耐候性試驗下泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)與熱工性能演變規(guī)律

丁 楊，董晶亮，王中平，黃神恩

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)(2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)(3.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804)

1 前 言

屋面作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，屋面保溫系統(tǒng)的耐候性能直接關(guān)系到其使用壽命，并對降低建筑能耗具有深遠(yuǎn)意義[1]。泡沫混凝土現(xiàn)澆屋面系統(tǒng)是目前使用最廣泛的屋面保溫系統(tǒng)之一，但仍需對其耐候性能提升技術(shù)做進(jìn)一步研究。樊均等針對環(huán)境因素對泡沫混凝土夾心保溫板的熱工耐久性進(jìn)行了研究[2]。向仁科等以脫硫石膏為基材，添加礦渣、水泥等制備了不同密度等級的石膏泡沫混凝土，試驗結(jié)果表明該泡沫混凝土具備更低的導(dǎo)熱系數(shù)[3]。崔玉理等研究了水和養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，當(dāng)水溫為35～40 ℃時，泡沫混凝土內(nèi)部孔徑分布均勻、連通孔少，導(dǎo)熱系數(shù)較小[4]。袁克闊通過正交試驗得到了自制泡沫混凝土的最佳配合比(其中以水泥為基本量，粉煤灰、珍珠巖、泡沫、防凍劑、減水劑和促凝劑的添加量與水泥質(zhì)量之比分別為18%，150%，2%，1%，30%，4%；聚丙烯纖維、水、防水劑的添加量與混凝土拌合物總質(zhì)量之比分別為0.2%，40%，0.3%)，研制出了一種高強(qiáng)、防寒、保溫的泡沫混凝土[5]。于水軍等通過研究鋼渣粉煤灰泡沫混凝土的熱工性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)密度可以作為衡量泡沫混凝土隔熱性及耐火性的指標(biāo)[6]。劉潤清等得出將中小孔與大孔的比例控制在10倍范圍內(nèi)，有助于使泡沫混凝土獲得最優(yōu)的耐干濕循環(huán)能力[7]。龐超明等發(fā)現(xiàn)離子的存在不影響混凝土中水分的傳輸方式，但會大大降低其毛細(xì)吸附和擴(kuò)散傳輸效果[8]。除了通過試驗分析泡沫混凝土材料在不同環(huán)境下的耐候性，還可以采用數(shù)值模擬的方法對其進(jìn)行研究。陳德鵬等給出了一種計算混凝土濕熱耦合變形的解析方法，并將實際工程結(jié)構(gòu)用混凝土變形的數(shù)值計算結(jié)果與實測值進(jìn)行對比，結(jié)果表明了該計算方法的合理性和有效性[9]。本團(tuán)隊通過COMSOL仿真對屋面保溫隔熱層進(jìn)行構(gòu)造模擬，得出材料組合、保溫層形狀、拼接方式和界面處材料對隔熱層傳熱性能的影響[10]。上述研究成果通過模擬仿真方法對泡沫混凝土的保溫性能和耐久性能進(jìn)行分析，但這一數(shù)值分析需要大量試驗予以驗證。

本文以泡沫混凝土為對象，研究材料在濕熱循環(huán)、干濕循環(huán)、高低溫循環(huán)、凍融循環(huán)和多場耦合循環(huán)5種耐候性試驗下的孔結(jié)構(gòu)、體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)變化率的演變規(guī)律，為今后泡沫混凝土現(xiàn)澆屋面保溫系統(tǒng)耐候性能設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 實 驗

2.1 實驗材料

本文采用上海蜀通建材有限公司生產(chǎn)的尺寸為300 mm×300 mm×25 mm的泡沫混凝土(FC)，如圖1所示。其導(dǎo)熱系數(shù)為實驗室測定數(shù)據(jù)，密度和比熱容為廠家提供數(shù)據(jù)，具體參見表1。

圖1 泡沫混凝土Fig.1 Foam concrete

表1 泡沫混凝土性能參數(shù)

