橡膠粉摻量對(duì)泡沫混凝土性能影響的研究

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(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 引言

泡沫混凝土，又稱為發(fā)泡水泥，是將泡沫劑水溶液制成的泡沫加入到水泥、粉煤灰、砂、水及外加劑組成的料漿中，經(jīng)過(guò)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的輕質(zhì)多孔的混凝土制品[1]，是一種節(jié)能、環(huán)保、利廢的新型建筑材料[2]。泡沫混凝土以其輕質(zhì)多孔、保溫隔熱、隔聲降噪、防火耐久等優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于建筑、巖土、市政等工程領(lǐng)域[3-6]。但是，由于泡沫混凝土制作過(guò)程中采用較大的水灰比(一般在0.5以上)，在凝結(jié)硬化過(guò)程中水分大量散失、收縮變形，其制品多出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，這是泡沫混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用中存在的最顯著問(wèn)題之一。這不僅對(duì)其保溫性能、抗?jié)B性、抗凍性等產(chǎn)生不良影響，而且也是國(guó)內(nèi)一大批泡沫混凝土砌塊生產(chǎn)線停產(chǎn)的主要原因[7]。近些年，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)泡沫混凝土的干縮開(kāi)裂性能做了大量研究。管文[8]通過(guò)摻加萘系減水劑降低泡沫混凝土的水灰比，提高漿體粘度，減少物料分層離析和收縮下沉的幾率，抵消部分收縮應(yīng)力，對(duì)抑制泡沫混凝土的干縮起到一定的積極作用。袁偉等[9]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻加分散性良好的PP纖維，可在泡沫混凝土中形成一種均勻亂向的支撐體系，消耗混凝土硬化過(guò)程中的收縮應(yīng)力，從而阻斷收縮裂紋的發(fā)展。何愛(ài)順等[10]研究發(fā)現(xiàn)HCSA膨脹劑中的硫鋁酸鈣水化產(chǎn)生鈣礬石，可以減少泡沫混凝土中水泥顆粒早期水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮和物理收縮。蔣俊等[11]研究了水料比、減縮劑、玻璃纖維、固化硫?qū)ε菽炷潦湛s性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，減縮劑SRA可以減小泡沫混凝土的毛細(xì)孔張力，補(bǔ)償收縮。他們提出的方法在解決泡沫混凝土干縮開(kāi)裂問(wèn)題上提供了很好的思路，但是實(shí)際效果不能很好地滿足工程中對(duì)泡沫混凝土抗裂性能的要求。

橡膠粉是通過(guò)粉碎機(jī)將廢舊汽車輪胎等橡膠制品粉碎，再經(jīng)過(guò)研磨、清洗等工序制作而成的一種綠色材料[12]，粒徑一般為1～2 mm或更小[13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明：加入橡膠粉可以有效改善混凝土的抗裂性能、抗凍融性能、沖擊韌性，降低混凝土的脆性、吸水率，具有良好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，廉價(jià)易得，應(yīng)用前景廣泛[14-16]。但是，有關(guān)橡膠粉在泡沫混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外還鮮有報(bào)道。因此，筆者通過(guò)探究摻加橡膠粉對(duì)泡沫混凝土性能的影響，以期改善其開(kāi)裂性能，拓展其工程應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用天津市水泥實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的駱駝牌P·O42.5，主要性能指標(biāo)如表1所示。橡膠粉選用四川金摩爾環(huán)保材料有限公司生產(chǎn)的60目橡膠粉，由廢舊輪胎機(jī)械磨碎制成，表觀密度為1 050 kg/m3。發(fā)泡劑為天津永暖建材科技開(kāi)發(fā)有限公司提供的復(fù)合類發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)30倍。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 341—2014)，設(shè)計(jì)干密度為500 kg/m3，水灰比為0.5，橡膠粉摻量分別為設(shè)計(jì)干密度的0～9%,梯度為3%。

表2 泡沫混凝土配合比

1.3 制備工藝

按試驗(yàn)配合比將水泥及橡膠粉等粉末狀材料混合并預(yù)攪拌，倒入砂漿攪拌機(jī)中慢轉(zhuǎn)1 min使材料充分混合，緩慢加入水，再攪拌2～3 min。然后，加入制備好的泡沫，快速攪拌2 min后將料漿倒入涂抹脫模劑的模具中，自然養(yǎng)護(hù)24 h脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

