路用泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)特性影響研究

蔡軍, 匡渝陽

(1.青海省公路局, 青海 西寧 810008；2.浙江交工新材料有限公司；3.浙江大盈建設(shè)有限公司)

隨著泡沫混凝土的發(fā)展及制備工藝逐漸提高，泡沫混凝土在工程中的應(yīng)用愈發(fā)普遍。由于泡沫混凝土具有質(zhì)量輕、較好強(qiáng)度、環(huán)保及保溫等特點(diǎn)，不僅可以作為建筑材料及保溫材料，也可很好地應(yīng)用在路基材料中。外界環(huán)境條件、制備材料及制備工藝對泡沫混凝土的特性均具有較大影響，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究。Valore等從泡沫混凝土的制備工藝、材料組分等角度對泡沫混凝土物理特性影響進(jìn)行了研究；張磊蕾利用42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑對不同密度的泡沫混凝土進(jìn)行制作，研究其不同密度下的強(qiáng)度特性，并擬合了密度與強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線；歐楚萍等采用SZ61體視顯微鏡對泡沫混凝土樣品孔隙進(jìn)行采集，并使用Image-Pro plus進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)分析了孔隙大小、圓度、表面積大小及分維度數(shù)對泡沫混凝土強(qiáng)度特性的影響。泡沫混凝土中存在的孔隙特性不僅對泡沫混凝土的重度具有較大影響，也會對其強(qiáng)度力學(xué)特性有所影響。眾多學(xué)者在宏觀上從多角度對泡沫混凝土進(jìn)行了研究，然而對泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)研究方面卻很少。該文利用掃描電鏡對循環(huán)凍融下的標(biāo)準(zhǔn)泡沫混凝土試件進(jìn)行掃描處理，并借助Image軟件對SEM圖像進(jìn)行處理分析，研究泡沫混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)特性對其力學(xué)性能的影響。除此之外，還采用丟球算法對泡沫混凝土的微觀氣泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以此來研究泡沫混凝土微觀氣孔結(jié)構(gòu)對彈性模量的影響規(guī)律。

1 泡沫混凝土試驗(yàn)試件制作及凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.1 試件制作

試驗(yàn)以某高速公路為工程依托，場地淺部厚為20～30 m、呈松散～稍密狀粉土及粉砂層；中部為厚度10～20 m低強(qiáng)度流塑狀的淤泥質(zhì)土；底部則為較厚的粉砂及粉質(zhì)砂土，該層位土層較為穩(wěn)定。依托工程MK2+152～MK2+232主線段采用泡沫混凝土進(jìn)行路基置換，以此改善路基的承載能力及各項(xiàng)性能指標(biāo)。試件的制作，采用與實(shí)際工程相同的試驗(yàn)原材料，即42.5級普通硅酸鹽水泥，HT復(fù)合發(fā)泡劑，其泡沫混凝土的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。試件采用100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體模具進(jìn)行制作，首先對試驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行清潔并涂刷脫模劑，然后將泡沫混凝土澆筑在試驗(yàn)?zāi)＞咧?，澆筑過程中在側(cè)面進(jìn)行輕輕敲擊，以保證試件密實(shí)，待試件澆筑完成30 h后脫模，并放置在標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 1 m3泡沫混凝土的配比

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

為研究泡沫混凝土在凍融循環(huán)條件下的微觀結(jié)構(gòu)特征，將完成28 d養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)試件放置在循環(huán)凍融試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行循環(huán)凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置4個試驗(yàn)組，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠，減少試驗(yàn)偶然誤差，每個試驗(yàn)組同時放置5個試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)共使用20個試件，凍融循環(huán)方案如表2所示。凍融循環(huán)方式共分為慢速凍融和3次循環(huán)凍融兩種。慢速凍融是將試件環(huán)境溫度從20 ℃緩慢降至0 ℃，再降至-20 ℃，其凍融時間為8 h；3次循環(huán)凍融是指將試件反復(fù)凍融循環(huán)至-60、-20 ℃，其凍融時間間隔為4 h。對完成凍融循環(huán)的試件進(jìn)行切片處理，選取質(zhì)地均勻的切片進(jìn)行掃描電鏡處理。

