陶粒蒸壓加氣混凝土預(yù)養(yǎng)階段孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

翟紅俠， 錢(qián)彥磊， 廖紹峰， 湯羽釗， 趙 越

(1.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；2.安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

蒸壓加氣混凝土是一種多孔結(jié)構(gòu)材料，在預(yù)養(yǎng)階段摻加發(fā)氣劑使其內(nèi)部產(chǎn)生均勻閉孔氣泡，經(jīng)高溫高壓養(yǎng)護(hù)形成多孔混凝土，多孔性是加氣混凝土的主要特征。經(jīng)研究摻入適量的陶?？梢愿纳萍託饣炷恋牧W(xué)性能、干燥收縮、熱工性能、耐久性、表觀(guān)密度等[1-4]。

加氣混凝土的保溫性、收縮性、耐久性、抗碳化性、強(qiáng)度等性能均很大程度上受孔分布及結(jié)構(gòu)特征的影響。研究表明在孔隙率不變的情況下，可以通過(guò)降低大孔隙的數(shù)量與大孔隙的尺寸，增加小孔隙的數(shù)量，可以提高加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度[5-8]。目前對(duì)蒸壓加氣混凝土預(yù)養(yǎng)階段的研究相對(duì)較少，僅有對(duì)預(yù)養(yǎng)階段的溫度與時(shí)間進(jìn)行描述[9-11]，預(yù)養(yǎng)階段的溫度會(huì)影響蒸壓加氣混凝土的坯體硬化程度與發(fā)氣劑的發(fā)氣[12]，尚未有研究預(yù)養(yǎng)階段溫濕度的變化對(duì)加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響。

加氣混凝土的孔包括微觀(guān)孔和宏觀(guān)孔，傳統(tǒng)測(cè)孔方式(如光學(xué)法、壓汞法等)在表征微觀(guān)孔方面效果顯著，但不適用與宏觀(guān)孔的表征。本文基于MATLAB軟件分析，一是對(duì)陶粒蒸壓加氣混凝土截面上的宏觀(guān)孔進(jìn)行識(shí)別、提取、分析；二是根據(jù)提取到的孔隙特征找出陶粒蒸壓加氣混凝土預(yù)養(yǎng)階段最佳養(yǎng)護(hù)溫濕度。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)原材料有粉煤灰、水泥、陶粒、石灰、石膏、發(fā)氣劑、水，其中粉煤灰來(lái)自合肥發(fā)電廠(chǎng)Ⅱ級(jí)粉煤灰，依據(jù)《水泥密度測(cè)定方法》測(cè)出粉煤灰的密度為2 080 kg/m3，堆積密度為960 kg/m3；水泥為安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5硅酸鹽水泥，參照《水泥密度測(cè)定方法》與《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)出水泥的表觀(guān)密度為3 100 kg/m3，3 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為20.2 MPa、50.5 MPa；陶粒為湖北宜昌光大陶粒制品有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高強(qiáng)圓形頁(yè)巖陶粒，陶粒的粒徑為5～10 mm, 堆積密度范圍為510～900 kg/m3;石灰來(lái)自滁州市鳳陽(yáng)縣武店鎮(zhèn)，其有效氧化鈣含量為86%，消化時(shí)間為2 min，消化溫度為100 ℃，經(jīng)球磨30 min細(xì)度為17%以下(過(guò)0.08 mm方孔篩篩余量)；石膏來(lái)自含山縣，其結(jié)晶水為,為硬石膏；發(fā)氣劑為鋁粉，鋁粉來(lái)自淮安市宏瑞建材有限公司，活性氧化鋁的含量大于85%，細(xì)度為1%以下(過(guò)0.08 mm方孔篩余量)，各原材料化學(xué)成分見(jiàn)下表1。

