引氣方式對(duì)免蒸壓陶粒輕質(zhì)混凝土隔墻板性能影響

楊醫(yī)博，曾威振，鄧良權(quán)，陳峭卉，徐哲

（1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；3.中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)華南有限公司，廣東 廣州 510000；4.廣東中都建筑集團(tuán)有限公司，廣東 湛江 524400；5.廣東省建筑材料研究院有限公司，廣東 廣州 510500）

0 引言

陶粒混凝土空心墻板是用量較大的一種輕質(zhì)隔墻板[1]，國內(nèi)外對(duì)用于生產(chǎn)墻板的陶粒混凝土和陶粒泡沫混凝土有較多研究[2-7]。摻加引氣劑引入少量氣泡能解決陶?；炷林刑樟Ｉ细栴}[8-12]。陶粒泡沫混凝土中，為避免陶粒吸水造成的泡沫破裂，通常需進(jìn)行預(yù)濕處理[13]，泡沫劑對(duì)其性能有較大影響[14]。

陶粒泡沫混凝土主要采用泡沫劑發(fā)泡制備[5]，用發(fā)泡機(jī)預(yù)先制備泡沫，通過攪拌機(jī)將泡沫與拌合物混合制備。但預(yù)先制備的泡沫穩(wěn)定性較差，且由于泡沫與料漿的密度差較大，容易出現(xiàn)泡沫混合不均勻現(xiàn)象。相比下，使用引氣劑，通過攪拌的方式引入氣泡制備陶粒輕質(zhì)混凝土的工藝較簡單，是一種較優(yōu)的隔墻板引氣方式，但相關(guān)研究很少。

本文結(jié)合筆者對(duì)我國隔墻板標(biāo)準(zhǔn)及使用要求的分析[15]，在免蒸壓陶粒輕質(zhì)混凝土（NCLC）隔墻板開孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用能引入大量微小氣泡的特種引氣劑，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下引氣NCLC 的配合比研究，并與采用泡沫劑的發(fā)泡NCLC進(jìn)行對(duì)比；進(jìn)而采用NCLC 優(yōu)選配比，分析干熱養(yǎng)護(hù)條件下不同引氣方式對(duì)隔墻板試件面密度、抗壓強(qiáng)度和干縮性能的影響，得到優(yōu)選的NCLC 引氣方式。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：廣州珠江水泥有限公司產(chǎn)P·Ⅱ42.5R 硅酸鹽水泥；骨料：河砂（細(xì)度模數(shù)2.1）和300 級(jí)的黏土陶粒（堆積密度290 kg/m3，表觀密度485 kg/m3，1 h 吸水率1.4%，粒徑2～10 mm）；自來水。

減水劑：廣州砼寶建材科技發(fā)展有限公司產(chǎn)TB-300 聚羧酸減水劑，固含量20%；引氣劑：廣州新建化學(xué)建材科技有限公司產(chǎn)HHPC 液體引氣劑；泡沫劑：煙臺(tái)威馳化工有限公司生產(chǎn)的蛋白類液體泡沫劑。

1.2 NCLC 性能實(shí)驗(yàn)方法

引氣NCLC 制備步驟為：（1）攪拌機(jī)中先加入水泥、骨料、約1/3 總用水，慢速攪拌1 min；（2）再加入剩余的水、適量的減水劑、引氣劑后慢速攪拌3 min。

發(fā)泡NCLC 制備步驟為：（1）攪拌機(jī)中先加入水泥、骨料、約1/3 總用水，慢速攪拌30 s；（2）加入剩余的水、適量的減水劑、慢速攪拌2.5 min；（3）泡沫劑用發(fā)泡機(jī)發(fā)泡后，取適量泡沫放入攪拌機(jī)；（4）慢速攪拌1 min。

擴(kuò)展度按GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中水泥凈漿法進(jìn)行測(cè)試，使用的金屬圓模高為60 mm，上口直徑為36 mm，下口直徑為65 mm。

濕密度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中表觀密度的方法進(jìn)行測(cè)試，使用1 L 容量筒。養(yǎng)護(hù)后密度指在進(jìn)行3 d 抗壓強(qiáng)度測(cè)試前的混凝土體積密度，稱為3 d 密度。

抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 立方體試件，加載速度設(shè)置為0.5 kN/s。因NCLC 含有較多氣泡，工作性能較好，試件成型時(shí)分2 層裝料，每裝完1 層后進(jìn)行左右搖晃2 次，最后刮平。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度：試件帶模在室內(nèi)靜置1 d 后拆模，再將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度大于95%]養(yǎng)護(hù)至3 d 齡期。