2.2 實驗方法

濕熱環(huán)境參照GB/T 12000-2003《塑料暴露于濕熱、水噴霧和鹽霧中影響的測定》進(jìn)行構(gòu)建：設(shè)置GDJS-010L型恒溫恒濕箱內(nèi)溫度為60 ℃，濕度為93%RH(relative humidity，相對濕度)，將試樣置于此環(huán)境下循環(huán)112次，具體循環(huán)過程如圖2所示。

干濕循環(huán)試驗按照GB/T 11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》中關(guān)于干濕循環(huán)試驗規(guī)定進(jìn)行：將試樣置于60 ℃下干燥7 h，隨后空冷20 min，再放入(20±5) ℃的水中浸泡5 min為一個干濕循環(huán)，如此循環(huán)112次。

高低溫循環(huán)試驗按照GB/T 2423.34-2012《環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗ZAD：溫度濕度組合》進(jìn)行：將試樣于60 ℃高溫下暴露3 h(其中升溫1 h)，隨后直接在-20 ℃低溫下暴露3 h(其中降溫1 h)，此為一個循環(huán)，如此循環(huán)112次。

凍融循環(huán)試驗參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行：調(diào)節(jié)冰柜溫度在-18～-20 ℃，保證試樣的冷凍時間為4 h；冷凍結(jié)束后，立即將試樣轉(zhuǎn)入溫度為18～20 ℃的水箱中，保持1 h，如此循環(huán)112次。

多場耦合循環(huán)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 144-2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》附錄A中關(guān)于保溫隔熱材料耐候性試驗方法進(jìn)行：控制試樣表面溫度、濕度變化如圖2所示，24 h內(nèi)完成一次循環(huán)。試驗過程中，為保證壓力值恒定，在泡沫混凝土上疊放重物使其重力加載維持在2 kN/m2。

圖2 多場溫濕循環(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-field temperature and humidity circulation

對于5種試驗的試樣，分別在循環(huán)7，14，28，56，84，112次后測量其質(zhì)量和導(dǎo)熱系數(shù)，并按照以下方法計算其體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)變化率。泡沫混凝土的體積吸水率：首先將試樣在101-3GW型干燥箱中于105 ℃下干燥24 h，得到其絕干狀態(tài)下的質(zhì)量為m；然后使絕干狀態(tài)下的泡沫混凝土充分吸水24 h達(dá)到飽和，測得其吸水飽和后的質(zhì)量為m1；通過泡沫混凝土絕干狀態(tài)下的質(zhì)量和密度(表1)求出其絕干狀態(tài)下的體積V0，最后根據(jù)公式(1)求出泡沫混凝土的體積吸水率WV。

(1)

式中：ρw為水的密度，常溫下取1 g/cm3。

泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)直接采用FD-TC-Ⅱ型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行測定。根據(jù)公式(2)將材料在耐候性試驗期間的導(dǎo)熱系數(shù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)熱系數(shù)變化率：

(2)

式中：ROC為導(dǎo)熱系數(shù)變化率；λτ和λ0分別為材料不同時間段的導(dǎo)熱系數(shù)值和初始導(dǎo)熱系數(shù)值，單位為W/(m·K)。

經(jīng)過耐候性試驗后，泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)變化通過數(shù)碼照相機(jī)拍攝的照片來表征，并進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀性能分析

泡沫混凝土經(jīng)過5種耐候性試驗后，各試樣內(nèi)部孔隙的變化可用體積吸水率加以表征。體積吸水率值的大小取決于材料內(nèi)部的孔隙構(gòu)造。若材料具有微細(xì)且連通的孔隙，則吸水率就較大；若為封閉孔隙，則水分難以滲入，吸水率就較小；若是較粗的大開口孔隙，水分容易進(jìn)入，但不易在孔內(nèi)保留，僅起到潤濕孔壁的作用，吸水率也較小。