泡沫混凝土的干密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度的測(cè)定，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土》(JC/T 266-2011)；抗裂性能試驗(yàn)采用圓環(huán)約束收縮試驗(yàn)法。

(1)干密度試驗(yàn)。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3個(gè)試件。試件于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后取出，置于干燥鼓風(fēng)箱中，溫度設(shè)定為65 ℃，烘干至前后2次相隔4 h質(zhì)量差不大于1 g[17]，取出后立即放入干燥器中冷卻至常溫，快速稱取質(zhì)量m0，測(cè)量得體積V，干密度ρ0按公式(1)計(jì)算。

(1)

(2)真密度及孔隙率試驗(yàn)。將干密度試驗(yàn)烘干后的試件打碎后隨機(jī)取樣，使用研缽研磨至粉末狀，在110±5 ℃的溫度下干燥1 h，取出后放在干燥器中冷卻至室溫，稱取樣品60 g，稱重精確至0.01 g。將無(wú)水煤油注入李氏瓶中至0～1 ml刻度線，蓋上瓶塞放入恒溫水浴箱中，恒溫30 min，記下初始讀數(shù)V1。從恒溫水槽中取出李氏瓶，用濾紙將李氏瓶細(xì)長(zhǎng)頸內(nèi)沒(méi)有煤油的部分仔細(xì)擦干凈。用小藥匙將樣品裝入李氏瓶中，反復(fù)搖晃至沒(méi)有氣泡排出，再次將李氏瓶靜置于恒溫水浴箱中，恒溫30 min，記下第二次讀數(shù)V2。泡沫混凝土真密度ρ1及孔隙率φ按式(2)、式(3)計(jì)算。

(2)

(3)

(3)吸水率試驗(yàn)。試件尺寸及數(shù)量同干密度試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，烘干至恒重，置于干燥器中冷卻至常溫后稱取質(zhì)量m0，然后將試件放入20 ℃恒溫水槽中，加水至試件高度1/3，保持1 d。再加水至試件高度2/3處，保持1 d。繼續(xù)加水至沒(méi)過(guò)試件30 mm，保持1 d后取出,用濕抹布快速擦干表面水分并立即稱取質(zhì)量m1。使用式(4)、式(5)分別計(jì)算體積吸水率WV和質(zhì)量吸水率WM。

(4)

(5)

式中,ρw為水的密度。

(4)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件尺寸同干密度試驗(yàn)，每組9個(gè)試件，拆模后立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d后取出，將試件放在溫度為65 ℃的干燥鼓風(fēng)箱中烘干至恒重后放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，加載速度取0.5 kN/s。

(5)圓環(huán)約束收縮試驗(yàn)。試驗(yàn)采用不銹鋼同心圓環(huán)試模，成型試件外徑為140 mm，內(nèi)徑為100 mm，高度為40 mm，每組3個(gè)試件。試件澆筑后，置于室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)48 h后拆除外模，連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h，記錄試件開(kāi)裂時(shí)間，為方便裂紋寬度測(cè)量，于試件開(kāi)裂24 h后測(cè)量裂縫寬度,如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

表3是不同橡膠摻量的泡沫混凝土的干密度、孔隙率、吸水率、抗壓強(qiáng)度、開(kāi)裂時(shí)間和裂縫寬度試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 橡膠粉對(duì)泡沫混凝土干密度及孔隙率的影響