干熱養(yǎng)護(hù)制度：成型后靜停5 h，再在50 ℃的烘箱中干熱養(yǎng)護(hù)5 h 脫模，最后自然養(yǎng)護(hù)至3 d 齡期。

1.3 隔墻板開孔設(shè)計(jì)

對(duì)于板厚為90、120 mm 的空心板，JG/T 169—2016《建筑隔墻板用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》要求其面密度分別不大于110、140 kg/m2?？紤]輕質(zhì)多孔混凝土抗壓強(qiáng)度隨著密度增加而提高[16]，本研究通過合理設(shè)計(jì)隔墻板的開孔來提高其開孔率，使用較高密度的輕質(zhì)多孔混凝土制備隔墻板，解決NCLC隔墻板抗壓強(qiáng)度不足的問題。

本研究采用圓角矩形的開孔設(shè)計(jì)方案，板厚為90、120 mm 隔墻板的開孔形狀、尺寸及混凝土密度要求見表1，隔墻板的橫截面示意見圖1。

表1 隔墻板的規(guī)格及密度要求

由表1 可見，采用上述隔墻板開孔設(shè)計(jì)，在混凝土密度低于1735 kg/m3時(shí)，隔墻板的面密度能夠滿足要求?？紤]到隔墻板配筋以及混凝土生產(chǎn)中的波動(dòng)，選擇1650 kg/m3為實(shí)驗(yàn)中混凝土最大濕密度。

1.4 隔墻板試件性能實(shí)驗(yàn)方法

參考JG/T 169—2016，制備高度為100 mm、包含2 個(gè)完整的肋寬的隔墻板試件（1 組3 個(gè)，橫截面尺寸及試件見圖2）。養(yǎng)護(hù)完成后，先測(cè)試隔墻板試件的質(zhì)量，計(jì)算混凝土3 d密度和隔墻板面密度，再測(cè)試隔墻板試件的3 d 抗壓強(qiáng)度。

干燥收縮采用的干縮試件，參照GB/T 30100—2013《建筑墻板試驗(yàn)方法》中干燥收縮測(cè)試中的標(biāo)準(zhǔn)法：試件先放入溫度為（20±2）℃的水中浸泡72 h，擦干表面水后測(cè)試初始長度。然后將試件放入溫度（20±1）℃、相對(duì)濕度（43±2）%的干縮室中，測(cè)試不同齡期的干縮值。

2 引氣方式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)NCLC 性能影響

2.1 引氣NCLC 的性能

選擇砂膠比為2.0、水膠比為0.30，陶粒絕對(duì)體積摻量為10%、15%、20%、30%，通過調(diào)整減水劑和引氣劑用量制備目標(biāo)濕密度為1450、1550、1650 kg/m3的3 種引氣NCLC。考慮材料波動(dòng)，濕密度范圍控制為目標(biāo)值±30 kg/m3，引氣NCLC 的配合比見表2，其工作性能見表3。

表2 引氣NCLC 的配合比

表3 引氣NCLC 的工作性能

由表3 可見，通過調(diào)整外加劑，能夠配制出濕密度滿足要求的混凝土。隨著陶粒摻量摻加，流動(dòng)性有下降的趨勢(shì)，需增加減水劑用量。這是由于隨著陶粒摻量增加，混凝土中漿體體積下降，且需包裹陶粒的漿體量增多所致。

在制備同一濕密度的混凝土?xí)r，由于陶粒密度較小，陶粒用量增加所需的漿體密度越大；在漿體量減少及漿體與陶粒密度差加大的影響下，混凝土中陶粒浮面現(xiàn)象加劇。當(dāng)陶粒絕對(duì)體積摻量20%時(shí)，已出現(xiàn)陶粒凸起現(xiàn)象（見圖3）；而陶粒絕對(duì)體積摻量30%時(shí)，陶粒上浮現(xiàn)象明顯（見圖4）。

陶粒絕對(duì)體積摻量為30%時(shí)的拌合物陶粒上浮嚴(yán)重，故未對(duì)該試件進(jìn)行密度及抗壓強(qiáng)度測(cè)試。其余配合比試件的3 d密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖5 所示。

從圖5 可見，在相同3 d 密度時(shí)，混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度隨陶粒絕對(duì)體積摻量增加而略有提高，隨密度提高而明顯提高。從提高混凝土抗壓強(qiáng)度的角度考慮，宜采用較高摻量的陶粒。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于陶粒體積摻量為10%的混凝土，濕密度為1450 kg/m3的NCLC 受壓破壞時(shí)，陶?；颈３滞暾?，是內(nèi)部砂漿破壞導(dǎo)致試件破壞；而濕密度為1550 kg/m3的NCLC 受壓破壞時(shí)，有明顯的陶粒破裂現(xiàn)象。這就說明，隨著混凝土密度增加，砂漿強(qiáng)度逐漸提高，混凝土的受壓薄弱點(diǎn)逐漸從砂漿轉(zhuǎn)移到陶粒，這與王小娟[17]在陶粒泡沫混凝土中觀察到的現(xiàn)象一致。為充分發(fā)揮陶粒的性能，NCLC 的濕密度不宜低于1550 kg/m3。

