泡沫混凝土的抗氯離子滲透性能研究

胡 敏，項(xiàng)騰飛，陳德鵬,1b，高恒昌

(1.安徽工業(yè)大學(xué)a.建筑工程學(xué)院，b.綠色建材研究所，安徽馬鞍山243032；2.中建安裝集團(tuán)有限公司，江蘇南京210000)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，沿海地區(qū)建筑規(guī)模越來(lái)越大，但沿海地區(qū)空氣中氯鹽含量較多，對(duì)混凝土的危害較大，因此保證沿海地區(qū)建筑物在氯鹽環(huán)境下的耐久性尤為重要[1]。泡沫混凝土是一種輕質(zhì)混凝土材料，具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)好、流動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，其內(nèi)部封閉的氣孔可阻礙空氣中氯離子的滲透。探究泡沫混凝土作為保護(hù)層的可行性，對(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的抗氯離子滲透性能具有深遠(yuǎn)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：改變混凝土水灰比[4]、齡期[5]、荷載作用位置[6]、服役環(huán)境[7]等會(huì)影響氯離子擴(kuò)散系數(shù)；Kurumatani等[8]通過(guò)數(shù)值模擬混凝土內(nèi)部裂縫情況，提出了氯離子濃度、壽命預(yù)測(cè)模型；通過(guò)添加粉煤灰、礦粉[9]、石灰石[10]、硅灰[11]改善混凝土抗氯離子滲透性能；利用氯離子自然擴(kuò)散試驗(yàn)，分析輕質(zhì)骨料混凝土[12]、再生混凝土[13]、自密實(shí)混凝土[14]中氯離子滲透情況?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)控制變量的方法研究發(fā)泡劑種類、發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)、泡沫混凝土水灰比、發(fā)泡劑含量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)和孔隙率的影響，分析其相互作用，并將非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)與孔隙率進(jìn)行擬合，驗(yàn)證泡沫混凝土作為保護(hù)層提高普通混凝土抗氯離子滲透性能的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用發(fā)泡劑為L(zhǎng)G-3210，LG-2258，MP-50H、十二烷基硫酸鈉(K12)、河南華泰建材公司生產(chǎn)的復(fù)合型發(fā)泡劑(簡(jiǎn)稱HT)和植物活性劑發(fā)泡劑等6種，對(duì)應(yīng)發(fā)泡劑類型1～6。水泥為海螺牌P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分和性能指標(biāo)見(jiàn)表1，2。

表1 水泥主要成分，w/%Tab.1 Main components of the cement，w/%

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫混凝土發(fā)泡劑的優(yōu)選試驗(yàn)

進(jìn)行泡沫混凝土發(fā)泡劑的優(yōu)選試驗(yàn)，從6 種發(fā)泡劑中選擇性能最好的1種作為泡沫混凝土保護(hù)層發(fā)泡劑。JG/T 266—2011[15]中明確指出，發(fā)泡劑的性能指標(biāo)主要通過(guò)發(fā)泡倍數(shù)、1 h 沉降距和1 h 泌水量來(lái)表征，如表3。

1)發(fā)泡倍數(shù)

將制成的6 種發(fā)泡劑泡沫分別裝入容積為250 mL、直徑為60 mm的無(wú)底玻璃桶內(nèi)，兩端抹平，測(cè)量玻璃桶容積、質(zhì)量及玻璃桶和泡沫總質(zhì)量，按式(1)計(jì)算：

式中：M為發(fā)泡倍數(shù)；Vb為玻璃桶的容積，mm；m1為玻璃桶質(zhì)量，g；m2為玻璃桶和泡沫的總質(zhì)量，g；ρ為發(fā)泡劑水溶液的密度，g/mm3。

2)沉降距和泌水量

沉降距和泌水量試驗(yàn)裝置如圖1。將制成的6 種發(fā)泡劑泡沫裝入高為30 cm、直徑為7.5 cm 的PVC管中，兩端抹平，一端置于紗網(wǎng)上，另一端覆蓋一張卡紙，垂直放入容器內(nèi)。將裝置置于平靜無(wú)風(fēng)環(huán)境中，1 h后測(cè)量紙片覆蓋端泡沫下降距離和容器內(nèi)水的體積，即為1 h沉降距和1 h泌水量。

1.2.2 泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)JG/T 266—2011[16]中相關(guān)要求對(duì)不同配合比的泡沫混凝土試件分別進(jìn)行攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。各組泡沫混凝土試件配合比如表4。

