鎳鐵渣砂對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)及收縮開(kāi)裂性能的影響

熊遠(yuǎn)亮，朱 玉，李保亮,3，陳 春，張亞梅

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 211189；2.煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，煙臺(tái) 264005;3.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院， 淮安 223001)

0 引 言

泡沫混凝土是一種由水泥基體、輔助材料及孔隙等組成的多孔輕質(zhì)混凝土。與傳統(tǒng)混凝土相比，泡沫混凝土具有流動(dòng)度高、密度低、保溫隔熱及隔聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。然而，泡沫混凝土也存在強(qiáng)度低、干縮大及易開(kāi)裂等缺點(diǎn)，限制了泡沫混凝土的大規(guī)模應(yīng)用。為提高泡沫混凝土的性能，學(xué)者[1-2]通過(guò)調(diào)節(jié)水泥種類及摻量、水灰比、砂級(jí)配、膠砂比、發(fā)泡劑種類等進(jìn)行了大量的研究。此外，粉煤灰、硅灰、纖維及骨料[3-6]等材料也被用于提高泡沫混凝土的性能。與其他方法相比，適量骨料的摻入是提高泡沫混凝土強(qiáng)度、改善泡沫混凝土收縮及開(kāi)裂性能經(jīng)濟(jì)且簡(jiǎn)單有效的方式[6]。

隨著大量混凝土用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，可用于制備混凝土的天然骨料日益減少，嚴(yán)重制約了社會(huì)的發(fā)展。因此，利用橡膠顆粒、廢棄黏土磚及鎳鐵渣等固體廢棄物制備可再生骨料取代天然骨料越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[7]。鎳鐵渣是熔煉鎳礦過(guò)程中產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)品，主要由斜頑輝石(clinoenstatite， MgSiO3)、頑輝石(enstatite， MgSiO3)和鎂橄欖石(orsterite， Mg2SiO4)礦物組成，同時(shí)含有玻璃體相及Cr等。中國(guó)每年有接近3 000萬(wàn)t的鎳鐵渣排放[8]，而僅有約12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鎳鐵渣用于制備混凝土骨料及混凝土礦物摻合料[9-11]等，大量未處理的鎳鐵渣會(huì)造成環(huán)境污染。將廢渣合理地應(yīng)用在水泥基材料中可以降低污染，但目前鎳鐵渣的利用率很低，主要原因是鎳鐵渣中大量的二價(jià)鎂安定性問(wèn)題，以及鎳鐵渣與水泥基體間的潛在堿骨料反應(yīng)等問(wèn)題[7,12]。

Sun等[13]研究表明，摻入鎳鐵渣砂可以使混凝土的力學(xué)性能、抗氯離子侵蝕性能及抗火性能均出現(xiàn)一定程度的提高。Choi等[7]研究發(fā)現(xiàn)，鎳鐵渣砂會(huì)與水泥基體發(fā)生堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致混凝土膨脹，而將鎳鐵渣砂破碎或采用天然砂、粉煤灰及礦渣部分取代鎳鐵渣砂會(huì)有效減小混凝土的膨脹。鎳鐵渣砂在混凝土中應(yīng)用會(huì)由于安定性問(wèn)題及堿骨料反應(yīng)問(wèn)題導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂，但鎳鐵渣砂在泡沫混凝土中應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì)：一方面泡沫混凝土自身收縮大，鎳鐵渣砂作為骨料可以起支撐作用，約束基體的變形；另一方面，鎳鐵渣砂由于安定性及堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的微膨脹能夠抵消泡沫混凝土部分收縮[7]。然而，目前采用鎳鐵渣砂改善泡沫混凝土性能的研究還很少。

本文采用鎳鐵渣砂制備泡沫混凝土，研究鎳鐵渣砂摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、變形及收縮開(kāi)裂的影響，并采用SEM、X-CT等手段研究了泡沫混凝土微結(jié)構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)鎳鐵渣砂在泡沫混凝土中的利用，降低泡沫混凝土的生產(chǎn)成本，并緩解鎳鐵渣利用率低而帶來(lái)的嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥(Portland cement, PC)采用P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥，其比表面積為360 m2/kg，密度為3.12 g/cm3，化學(xué)組成見(jiàn)表1。發(fā)泡劑采用納米改性合成發(fā)泡劑(NA-SS,中山宜發(fā)建材科技有限公司，廣東中山)，其基本組成見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。試驗(yàn)用鎳鐵渣砂是鎳鐵渣經(jīng)破碎制備而成，鎳鐵渣砂的細(xì)度模數(shù)、密度及累積粒徑分布如表2和圖1所示，鎳鐵渣砂化學(xué)組成如表3所示。