表1 原材料化學(xué)成分 %

1.2 試件制備與研究方法

經(jīng)探索性試驗(yàn)尋找最佳配合比，針對(duì)預(yù)養(yǎng)階段溫度和濕度變化分析陶粒加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)的分布特征，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。制備工藝是：將粉煤灰、水泥、石灰、石膏材料計(jì)量后放入砂漿攪拌機(jī)中攪拌120 s，加入40 ℃水繼續(xù)攪拌120 s，攪拌均勻后加入鋁粉快速攪拌30 s左右，按體積摻量摻入陶?？焖贁嚢?5 s，把漿料倒入預(yù)熱好(溫度30～40 ℃)的模具中。將模具放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行靜養(yǎng)2～3 h，將膨脹出模具表面的面包頭用刀抹平拆模。

表2 預(yù)養(yǎng)階段試驗(yàn)方案

采用高清數(shù)碼相機(jī)采集陶粒蒸壓加氣混凝斷面圖像，利用MATLAB圖像分析方法，快速算出所采集到的陶粒蒸壓加氣混凝土斷面的孔隙率、孔徑分布、孔面積、不同孔徑范圍內(nèi)孔的數(shù)量，從而對(duì)陶粒蒸壓加氣混凝土(預(yù)養(yǎng)階段溫濕度的變化)的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。通過(guò)改變預(yù)養(yǎng)階段的溫濕度，得到預(yù)養(yǎng)階段的不同溫濕度對(duì)陶粒蒸壓加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 圖像的獲取與處理

取預(yù)養(yǎng)后的陶粒蒸壓加氣混凝土砌塊，在砌塊上隨機(jī)截取截面為100 mm×100 mm、厚度約為30 mm的方塊，采用高清數(shù)碼相機(jī)獲得截面圖片，利用MATLAB將獲得的砌塊截面圖像信息存儲(chǔ)于矩陣中，為了增加孔與孔壁的差異和圖片分析與存儲(chǔ)，需對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理，將拍攝到的陶粒蒸壓加氣混凝土圖片轉(zhuǎn)換為灰度照片。

為了能夠直觀(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀(guān)察與分析，需對(duì)灰度照片再進(jìn)行二值化處理。二值化處理就是把圖像信息轉(zhuǎn)化為矩陣信息，灰度圖像中的像素分為兩種顏色，用來(lái)分離圖像中的孔與非孔，圖像中黑色區(qū)域代表孔，像素值為0，白色區(qū)域代表非孔，像素值為1。經(jīng)過(guò)二值化處理后的圖片如圖1所示。根據(jù)相機(jī)的分辨率與表示的實(shí)際長(zhǎng)度，可以算出理論上能夠表征的最小孔徑為0.026 mm。通過(guò)對(duì)黑色區(qū)域像素點(diǎn)的計(jì)數(shù)，可以計(jì)算出陶粒蒸壓加氣混凝土截面的孔隙率與孔面積，截面二值化圖像中連通域的個(gè)數(shù)即為孔的個(gè)數(shù)，并假設(shè)陶粒蒸壓加氣混凝土中的所有孔均為球形孔，進(jìn)而可以得到陶粒蒸壓加氣混凝土的平均孔徑 。

圖1 陶粒蒸壓加氣混凝土截面圖像二值化處理

2.2 圖像分析

為探究預(yù)養(yǎng)階段的最佳溫濕度，先控制預(yù)養(yǎng)階段的溫度，調(diào)整預(yù)養(yǎng)階段的濕度，找出預(yù)養(yǎng)階段的最佳濕度，然后控制預(yù)養(yǎng)階段的濕度，調(diào)整預(yù)養(yǎng)階段的溫度，從而找出預(yù)養(yǎng)階段的最佳溫濕度。預(yù)養(yǎng)階段的溫度為70℃，在不同濕度下的5組試樣截面上的二值化圖像如圖2所示。