表2 水泥性能指標(biāo)Tab.2 Performance indexes of the cement

表3 發(fā)泡劑性能指標(biāo)Tab.3 Performance indexes of the foaming agent

圖1 沉降距和泌水量試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device of settling distance and bleeding

圖2 RCM法試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device of the RCM method

1.2.3 泡沫混凝土的抗氯離子滲透性能試驗(yàn)

在氯鹽環(huán)境下，混凝土的服役壽命與氯離子在其內(nèi)部傳輸機(jī)理密切相關(guān)，氯離子在混凝土內(nèi)部的傳輸方式大致有毛細(xì)孔作用、滲透作用、擴(kuò)散作用、對(duì)流作用和電化學(xué)遷移等5種。氯離子滲透是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，通常情況下每次滲透包含多個(gè)不同的傳輸方式才能到達(dá)結(jié)構(gòu)內(nèi)部。本試驗(yàn)采用快速氯離子遷移系數(shù)法(簡(jiǎn)稱RCM 法)測(cè)量并計(jì)算非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，定量評(píng)價(jià)泡沫混凝土抗氯離子滲透能力。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)加快離子自然擴(kuò)散，利用化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象確定氯離子濃度—距離—時(shí)間的關(guān)系。試驗(yàn)裝置如圖2。

根據(jù)GB/T 50082—2009[17]中RCM法的要求，在試驗(yàn)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)采用TP677數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量陽(yáng)極溶液的溫度θ。試驗(yàn)結(jié)束使用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件高度L，將試件沿軸線劈開(kāi)，噴涂顯色試劑，測(cè)量氯離子滲透深度X。泡沫混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)按式(2)計(jì)算

式中：DRCM為混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷徙系數(shù)，精確到0.1×10-12m2/s；U為試驗(yàn)用電壓絕對(duì)值，V；θ為陽(yáng)極溶液的開(kāi)始與結(jié)束時(shí)溫度平均值，℃；L為試件厚度，mm，精確至0.1 mm；X為氯離子滲透深度平均值，mm，精確至0.1 mm；t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，h。

1.2.4 孔隙率的測(cè)定

試件孔隙率測(cè)定方法主要有直接計(jì)算法、浸泡介質(zhì)法、圖像分析法，文中選擇直接計(jì)算法測(cè)定不同配合比泡沫混凝土試件的孔隙率Δ，按式(3)計(jì)算

式中：m為烘干后泡沫混凝土的質(zhì)量，g；ρS為泡沫混凝土對(duì)應(yīng)致密固體的密度，g/cm3；VP為泡沫混凝土體積，cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 泡沫混凝土發(fā)泡劑的性能

6種發(fā)泡劑的性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3。由圖3可知：6種發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)均大于20，滿足泡沫混凝土發(fā)泡倍數(shù)要求，其中HT型發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)為44倍，優(yōu)于其他5種發(fā)泡劑；除MP-50H型發(fā)泡劑的1 h沉降距不符合要求，其余均滿足規(guī)范要求，其中HT型發(fā)泡劑1 h沉降距最小，為5 mm；6種發(fā)泡劑1 h泌水量均小于80 mL，其中HT型發(fā)泡劑泌水效果最好。

圖3 發(fā)泡劑性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results performance of foaming agent

綜上所述，在稀釋倍數(shù)和發(fā)泡時(shí)間相同的情況下，HT型發(fā)泡劑發(fā)泡性能優(yōu)異，泡沫穩(wěn)定性較好。因此選用HT型發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡，展開(kāi)后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素

根據(jù)表4配合比設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展12組泡沫混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。由圖4可知：泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨著稀釋倍數(shù)的增加而降低，這是因?yàn)橄♂尡稊?shù)較小時(shí)，細(xì)小且少量泡沫與水泥漿體的結(jié)合更為穩(wěn)定，隨著稀釋倍數(shù)的增加，泡沫孔徑增大，故強(qiáng)度隨之降低；隨著水灰比的增加，泡沫混凝土強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)水灰比超過(guò)一定范圍，水泥漿體稀釋過(guò)度，易產(chǎn)生水泥下沉現(xiàn)象且原先在氣孔壁的孔隙形成連通的孔，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度顯著降低；隨著發(fā)泡劑含量的增加，泡沫混凝土強(qiáng)度整體呈減小趨勢(shì)，尤其在質(zhì)量比由0.6%上升至0.8%，抗壓強(qiáng)度下降較為明顯。發(fā)泡劑含量的增加必然使泡沫量增加，水泥漿體對(duì)于內(nèi)部孔隙的包裹會(huì)變薄，因此強(qiáng)度減?。欢?dāng)發(fā)泡劑含量過(guò)大時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)部大量存在的氣孔增加了出現(xiàn)相互連通的可能性，故抗壓強(qiáng)度驟然減小。