圖2 干密度、孔隙率與橡膠粉摻量的關(guān)系曲線

干密度是影響泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素之一，兩者具有良好的相關(guān)性。在實(shí)際工程中配制泡沫混凝土，通常以其密度來(lái)估算配制混凝土的強(qiáng)度。圖2是橡膠粉摻量對(duì)泡沫混凝土干密度和孔隙率的影響。由圖可知：(1)隨著橡膠粉摻量的不斷增大，泡沫混凝土的干密度在不斷地減小，當(dāng)橡膠粉摻量達(dá)9%時(shí)，相對(duì)基準(zhǔn)組干密度減小了58 kg/m3。干密度減小的原因是橡膠粉的摻加減少了水泥的用量，而橡膠粉的表觀密度僅是水泥的1/3左右，這無(wú)疑會(huì)降低泡沫混凝土的密度；同時(shí)由于橡膠粉是一種非極性的有機(jī)材料[18-19]，具有憎水性，使得相同體積的泡沫混凝土漿液中含水量降低，從而影響水泥水化產(chǎn)物的形成，導(dǎo)致干密度降低。(2)泡沫混凝土的孔隙率隨橡膠粉摻量的增大而減小，當(dāng)橡膠粉摻量為9%時(shí)，泡沫混凝土孔隙率為16.4%。泡沫混凝土孔隙率減小是因?yàn)橄鹉z粉是由廢舊橡膠機(jī)械磨碎而成，其表面較為粗糙，具有大量的尖銳棱角，很容易劃傷泡沫，導(dǎo)致泡沫破裂[20]，降低了混凝土的孔隙率。此外，橡膠粉摻量為9%時(shí)，泡沫混凝土的孔隙率相對(duì)基準(zhǔn)組僅減小2.5%，這也反映了橡膠粉對(duì)泡沫的穩(wěn)定性影響很小，因此其滿足JC/T 266—2011對(duì)泡沫混凝土集料的要求。

2.2 橡膠粉對(duì)泡沫混凝土吸水率的影響

圖3 泡沫混凝土吸水率與橡膠粉摻量的關(guān)系

吸水率是衡量泡沫混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，可以分為質(zhì)量吸水率和體積吸水率2種。質(zhì)量吸水率是指材料所吸收水分的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，體積吸水率是指材料吸收水分的體積占干燥自然體積的百分?jǐn)?shù)。由于橡膠粉的加入，泡沫混凝土具有很多開(kāi)口微小的孔隙，質(zhì)量吸水率往往偏大，此時(shí)宜用體積吸水率來(lái)衡量其吸水性[20]。

圖3為橡膠粉摻量對(duì)泡沫混凝土體積吸水率和質(zhì)量吸水率的影響。隨橡膠粉摻量的增大，泡沫混凝土的體積吸水率減小，且減小的幅度逐漸增大，當(dāng)橡膠粉摻量為9%時(shí)，泡沫混凝土體積吸水率降低約3%。對(duì)照?qǐng)D2，圖3可以發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土的體積吸水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其孔隙率，僅是其22%左右。這是因?yàn)榕菽炷林械臍饪状蠖嗍潜荒痰乃嗍鼑姆忾]孔隙，水分不易進(jìn)入，同時(shí)試件表面與外界連通的粗大孔隙，水分又不易留存，故而體積吸水率要低于孔隙率。

2.3 橡膠粉對(duì)泡沫混凝土抗裂性能的影響

圖4 泡沫混凝土開(kāi)裂時(shí)間和裂縫寬度與橡膠粉摻量的關(guān)系

圖4為泡沫混凝土圓環(huán)收縮試驗(yàn)得到的開(kāi)裂時(shí)間與裂縫寬度結(jié)果?？梢钥闯觯?1)橡膠粉的摻入可以明顯延長(zhǎng)泡沫混凝土的開(kāi)裂時(shí)間，并且這種效果隨著橡膠粉摻量的增加更加顯著。當(dāng)橡膠粉摻量為3%時(shí)，泡沫混凝土的開(kāi)裂時(shí)間延遲了1.6 h；摻量為6%時(shí)，開(kāi)裂時(shí)間為基準(zhǔn)組的1.49倍，延長(zhǎng)5.6 h；摻量為9%時(shí)，開(kāi)裂時(shí)間相對(duì)基準(zhǔn)組開(kāi)裂時(shí)間延長(zhǎng)了64%，延長(zhǎng)7.3 h。橡膠粉延緩泡沫混凝土開(kāi)裂的原因是微小的橡膠顆粒在泡沫混凝土中形成了大量微小彈性單元，有效阻止了周圍水泥基材料因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的受拉裂縫的發(fā)展，從而延緩泡沫混凝土的開(kāi)裂。(2)隨著橡膠粉摻量百分比的增加，泡沫混凝土開(kāi)裂24 h后的裂縫寬度逐漸減小，當(dāng)橡膠粉摻加9%時(shí)，裂縫寬度減小至1.07 mm。