3.1.1 體積吸水率

從圖3中可直觀地看出泡沫混凝土經(jīng)過不同耐候性試驗后體積吸水率的變化。

圖3 泡沫混凝土在不同耐候性試驗中的體積吸水率Fig.3 Volume water absorption of foam concrete under different accelerated weathering tests

濕熱循環(huán)試驗中，泡沫混凝土存在凝膠間孔、顆粒間孔和宏孔，孔徑分布范圍為0.05～500 μm，除去無法保留水分的宏孔，其體積吸水率仍在20%以上。濕熱老化試驗過程中，隨著試驗時間的延長，泡沫混凝土的體積吸水率變化不大，當(dāng)循環(huán)112次時測量的體積吸水率相較于初始時僅有1.77%的增長。此過程中，泡沫混凝土的表面泡孔除不可避免的機(jī)械損傷外，大部分泡孔形狀完整、排列規(guī)則。

從圖3的干濕循環(huán)曲線得知，泡沫混凝土體積吸水率由初始值20.64%增長到25.63%，增長速率很大。隨著干濕循環(huán)試驗的進(jìn)行，泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)逐漸受到破壞，循環(huán)112次后泡孔破裂明顯，局部出現(xiàn)空洞。泡孔的破裂倒塌不僅造成泡沫混凝土質(zhì)量的損失，而且導(dǎo)致其中封閉孔數(shù)量的減少，孔之間連通性提高。因此，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，泡沫混凝土的體積吸水率逐漸提高。

由凍融循環(huán)試驗結(jié)果可知，泡沫混凝土在凍融循環(huán)前期和中期出現(xiàn)快速增長，凍融循環(huán)56次后試樣體積吸水率增長變緩，循環(huán)112次后其體積吸水率從23.97%提高到了29.38%。這是因為試驗前期，泡孔因凍融被破壞；隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，受到破壞的封閉孔數(shù)量增多，體積吸水率快速增長；而在試驗后期，雖然體積吸水率仍在增長，但增速減緩，這是由于隨著凍融循環(huán)試驗的進(jìn)行，中小孔因孔壁破壞而貫穿，逐漸形成大孔、宏孔甚至裂紋，水分無法保留在孔內(nèi)部，僅起到潤濕的作用，故而在試驗后期泡沫混凝土的體積吸水率的增長速率減緩。

高低溫循環(huán)試驗中泡沫混凝土體積吸水率緩慢增加，經(jīng)112次循環(huán)后，其體積吸水率從21.13%增加到了25.14%。原因與濕熱老化、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)類似：在溫度應(yīng)力下，泡孔開裂導(dǎo)致體積吸水率增加。在多場耦合試驗中，泡沫混凝土的體積吸水率呈緩慢增長趨勢，經(jīng)112次循環(huán)后，其體積吸水率從14.12%增長到16.88%，增幅2.76%。

3.1.2 導(dǎo)熱系數(shù)變化率

泡沫混凝土在不同耐候性試驗中的導(dǎo)熱系數(shù)變化率如圖4所示。泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)主要是由水泥砂漿硬化形成的孔壁及空氣填充的孔隙組成。根據(jù)Campbell-Allen模型[11]：泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與其固相占比相關(guān)，固相占比越高則其導(dǎo)熱系數(shù)值越大。

圖4 泡沫混凝土在不同耐候性試驗中的導(dǎo)熱系數(shù)變化率Fig.4 Variation of thermal conductivity of foam concrete under different accelerated weathering tests

濕熱環(huán)境下，泡沫混凝土的固相占比降低，氣相占比提高，而干燥空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較水泥砂漿的更低。因此，濕熱循環(huán)環(huán)境下，在泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)完整性沒有受損的前提下，因泡沫混凝土質(zhì)量損失，其導(dǎo)熱系數(shù)呈逐漸降低的趨勢，在循環(huán)結(jié)束后，僅降低了6%。