2.3 泡沫混凝土抗氯離子滲透性能的影響因素

2.3.1 泡沫混凝土抗氯離子滲透性能

圖4 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素Fig.4 Influence factors of compressive strength of the foam concrete

圖5 抗氯離子滲透性能和孔隙率的影響因素Fig.5 Influence factors of resistance to chloride ion penetration and porosity

泡沫混凝土抗氯離子滲透性能的試驗(yàn)結(jié)果如圖5。由圖5(a)可知：在發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)從40倍增加到60倍時(shí)，泡沫混凝土孔隙明顯增多，氯離子遷移系數(shù)下降；在稀釋倍數(shù)達(dá)到70時(shí)，產(chǎn)生的泡沫大小不均勻，孔隙過(guò)大，導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)驟增。由圖5(b)可知：水灰比對(duì)于非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)與孔隙率的影響均呈先減小后增大的趨勢(shì)，尤其在水灰質(zhì)量比為0.5時(shí)，非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)和孔隙率達(dá)到最低值，分別為8.0×10-12m2/s，75.25%。這是由于水灰比較低時(shí)，泡沫在拌制時(shí)遇到未溶解的水泥，導(dǎo)致氣泡消散，成型后的泡沫混凝土內(nèi)部氣孔較少，抗氯離子滲透性能較差；當(dāng)水灰比較大時(shí)，水泥漿體過(guò)度稀釋，泡沫在成型過(guò)程中不斷上升，最終在表面形成氣孔聚集且連通的薄水泥層，因此抗氯離子滲透性能不斷降低。由圖5(c)可知：較圖5(a)，(b)而言，圖5(c)中抗氯離子滲透性能有明顯提升，發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，泡沫混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)為5.81×10-12m2/s，較普通混凝土的抗氯離子滲透能力提升60%；而當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8%時(shí)，孔隙率過(guò)大，過(guò)量的泡沫對(duì)抗氯離子滲透性能起反作用。綜上所述，12組泡沫混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)最高為10.76×10-12m2/s，證實(shí)泡沫混凝土可以提高氯離子滲透性能。

2.3.2 抗氯離子滲透性與孔隙率的關(guān)系

對(duì)不同孔隙率x下非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)y進(jìn)行曲線擬合，其回歸方程參數(shù)可用式(4)表示

孔隙率和非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)曲線擬合結(jié)果如圖6。由圖6 可知：二次型函數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.924 4，表明孔隙率與非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)的相關(guān)性較高；孔隙率過(guò)大或過(guò)小時(shí)，非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)越大，抗氯離子滲透性越差，這是因?yàn)榭紫堵蔬^(guò)大增加了孔隙之間連通的可能性，氯離子通過(guò)連通的孔在泡沫混凝土中擴(kuò)散，而小孔隙率對(duì)于氯離子的傳輸路徑阻礙較小。故只有在適當(dāng)?shù)目紫堵蕰r(shí)，泡沫混凝土的抗氯離子性能才能發(fā)揮。

圖6 曲線擬合結(jié)果Fig.6 Results of fitting curve

3 結(jié) 論

試驗(yàn)研究發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)、水灰比、發(fā)泡劑含量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)和孔隙率的影響，得出以下結(jié)論：

1)在稀釋倍數(shù)和發(fā)泡時(shí)間相同時(shí)，HT型發(fā)泡劑的發(fā)泡性能優(yōu)于其他5種發(fā)泡劑；

2)泡沫混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)于普通混凝土，當(dāng)發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)為60倍、水灰質(zhì)量比為0.5、發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，泡沫混凝土抗氯離子滲透性能最佳，非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)為5.81×10-12m2/s；

3)泡沫混凝土的孔隙率與非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較好，當(dāng)孔隙率偏大或偏小時(shí)，抗氯離子滲透性較差；

4)氣孔在泡沫混凝土內(nèi)部所處的狀態(tài)對(duì)泡沫混凝土抗氯離子滲透性能有明顯的影響，均勻的氣孔分布及封閉的孔隙狀態(tài)是泡沫混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)異的關(guān)鍵。