2.2 發(fā)泡NCLC 的性能

將泡沫劑母液稀釋50 倍后，使用發(fā)泡機(jī)進(jìn)行泡沫的制備。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，新制備的泡沫細(xì)小且較均勻，但穩(wěn)定性較差。為保證實(shí)驗(yàn)所使用的泡沫性能一致，泡沫放置時(shí)間不超過3 min。

在2.1 節(jié)研究的基礎(chǔ)上，選擇較優(yōu)的配合比進(jìn)行發(fā)泡NCLC 研究。保持砂膠比為2.0，水膠比為0.30，陶粒絕對(duì)體積摻量為15%和20%，通過調(diào)整減水劑和泡沫用量制備目標(biāo)濕密度分別為1550、1650 kg/m3的發(fā)泡NCLC。濕密度范圍控制為目標(biāo)值±30 kg/m3，發(fā)泡NCLC 的配合比見表4，其工作性能見表5。

表4 發(fā)泡NCLC 的配合比

表5 發(fā)泡NCLC 的工作性能

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，陶粒絕對(duì)體積摻量為20%時(shí)，制備濕密度為1650 kg/m3的NCLC 時(shí)陶粒上浮現(xiàn)象嚴(yán)重，未對(duì)該試件進(jìn)行密度及強(qiáng)度測(cè)試。

將其余配合比試件的3 d 齡期密度與強(qiáng)度及2.1 節(jié)中的YT15 進(jìn)行對(duì)比分析，見圖6。

從圖6 可見，在相同3 d 密度時(shí)，混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度隨陶粒絕對(duì)體積摻量增加而略有提高，隨密度提高而明顯提高。在3 d 密度相等時(shí)，引氣NCLC（YT15）的抗壓強(qiáng)度較發(fā)泡NCLC（FT15）高。根據(jù)擬合方程計(jì)算，在3 d 密度為1650 kg/m3時(shí)，引氣NCLC 的抗壓強(qiáng)度較發(fā)泡NCLC 高約9%。

實(shí)驗(yàn)表明，采用同樣原材料和配合比，在同樣密度時(shí)，利用引氣劑制備的NCLC 抗壓強(qiáng)度高于泡沫劑制備的NCLC。從生產(chǎn)工序看，引氣劑的使用更為簡單，氣泡質(zhì)量穩(wěn)定性較好，是比現(xiàn)有泡沫劑更好的制備NCLC 的方式。

2.3 機(jī)理分析

在NCLC 體系中，影響其抗壓強(qiáng)度的包括骨料、漿體、骨料和漿體的界面3 個(gè)方面，由于引氣和發(fā)泡NCLC 采用同樣的骨料，影響其抗壓強(qiáng)度的就只有漿體，以及骨料和漿體的界面2個(gè)方面。

切割引氣NCLC（YT15-2）和發(fā)泡NCLC（FT15-2）試件，用數(shù)碼相機(jī)拍照切割表面，再用Image-Pro Plus 6.0 軟件進(jìn)行氣孔結(jié)構(gòu)分析。引氣NCLC 灰度化圖像及相應(yīng)的孔隙分析見圖7，發(fā)泡NCLC 灰度化圖像及相應(yīng)的孔隙分析見圖8。

使用Image-Pro Plus 6.0 軟件進(jìn)行圖7 和圖8 的處理后，因陶粒與孔隙的灰度值基本一致，直接對(duì)圖片進(jìn)行孔隙孔徑統(tǒng)計(jì)包含陶粒的孔徑，故手動(dòng)選擇無陶粒、氣泡分布較均勻的區(qū)域進(jìn)行孔徑分析。

黃士元等[18]認(rèn)為采用引氣劑等方式得到的混凝土氣孔直徑在0.2 mm 左右。庫馬·梅塔等[19]認(rèn)為采用外加劑引入的氣孔直徑為0.05～0.2 mm。為降低因試件切割過程中，砂子未被切開而整粒掉落形成的孔洞的影響，孔徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果篩除孔徑大于0.2 mm 孔隙進(jìn)行分析，結(jié)果見圖9 及表6。

