密度等級(jí)泡沫混凝土的平均孔徑呈增大趨勢(shì)。水膠比為0.65時(shí)，600級(jí)泡沫混凝土的平均孔徑為354 μm，比水膠比為0.40時(shí)的平均孔徑302 μm增大了17.22%；700、800、900級(jí)泡沫混凝土在水膠比為0.40～0.65時(shí)的增幅分別為18.28%、19.30%和31.58%。水膠比為 0.50～0.60時(shí)，600、700、800、900 級(jí)泡沫混凝土平均孔徑的增長(zhǎng)最為顯著。

隨著水膠比的增大，膠凝材料的粘結(jié)性能下降，對(duì)氣泡的包裹能力減弱，大量氣泡相互融合連通，平均孔徑呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[13]，水膠比為0.50～0.60時(shí)表現(xiàn)最為明顯；進(jìn)一步增大水膠比，氣泡受限于膠凝材料間的摩擦力，孔徑增長(zhǎng)幅度相對(duì)減小。對(duì)于同一水膠比下不同密度等級(jí)的泡沫混凝土，平均孔徑隨密度等級(jí)的增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于隨著密度等級(jí)增加，膠凝材料在基質(zhì)中的比重增大，氣泡穿越孔壁進(jìn)行融合阻力增大，平均孔徑降低。

2.2 水膠比對(duì)泡沫混凝土孔隙率及抗壓強(qiáng)度的影響（見圖2）

圖2 水膠比對(duì)不同密度等級(jí)泡沫混凝孔隙率及抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可見：總體來說，在試驗(yàn)范圍內(nèi)泡沫混凝土孔隙率隨水膠比增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

（1）600級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為70.5%和66.8%。這是由于隨水膠比增大，膠凝材料的粘聚性下降，氣泡之間相互融合合并減少了基質(zhì)中氣泡的總體積；大量離子的流動(dòng)使水泥等膠凝材料的水化反應(yīng)更加充分，水化產(chǎn)物使孔壁厚度得到提高，填充了孔壁之間的間隙，使孔隙率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。圖2（a）中最小抗壓強(qiáng)度為0.70 MPa，最大抗壓強(qiáng)度為1.38 MPa，增長(zhǎng)97.14%，水膠比超過0.55后，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢。

（2）700級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為64.3%和59.8%，最大抗壓強(qiáng)度為1.71 MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)水膠比為0.50，進(jìn)一步增大水膠比，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（3）800級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為58.8%和56.7%，最大抗壓強(qiáng)度為2.21 MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)水膠比為0.55，進(jìn)一步增大水膠比，抗壓強(qiáng)度下降至2.10 MPa。

（4）900級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為54.0%和53.5%，最大抗壓強(qiáng)度為2.73 MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水膠比為0.55，較水膠比為0.40的抗壓強(qiáng)度提高49.19%，變化趨勢(shì)與800級(jí)相近。

（5）抗壓強(qiáng)度在低水膠比時(shí)隨水膠比的增大呈上升趨勢(shì)，這是由于隨水膠比增大，孔隙率降低，膠凝材料水化反應(yīng)加劇，抗壓強(qiáng)度及孔壁厚度得到提高；進(jìn)一步增大水膠比，孔隙率雖降低，但孔徑的增大使氣孔在基質(zhì)中分布不均勻，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了泡沫混凝土整體的抗壓強(qiáng)度。600、700、800、900級(jí)泡沫混凝土在水膠比由0.40增至0.60時(shí)，孔隙率分別降低5.24%、6.99%、3.57%和0.93%，表明隨干密度的增大，泡沫混凝土孔隙率減小幅度逐步降低，這是由于基料密度增大使氣泡在基質(zhì)內(nèi)的遷移受阻，孔隙率的變化趨于穩(wěn)定。因此水膠比的變化直接影響泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)又作用于抗壓強(qiáng)度。

2.3 孔隙率與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性

根據(jù)不同孔隙率（x）下泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度（y）對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，600～900級(jí)泡沫混凝土回歸方程參數(shù)可以用二次函數(shù)式（2）表示：

孔隙率與抗壓強(qiáng)度擬合曲線見圖3，回歸方程參數(shù)見表2。

圖3 泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度的擬合曲線

表2 泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度回歸方程參數(shù)

由表2可見，二次回歸方程的相關(guān)系數(shù)較高，這表明泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度間相關(guān)性較好，用二次函數(shù)擬合孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系有利于計(jì)算泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的峰值，確定最佳配比。

2.4 氣孔形態(tài)分析

圖4為600級(jí)泡沫混凝土在不同水膠比下的氣孔形貌。

圖4 600級(jí)泡沫混凝土氣孔形貌掃描照片

由圖4可見，在水膠比為0.50時(shí)，氣孔分布較為密集，相對(duì)孔徑較小、氣孔分布較為均勻，氣孔與氣孔間界限明顯，無明顯的合并趨勢(shì)；在水膠比為0.60時(shí)，泡沫混凝土氣孔的平均孔徑明顯增大，氣孔間界限較為模糊并有相互合并的趨勢(shì)，孔徑的分布相對(duì)不均勻，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水膠比增大，泡沫混凝土的平均孔徑呈增大趨勢(shì)、漿料內(nèi)部氣泡總體減少，泡沫混凝土的孔隙率降低。

（2）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大先提高后降低，這是由于孔徑的增大會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，降低抗壓強(qiáng)度，也說明孔結(jié)構(gòu)是決定泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

（3）泡沫混凝土的孔隙率與抗壓強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較好，可用于推測(cè)抗壓強(qiáng)度峰值。

（4）通過分析泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌發(fā)現(xiàn)，水膠比為0.50～0.55時(shí)的孔結(jié)構(gòu)比較合理，抗壓強(qiáng)度也最高。

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