在干濕循環(huán)試驗中，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從初始值0.0724增長到0.0836 W/(m·K)，漲幅為15.47%。這是因為泡沫混凝土的泡孔結(jié)構(gòu)受到破壞，局部出現(xiàn)空洞，從而縮短了熱流在其中的傳輸路徑，導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)有所提高。經(jīng)過112次高低溫循環(huán)后，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增長率為6.68%。此過程中，泡沫混凝土因高低溫循環(huán)形成了裂紋，裂紋貫穿多個泡孔。隨著裂紋的增多，孔與孔之間的有效連通性也隨之增加，因此，使得熱流在泡沫混凝土內(nèi)部的傳輸路徑縮短，熱阻值降低，導(dǎo)熱系數(shù)增加，進(jìn)而影響了泡沫混凝土的保溫隔熱性能。

從凍融循環(huán)過程中試樣的導(dǎo)熱系數(shù)變化率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可知，凍融循環(huán)112次后泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)上升明顯，由初始值0.0789上升至0.0980 W/(m·K)，增長了24.21%。這是因為凍融循環(huán)嚴(yán)重破壞了泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)，經(jīng)112次凍融循環(huán)后，泡沫混凝土潰散嚴(yán)重，表面出現(xiàn)大量縱橫交錯的裂紋，并且成為熱流聚集處，極大地縮短了熱流在泡沫混凝土內(nèi)部的傳熱路徑，降低了材料的熱阻值，提高了其導(dǎo)熱系數(shù)。

經(jīng)過多場耦合試驗，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)從0.0720增長到0.0850 W/(m·K)，增幅18.06%。這是因為微細(xì)的裂紋遍布泡沫混凝土，裂紋寬度約為100 μm，長度在1 cm左右，貫穿2～4個泡孔。這些裂紋在傳熱過程中成為熱流集中通過的通道，降低了泡沫混凝土的有效熱阻。多場耦合中高低溫交變使泡沫混凝土泡孔內(nèi)的冷凝水飽和，泡孔壁因凍融開裂，且其上方施加的恒定壓應(yīng)力加速了微裂紋的擴(kuò)展。隨著多場耦合循環(huán)周期的增加，裂紋數(shù)目不斷增加，因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)也逐漸提高。

3.2 微觀分析

3.2.1 干濕循環(huán)

圖5是干濕循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的數(shù)碼照片，可以明顯看到泡孔的破裂。結(jié)合圖3和圖4可知，泡沫混凝土經(jīng)過干濕循環(huán)后，其體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加。這是因為泡孔的破壞，增加了孔與孔之間的連通性，增大了泡沫混凝土的孔隙率，同時縮短了熱流的傳熱路徑，降低了材料的熱阻，從而使材料的保溫隔熱性能降低。

圖5 干濕循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土的數(shù)碼照片：(a)初始試樣，(b)干濕循環(huán)28次，(c)干濕循環(huán)112次Fig.5 Digital photos of foam concrete with different dry-wet cycles: (a) original sample, (b) 28 dry-wet cycles, (c) 112 dry-wet cycles

3.2.2 高低溫循環(huán)

圖6為泡沫混凝土經(jīng)過不同次高低溫循環(huán)試驗后的表面宏觀形貌圖。經(jīng)過112次高低溫循環(huán)試驗后，泡沫混凝土的泡孔發(fā)生破壞、倒塌并出現(xiàn)裂縫，開孔率進(jìn)一步提高，孔與孔之間的連通性也有所提高，從而導(dǎo)致材料的體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高。

圖6 高低溫循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土的表面形貌：(a)初始試樣，(b)高低溫循環(huán)112次Fig.6 The surface morphologies of foam concrete after different high-low temperature cycles: (a) original sample, (b) 112 high-low temperature cycles

3.2.3 凍融循環(huán)

未經(jīng)凍融循環(huán)及分別經(jīng)歷28次和112次凍融循環(huán)后的泡沫混凝土的數(shù)碼照片如圖7所示。經(jīng)112次凍融循環(huán)后，泡沫混凝土表面分布著大大小小的網(wǎng)絡(luò)狀裂紋，泡孔破裂倒塌嚴(yán)重。試驗過程中，試樣被搬動、浸水時，構(gòu)成泡沫混凝土孔壁的水泥砂漿顆粒因泡沫混凝土開裂脫離本體。這是導(dǎo)致泡沫混凝土經(jīng)凍融試驗后體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)提高的根本原因。