表6 引氣和發(fā)泡NCLC 中孔徑分布比例

從圖9 和表6 可見，本研究的氣孔孔徑集中在0.05 mm以內(nèi)，其主要原因是本研究采用的引氣劑為特制引氣劑，其引入的氣孔孔徑較小。

與發(fā)泡NCLC 相比，引氣NCLC 的氣孔孔徑較小，且在0.05 mm 內(nèi)的數(shù)量較多，由于微孔對(duì)強(qiáng)度影響小于大孔，這也是引氣NCLC 比發(fā)泡NCLC 抗壓強(qiáng)度高的主要原因。

采用蔡司EVO 18 Special Edition 掃描電鏡對(duì)引氣NCLC（YT15-2）和發(fā)泡NCLC（FT15-2）的陶粒與漿體的界面、河砂與漿體的界面、氣孔內(nèi)部進(jìn)行SEM 分析，相片分別見圖10～圖12。

由圖10 和圖11 可見，引氣和發(fā)泡NCLC 中，陶粒與漿體結(jié)合緊密，邊界不明顯；河砂與漿體的界面結(jié)合也較好，漿體的密實(shí)度也均較高。

由圖12 可見，2 種NCLC 氣孔內(nèi)部均有針狀的水化產(chǎn)物，但引氣NCLC 的針狀水化產(chǎn)物明顯多于發(fā)泡NCLC，其主要原因是混凝土中的氣泡形成方式不同所致。發(fā)泡NCLC 是先拌制泡沫，再將泡沫引入混凝土中，為避免氣泡破滅，其氣泡的強(qiáng)度可能較高，氣泡表面的液膜能夠較好地阻止水化產(chǎn)物向氣泡內(nèi)部生長，使得其在氣泡表面鋪展生成。而引氣NCLC 是攪拌過程中形成氣泡，氣泡的液膜可能較薄，因此水化產(chǎn)物能夠刺入氣泡，向氣泡內(nèi)部生長。

這也進(jìn)一步表明，骨料與漿體界面及漿體本身對(duì)NCLC的抗壓強(qiáng)度影響較小，影響NCLC 抗壓強(qiáng)度的主要是氣孔的孔徑大小。

3 引氣方式對(duì)干熱養(yǎng)護(hù)NCLC 隔墻板性能的影響

3.1 干熱養(yǎng)護(hù)NCLC 隔墻板性能對(duì)比

干熱養(yǎng)護(hù)下NCLC 的混凝土及隔墻板試件性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 隔墻板試件的面密度及抗壓強(qiáng)度

由表7 可見，同樣面密度時(shí)，引氣NCLC 隔墻板試件的抗壓強(qiáng)度略高于發(fā)泡NCLC；2 種板厚的引氣NCLC 和發(fā)泡NCLC 的隔墻板試件均滿足表1 中面密度要求和JG/T 169—2016 中抗壓強(qiáng)度不小于5 MPa 的要求。

干熱養(yǎng)護(hù)下引氣NCLC 和發(fā)泡NCLC 的干燥收縮曲線見圖13。

由圖13 可見，引氣NCLC 和發(fā)泡NCLC 的干燥收縮曲線基本一致，在前14 d 干縮發(fā)展較快，在干燥14 d 后收縮基本穩(wěn)定，且35 d 干縮值均不大于0.40 mm/m，符合JG/T 169—2016 中隔墻板干縮值不超過0.50 mm/m 的要求，其中引氣NCLC 的35 d 干縮值略低。

綜上所述，引氣NCLC 和發(fā)泡NCLC 隔墻板試件的面密度、抗壓強(qiáng)度和干縮值均符合JG/T 169—2016 的要求；與發(fā)泡NCLC 相比，引氣NCLC 的抗壓強(qiáng)度略高且干縮值略低，是較優(yōu)的制備NCLC 的方式。

4 結(jié)論

（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，相同密度時(shí)，引氣NCLC 的抗壓強(qiáng)度略高于發(fā)泡NCLC。其主要原因是，特種引氣劑能在NCLC中引入大量微小氣泡，其孔徑略小于發(fā)泡NCLC。

（2）優(yōu)選的NCLC 配合比為砂膠比2.0、水膠比0.30，陶粒絕對(duì)體積摻量15%，目標(biāo)濕密度為1650 kg/m3。免蒸壓干熱養(yǎng)護(hù)條件下，引氣和發(fā)泡NCLC 隔墻板試件的面密度、抗壓強(qiáng)度和干縮性能符合JG/T 169—2016 的要求。

（3）與泡沫劑相比，利用引氣劑引入微細(xì)氣泡施工更方便，氣泡穩(wěn)定性更好，同密度時(shí)抗壓強(qiáng)度較高且干縮值略低，是較好的制備NCLC 的方式。