圖2 不同濕度下的陶粒蒸壓加氣混凝土截面二值化圖像

0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH這5組試樣截面上的不同孔徑的面積占比如圖3所示。

圖3 0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH組試樣不同孔徑的面積占比

由圖3可知，0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH這5組試樣截面上的不同孔徑的面積占比差異較大。在相對(duì)濕度為0的0RH組試樣截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm的孔徑為主，分別占總孔隙率的28.63%、58.37%，0.1～0.5 mm的孔徑次之，占總孔隙率的12.36%；在相對(duì)濕度為60%的60RH組試樣的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm的孔徑為主，分別占總孔隙率的22.6%、28.3%、47%；在相對(duì)濕度為80%的80RH組試樣的截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm和2～3 mm,分別占總孔隙率的16.12%、25.21%、49.58%，0.1～0.5 mm的孔徑次之，占總孔隙率的8.73%；在相對(duì)濕度為90%的90RH組試樣的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1和1～2 m的孔徑為主，分別占總孔隙率的23.17%、70.37%，0.5～1 mm的孔徑次之，占總孔隙率的6.4%；濕度為95%的95RH組試樣的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm的孔徑為主，分別占總孔隙率的16.33%、47.79%、35.55%。

綜上所述，不同濕度下的陶粒蒸壓加氣混凝土截面上的孔徑主要集中在0.1～2 mm，從圖3不同試樣的孔徑面積占比可以得到，孔徑小于1 mm下，占總孔隙率60%以上的有60RH和95RH兩組，結(jié)合不同濕度下的孔隙特征(圖4)，由陶粒蒸壓加氣混凝土截面孔隙率最大與平均孔徑最小可知，預(yù)養(yǎng)階段的最佳相對(duì)濕度為60%。在相對(duì)濕度為0時(shí)，鋁粉的發(fā)氣與膠凝材料的水化都需要一定量的水，在70℃的溫度下，濕度過(guò)低加速了陶粒蒸壓加氣混凝土漿料水分的蒸發(fā)與漿料的硬化，發(fā)氣時(shí)氣體所產(chǎn)生的膨脹力小于漿料胚體的重力，導(dǎo)致鋁粉發(fā)起不完全，總孔隙率較低，發(fā)氣過(guò)程與漿料稠化過(guò)程兩者不相協(xié)調(diào)。當(dāng)預(yù)養(yǎng)相對(duì)濕度在80%～95%時(shí)，孔隙率隨著濕度的提高而降低，濕度過(guò)高鋁粉發(fā)氣的速度要快于漿料稠化的速度，發(fā)生冒泡現(xiàn)象，導(dǎo)致大孔的孔徑占比過(guò)大。結(jié)合不同濕度下的二值化圖，在濕度過(guò)高的情況下，會(huì)增大加氣混凝土的孔徑與連通孔的個(gè)數(shù)，降低加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度和增大加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，預(yù)養(yǎng)濕度過(guò)高與過(guò)低都不利于加氣混凝土的發(fā)氣。

圖4 不同濕度下試樣的孔隙特征

通過(guò)控制預(yù)養(yǎng)階段的相對(duì)濕度，調(diào)整預(yù)養(yǎng)階段的溫度，得到預(yù)養(yǎng)階段的最佳溫度，前面已得到預(yù)養(yǎng)階段的最佳相對(duì)濕度為60%，固定相對(duì)濕度，改變預(yù)養(yǎng)階段的溫度，得到預(yù)養(yǎng)階段的溫度對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響。60T、65T、70T、75T、80T 5組試樣截面的二值化圖像如圖5所示。