2.4 橡膠粉對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖5是橡膠粉摻量對(duì)泡沫混凝土3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的影響，由圖可知，隨橡膠粉摻量增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，最高降幅達(dá)到50%。以28 d抗壓強(qiáng)度曲線來(lái)看，與基準(zhǔn)組泡沫混凝土相比，橡膠粉摻量為3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低19%；橡膠粉摻量為6%時(shí)，強(qiáng)度下降約33%；橡膠粉摻量為9%時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失嚴(yán)重，超過(guò)50%。另外，橡膠粉的摻入使得泡沫混凝土具有一定的早強(qiáng)效應(yīng)，當(dāng)橡膠粉摻量為9%時(shí)，泡沫混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的76.4%。泡沫混凝土強(qiáng)度降低的原因是橡膠粉的摻入，減少了作為膠凝材料的水泥的用量，而橡膠粉作為一種惰性材料，不參與水化反應(yīng)，使得整個(gè)體系的水化反應(yīng)速率在一定程度上受到影響，延緩了泡沫混凝土的凝結(jié)硬化。此時(shí)泡沫混凝土中的氣泡在浮力等作用下，小氣泡內(nèi)氣體向大氣泡擴(kuò)散[20],如圖6所示,最終導(dǎo)致大泡沫數(shù)量增多、連通穿并。泡沫混凝土試件在受壓過(guò)程中壓應(yīng)力集中于大氣泡引起開(kāi)裂，致使抗壓強(qiáng)度降低。

圖5 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與橡膠粉摻量的關(guān)系

圖6 泡沫混凝土中氣體擴(kuò)散示意圖

2.5 橡膠粉-水泥石微觀結(jié)構(gòu)

圖7為基準(zhǔn)組泡沫混凝土和6%摻量橡膠粉泡沫混凝土的SEM照片，從圖中可以看出，基準(zhǔn)組泡沫混凝土氣孔孔徑圓潤(rùn)，內(nèi)壁光滑，孔壁較厚，且厚度相差較大。而摻加橡膠粉的泡沫混凝土的孔徑多呈橢圓形，內(nèi)壁粗糙，孔壁厚度較薄且比較均勻，這也是橡膠粉泡沫混凝土強(qiáng)度降低的一個(gè)原因。橡膠粉微粒填充于孔壁之間，表面良好，未與水泥產(chǎn)生反應(yīng)，且與水泥石之間存在一個(gè)界面過(guò)渡區(qū)。過(guò)渡區(qū)存在較多的微小裂紋，結(jié)構(gòu)疏松。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)組泡沫混凝土的水化產(chǎn)物結(jié)晶尺寸粗大，而摻加橡膠粉的泡沫混凝土的水化產(chǎn)物則晶粒較小。這是由于橡膠粉是一種非極性材料，具有很強(qiáng)的憎水性，減小了水向橡膠粉表面遷移的體積和速度，使得表面處的水灰比減小，Ca(OH)2晶體發(fā)育速度緩慢，晶粒大小減小[21]。

圖7 泡沫混凝土的SEM照片

3 結(jié)論

(1)隨橡膠粉摻量增大，泡沫混凝土的干密度及孔隙率逐漸減小，橡膠粉摻量為9%時(shí)，干密度相對(duì)基準(zhǔn)組減小了58 kg/m3，吸水率減小了2.5%。

(2)泡沫混凝土的體積吸水率減隨橡膠粉摻量的增大而減小，且減小的幅度逐漸增大。同時(shí)，泡沫混凝土的體積吸水率遠(yuǎn)小于其孔隙率，僅為孔隙率的22%。

(3)摻入橡膠粉可以有效延長(zhǎng)泡沫混凝土的開(kāi)裂時(shí)間，減小裂縫寬度。9%橡膠粉摻量的混凝土較基準(zhǔn)組開(kāi)裂時(shí)間延長(zhǎng)約64%，裂縫寬度減小超過(guò)65%。

(4)橡膠粉對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯的不利影響，當(dāng)橡膠粉摻量為9%時(shí)，28 d強(qiáng)度損失超過(guò)50%。

(5)橡膠粉微粒不參與水泥水化反應(yīng)，主要填充于孔壁之間。橡膠粉-水泥石存在過(guò)渡區(qū)界面，結(jié)構(gòu)疏松，削弱了泡沫混凝土的強(qiáng)度。