表2 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

2 循環(huán)凍融下泡沫混凝土微觀孔隙特性

2.1 循環(huán)凍融下孔隙特征

選取每個凍融循環(huán)試驗(yàn)組的試件切片，首先在掃描電鏡的低倍模式下觀察不同試驗(yàn)組凍融狀態(tài)下的整體形貌，其次尋找特征區(qū)域切換高倍模式進(jìn)行局部放大觀察，并保存掃描電鏡下的觀察圖片。在掃描電鏡放大50倍下，各凍融循環(huán)試驗(yàn)組下的孔隙特征如圖1所示。由圖1可知：泡沫混凝土的內(nèi)部具有較多孔隙存在，隨著凍融循環(huán)條件的不同，其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)不盡相同。由圖1(a)可知，在慢速凍融至0 ℃時，泡沫混凝土的內(nèi)部孔隙為較均勻規(guī)則的球形，孔隙間幾乎未連接貫通；由圖1(b)可知：在慢速凍融至-20 ℃時，泡沫混凝土內(nèi)部的孔隙大小不一，形狀呈現(xiàn)不規(guī)則狀，孔隙間的內(nèi)部連接出現(xiàn)開裂裂縫；由圖1(c)可知：3次循環(huán)凍融至-20 ℃時，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙也呈現(xiàn)大小不一的不規(guī)則狀，內(nèi)部孔隙之間的連接缺失較多，連接性較差；由圖1(d)可知：3次循環(huán)凍融至-60 ℃時，其內(nèi)部孔隙形狀特征與3次循環(huán)凍融至-20 ℃時基本相同，但其內(nèi)部孔隙的連接性相對最差，內(nèi)部孔隙之間的連接不僅缺失較多，而且現(xiàn)存的孔隙內(nèi)部連接也存在較多的破裂現(xiàn)象。

圖1 掃描電鏡放大50倍下泡沫混凝土試樣SEM照片

2.2 循環(huán)凍融下孔隙孔洞破壞特征

依據(jù)泡沫混凝土孔隙孔洞破壞的部位，可劃分為孔隙孔洞內(nèi)部連接破壞和孔隙孔洞內(nèi)部貫通破壞兩種形式。泡沫混凝土材料在溫度的變化下會發(fā)生物理變形，致使其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。當(dāng)對試件進(jìn)行慢速凍融時，由于溫度的變化致使其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生貫通破壞，其破壞主要發(fā)生在孔隙的孔壁內(nèi)部薄弱點(diǎn)，且溫度變化較大時孔隙空洞破壞更為明顯，如圖2所示。

圖2 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙孔洞破壞圖

當(dāng)凍融循環(huán)條件為3次循環(huán)凍融時，由于在溫度變化和循環(huán)凍融條件的雙重作用下，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不僅會在孔壁薄弱處發(fā)生破壞，還會在破壞能量累積的作用下繼續(xù)破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)破壞能量大于泡沫混凝土內(nèi)部孔隙的連接強(qiáng)度時，會導(dǎo)致孔隙內(nèi)部的連接發(fā)生破裂或破壞，進(jìn)而大幅降低泡沫混凝土的強(qiáng)度，如圖3、4所示。由圖3可知：當(dāng)溫度變化幅度較大時，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的破壞程度也愈加嚴(yán)重。

圖3 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙破壞

2.3 循環(huán)凍融下孔隙裂縫破壞特征

由圖4可知：當(dāng)對試驗(yàn)試件進(jìn)行3次循環(huán)凍融試驗(yàn)時，由于溫度和循環(huán)凍融的作用，泡沫混凝土孔隙內(nèi)部連接會在破壞力的作用下發(fā)生裂縫擴(kuò)展，其裂縫擴(kuò)展過程以3次循壞凍融至-20 ℃的情況為例，如圖5所示。在溫度反復(fù)變化的作用下，泡沫混凝土材料內(nèi)部的物理變形反復(fù)發(fā)生，致使其破壞力積累，在材料較為薄弱的孔隙壁處發(fā)生細(xì)小裂縫，如圖5(a)所示；當(dāng)破壞力逐漸積累增大時，微裂縫的兩端首先發(fā)生張拉破壞應(yīng)力集中現(xiàn)象，在張拉破壞應(yīng)力的作用下，微裂縫會逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，如圖5(b)所示；當(dāng)破壞力繼續(xù)積累增大時，裂縫兩端的張拉破壞應(yīng)力也會隨之增大，當(dāng)其大于孔隙內(nèi)部的連接力時，會導(dǎo)致孔隙內(nèi)部的連接發(fā)生破壞，產(chǎn)生貫通裂縫，如圖5(c)所示。

圖4 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙連接處破壞

圖5 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙連接裂縫發(fā)展過程

2.4 基于Iamge軟件的泡沫混凝土孔隙特性分析

Image是一種可對圖像進(jìn)行處理和分析的軟件，Imagej軟件可以對SEM圖像進(jìn)行二值化處理，提取SEM原圖中的黑白圖和輪廓圖。利用該軟件可以泡沫混凝土SEM圖中氣泡尺寸、數(shù)量、所占比例及形狀參數(shù)進(jìn)行定量分析，其處理流程如圖6所示。