圖5 不同溫度下的陶粒加氣混凝土截面二值化圖像

控制預(yù)養(yǎng)階段的相對(duì)濕度為60%，通過(guò)調(diào)整預(yù)養(yǎng)階段的溫度，找出預(yù)養(yǎng)階段的最佳溫度。60T、65T、70T、75T、80T這5組試樣截面上的不同孔徑的面積占比圖如圖6所示。由圖6可知在不同溫度下的陶粒蒸壓加氣混凝土截面圖像，不同孔徑面積占比有所差異。在預(yù)養(yǎng)溫度為60℃的60T組試樣截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm為主，分別占總孔隙率的16.56%、48,79%、34.13%；預(yù)養(yǎng)溫度為65℃的65T組試樣截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm為主，分別占總孔隙率的18.28%、43.63%、37.34%；預(yù)養(yǎng)溫度為70℃的70T組試樣截面上的孔以1～2 mm為主，占總孔隙率的74.55%，2～3 mm的孔徑次之，占總孔隙率的10.1%；預(yù)養(yǎng)溫度為75℃的75T組試樣截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm為主，分別占總孔隙率的15.07%、41.81%、42.69%；預(yù)養(yǎng)溫度為80℃的80T組試樣截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm為主，分別占總孔隙率的26.12%、65.31%。

圖6 0T，60T，80T，90T，95T組試樣不同孔徑的面積占比

綜上所述，在不同預(yù)養(yǎng)溫度下的陶粒蒸壓加氣混凝土孔徑分布與不同預(yù)養(yǎng)濕度下的孔徑分布相似，孔徑在1 mm以下占總孔隙率較大的有60T、65T、75T三組試件，結(jié)合圖7不同溫度下試樣的孔隙特征，孔隙率與平均孔徑，75T組試樣的孔隙率最大與平均孔徑較小，得出預(yù)養(yǎng)階段的最佳溫度為75℃。溫度對(duì)鋁粉的發(fā)氣有較大的影響，溫度會(huì)影響鋁粉的發(fā)氣時(shí)間、發(fā)氣量與發(fā)氣速度，在預(yù)養(yǎng)溫度低時(shí)，鋁粉的發(fā)氣相對(duì)較遲，漿料的稠化速度快于鋁粉的發(fā)氣速度[13]，導(dǎo)致加氣混凝土發(fā)氣不理想，孔隙率較低。

圖7 不同溫度下試樣的孔隙特征

隨著預(yù)養(yǎng)溫度的提高，鋁粉發(fā)氣情況逐漸得到改善，預(yù)養(yǎng)溫度過(guò)高，鋁粉的發(fā)氣過(guò)快，高于漿料的稠化速度，導(dǎo)致孔隙率有所降低，平均孔徑變大?？紫短卣鲗?duì)加氣混凝土的比強(qiáng)度有明顯的影響，可以通過(guò)提高小孔徑的占比，提高加氣混凝土的比強(qiáng)度；孔隙特征對(duì)加氣混凝土的抗凍性也有顯著的影響，大孔徑的增加與連通孔增多會(huì)增加加氣混凝土的吸水率，對(duì)抗凍性產(chǎn)生不利影響[7-8]。

預(yù)養(yǎng)階段溫濕度的改變會(huì)影響鋁粉的發(fā)氣時(shí)間、速度、發(fā)氣量與漿料的稠化速度，通過(guò)控制變量法，找出了預(yù)養(yǎng)階段鋁粉的發(fā)氣與漿料稠化硬化速度相協(xié)調(diào)的最佳溫濕度，預(yù)養(yǎng)階段的最佳相對(duì)濕度為60%、溫度為75℃。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)獲取陶粒蒸壓加氣混凝土截面圖片，利用MATLAB圖像分析法對(duì)陶粒蒸壓加氣混凝截面孔隙率、孔徑分布、平均孔徑等信息進(jìn)行研究分析。

(2)利用MATLAB對(duì)不同溫濕度下陶粒蒸壓加氣混凝土預(yù)養(yǎng)階段截面照片進(jìn)行處理，通過(guò)孔隙率、孔徑分布與平均孔徑，結(jié)合二值化圖像連通孔的數(shù)量等，得出預(yù)養(yǎng)階段的最佳溫度為75℃、相對(duì)濕度為60%。