3.2.4 多場耦合

多場耦合試驗中設(shè)定相對濕度值為93%，溫度為60 ℃，以保證恒溫恒濕箱內(nèi)有較多的水汽。降溫時，水汽在泡沫混凝土孔內(nèi)凝結(jié)液化，雖無法使大孔飽水，但其中小孔徑的泡孔可能因此充水飽和。隨后在-20 ℃的低溫環(huán)境中，泡孔內(nèi)的水結(jié)冰膨脹，使泡孔壁開裂破壞。此外，在泡沫混凝土上方施加的壓應(yīng)力可能加劇凍融對泡沫混凝土的破壞，其經(jīng)過不同時期多場耦合作用后的形貌如圖8所示。因此，孔結(jié)構(gòu)的破壞和孔隙率的提高是導(dǎo)致泡沫混凝土體積吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高的根本原因。

圖7 凍融循環(huán)不同次數(shù)后泡沫混凝土的數(shù)碼照片：(a)初始試樣，(b)凍融循環(huán)28次，(c)凍融循環(huán)112次Fig.7 Digital photos of foam concrete with different freeze-thaw cycles: (a) original sample, (b) 28 freeze-thaw cycles, (c) 112 freeze-thaw cycles

圖8 多場耦合作用下不同時期泡沫混凝土的數(shù)碼照片：(a)初始試樣，(b)經(jīng)28次多場耦合作用，(c)經(jīng)112次多場耦合作用Fig.8 Digital photos of foam concrete in different stages of multi-field coupling cycles: (a) original sample, (b) after 28 multi-field coupling cycles, (c) after 112 multi-field coupling cycles

4 結(jié) 論

本文對泡沫混凝土在濕熱循環(huán)、干濕循環(huán)、高低溫循環(huán)、凍融循環(huán)和多場耦合循環(huán)等環(huán)境中的耐候性能展開了詳細(xì)的研究，得到了如下結(jié)論：

(1)泡沫混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)駸崂匣阅堋＝?jīng)過112次濕熱循環(huán)試驗后，其體積吸水率僅增長了1.77%，導(dǎo)熱系數(shù)僅降低了6%。

(2)干濕循環(huán)環(huán)境對泡沫混凝土材料的導(dǎo)熱性能影響較大。經(jīng)過112次的干濕循環(huán)試驗，其體積吸水率由20.64%增長到25.63%，導(dǎo)熱系數(shù)由0.0724增長到0.0836 W/(m·K)，漲幅15.47%。

(3)高低溫循環(huán)環(huán)境對泡沫混凝土的導(dǎo)熱性能影響不顯著。經(jīng)過112次高低溫循環(huán)試驗，其體積吸水率由21.13%增長到25.14%，導(dǎo)熱系數(shù)增大了6.68%。

(4)凍融循環(huán)嚴(yán)重破壞了泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)，極大地縮短了熱流在其內(nèi)部的傳熱路徑，降低了材料的熱阻值。經(jīng)過112次凍融循環(huán)后，泡沫混凝土體積吸水率由23.97%增長到29.38%，導(dǎo)熱系數(shù)由0.0789上升至0.0980 W/(m·K)，增長了24.21%。

(5)經(jīng)過112次多場耦合試驗，泡沫混凝土的體積吸水率由14.12%增長到16.88%，導(dǎo)熱系數(shù)從0.0720增長到0.0850 W/(m·K)，增幅18.06%。多場耦合作用下的泡沫混凝土受到凍融、高低溫和干濕循環(huán)的聯(lián)合作用：小孔徑泡孔內(nèi)冷凝水飽和，泡孔壁因凍融開裂，恒定壓應(yīng)力加速了微裂紋的擴(kuò)展。隨著作用時間增加，長度為2～4 cm的裂紋數(shù)目增多，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高。