圖6 Image軟件圖像處理流程圖

使用Image軟件對各凍融循環(huán)條件下的泡沫混凝土SEM圖進(jìn)行處理，如圖7所示。圖7中白色部分代表泡沫混凝土內(nèi)部孔隙，黑色代表泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由圖7可知：在慢速凍融條件下的泡沫混凝土內(nèi)部氣孔，相對較3次凍融循環(huán)條件下的較為均勻。

圖7 Image軟件處理SEM圖

利用Image軟件對泡沫混凝土SEM黑白圖中的黑色和白色面積進(jìn)行提取，其結(jié)果如表3所示。由表3可知：泡沫混凝土中的氣泡占比約為60%，由于泡沫混凝土在制備過程中受制備工藝和材料的影響，會產(chǎn)生一定的消泡作用，其氣泡率有所降低。

表3 黑白色面積占比數(shù)據(jù)

由于在泡沫混凝土發(fā)泡過程中，氣泡大小往往相差較大，為了分析氣泡大小及占比，利用Image軟件對氣泡的大小尺寸進(jìn)行限定，計(jì)算出大于每一級尺寸的氣泡數(shù)量，進(jìn)而分析氣泡的分布規(guī)律，如表4所示。

表4 氣泡占比統(tǒng)計(jì)

由表4可知：泡沫混凝土中存在的氣泡多為細(xì)小氣泡，該氣泡的大量存在多依附在泡沫混凝土的內(nèi)部骨架中，不僅可以減輕泡沫混凝土的自身重量，還使泡沫混凝土具有一定強(qiáng)度。當(dāng)泡沫混凝土中大氣泡存在較多時盡管可以有效減輕其自重，但由于大氣泡的存在使泡沫混凝土內(nèi)部的連接大幅降低，使其強(qiáng)度大幅下降。故在泡沫混凝土制備時，保證其內(nèi)部孔隙為細(xì)小氣泡，既可有效控制泡沫混凝土的自重，也可保證其強(qiáng)度。

3 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙特性對彈性模量的影響

泡沫混凝土內(nèi)部孔隙特性，不僅對其重度和強(qiáng)度影響顯著，對其彈性模量等力學(xué)特性也有較大影響。該文運(yùn)用模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并采用丟球算法對泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，借助三維格構(gòu)分析法對微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸，從而模擬泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)彈性模量。

3.1 泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的生成

在模擬試驗(yàn)中，運(yùn)用丟球算法將尺寸為250、350、450 μm氣泡分布在邊長為10 mm的立方體中，分別用來模擬氣泡率為55%、65%、75%的泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，共可得9種泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

3.2 泡沫混凝土彈性模量分析

基于丟球算法模擬生成的泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)，應(yīng)用三維格構(gòu)分析法，將孔隙微觀結(jié)構(gòu)離散化為格構(gòu)單元，并對結(jié)構(gòu)內(nèi)的水泥基單元賦予相應(yīng)的楊氏模量、抗拉強(qiáng)度及剪切模量值。之后施加一個軸向拉伸位移，進(jìn)行格構(gòu)斷裂分析，得出泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的拉伸位移與荷載，進(jìn)而求得該結(jié)構(gòu)下的彈性模量。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 各情況下的泡沫混凝土彈性模量

依據(jù)泡沫混凝土模型模擬的氣泡率及氣泡尺寸，繪制各種情況下彈性模量統(tǒng)計(jì)圖，如圖8所示。

圖8 泡沫混凝土彈性模量統(tǒng)計(jì)圖

由圖8可知，當(dāng)氣泡尺寸相同時，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡率的增加而減小；當(dāng)氣泡率相同時，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡尺寸的增大而減小。

4 結(jié)論

泡沫混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與其物理特性緊密相關(guān)，該文借助掃描電鏡和Image軟件對凍融循環(huán)下的泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；并采用丟球算法對泡沫混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以此研究泡沫混凝土微觀氣孔結(jié)構(gòu)對彈性模量的影響規(guī)律。得出結(jié)論如下：

(1)隨著凍融循環(huán)溫度變化增大、循環(huán)次數(shù)增加，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部連接的破壞程度會隨之增加；當(dāng)進(jìn)行慢速凍融時，其內(nèi)部孔隙破壞多為孔壁薄弱處的破壞，當(dāng)進(jìn)行循環(huán)凍融時，在破壞力積累作用下使其內(nèi)部的連接發(fā)生破壞，并形成貫通裂縫，從而使泡沫混凝土強(qiáng)度降低。

(2)泡沫混凝土中氣泡占比約為60%，內(nèi)部氣泡多為細(xì)小氣泡且依附于泡沫混凝土的骨架，該氣泡的存在可以有效減輕泡沫混凝土的重度，還能保證其具有一定的強(qiáng)度。

(3)當(dāng)氣泡尺寸相同時，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡率的增加而減??；當(dāng)氣泡率相同時，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡尺寸的增大而減小。