表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement

表2 鎳鐵渣砂的細(xì)度模數(shù)及密度Table 2 Fineness modulus and density of ferronickel slag sand

表3 鎳鐵渣砂的化學(xué)組成Table 3 Chemical composition of ferronickel slag sand

圖1 鎳鐵渣砂累積分布Fig.1 Cumulative distribution of ferronickel slag sand

1.2 泡沫混凝土的制備方法

合成發(fā)泡劑與水按1 ∶300的質(zhì)量比制成發(fā)泡液。按照表4材料配合比，成型目標(biāo)密度為1 000 kg/m3的泡沫混凝土。具體制備過(guò)程為：以0.4的水膠比將水與水泥混合攪拌30 s，然后加入鎳鐵渣砂攪拌均勻，同時(shí)，將發(fā)泡液置于發(fā)泡機(jī)發(fā)泡，然后將制備的泡沫引入水泥基體中以60 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3 min，澆筑尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的泡沫混凝土試件。試件成型48 h后脫模，在溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度(RH)>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)完成后，在60 ℃的干燥箱中烘至恒重，稱量烘干后試件的質(zhì)量，獲得泡沫混凝土的密度。

表4 泡沫混凝土配合比Table 4 Mix proportion of foamed concrete

1.3 泡沫混凝土性能測(cè)試方法

1.3.1 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及其孔結(jié)構(gòu)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[15]，測(cè)試泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度測(cè)試前，將標(biāo)準(zhǔn)試件 (100 mm×100 mm×100 mm) 置于60 ℃的烘箱中烘至恒重，測(cè)試泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，壓力試驗(yàn)機(jī)的加載速度控制在1.5～2.5 kN/s之間。

采用X-CT(Y.CT PRECISION S) 表征養(yǎng)護(hù)28 d后泡沫混凝土試件的微觀孔結(jié)構(gòu)，X-CT的最小分辨率約為10 μm。

1.3.2 泡沫混凝土干燥收縮及自收縮

兩端預(yù)埋銅棒的40 mm×40 mm×160 mm試件用于測(cè)試泡沫混凝土干燥收縮性能，試件每組3塊，24 h后拆模，置于(20±2) ℃恒溫水槽保持72 h，然后將試件取出、擦干并測(cè)量初始長(zhǎng)度。置于恒溫 (20±1) ℃、恒濕 (43±2)%環(huán)境下，并于3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、56 d及90 d測(cè)量其長(zhǎng)度，每次讀數(shù)重復(fù)3次，測(cè)試過(guò)程參照規(guī)范GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》[16]。

泡沫混凝土的自收縮測(cè)試按照ASTM C1698—19[17]的方法進(jìn)行。自收縮試驗(yàn)裝置為變形測(cè)試系統(tǒng)SBT-AS200,自收縮測(cè)試試驗(yàn)于恒溫(20±1) ℃、恒濕(43±2)%環(huán)境中進(jìn)行，每分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，連續(xù)監(jiān)測(cè)7 d。每組泡沫混凝土采用兩根波紋管，并取平均值作為其自收縮值。

1.3.3 開(kāi)裂性能測(cè)試

泡沫混凝土的抗裂性能采用平板法進(jìn)行測(cè)試[18]，測(cè)試過(guò)程參照標(biāo)準(zhǔn)CCES 01—2018《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[19]及JCT 951—2018《水泥砂漿抗裂性能試驗(yàn)研究》[20]，如圖2所示。平板試驗(yàn)?zāi)＞叱叽鐬椋洪L(zhǎng)(900±3) mm、寬(600±3) mm、高(50±1) mm。直徑為10 mm的螺紋鋼筋作為泡沫混凝土內(nèi)部約束，螺紋鋼筋設(shè)置方向垂直于模板長(zhǎng)邊，間距為150 mm，鋼筋離模板底部的高度為20 mm，使用木塊控制鋼筋的位置，泡沫混凝土抗裂性能試驗(yàn)分組如表5所示。

收縮開(kāi)裂試驗(yàn)環(huán)境條件為溫度(20±2) ℃、相對(duì)濕度(60±5)%。首先將泡沫混凝土漿體置于模具中抹平，然后采用碘鎢燈在模具正上方1 m處用1 000 W碘鎢燈照射，試件表面溫度約為40 ℃。4 h后關(guān)閉碘鎢燈，然后在水平方向采用風(fēng)速為2～3 m/s的風(fēng)扇吹24 h。記錄泡沫混凝土試件的開(kāi)裂時(shí)間、裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度。通過(guò)公式(1)～(3)計(jì)算單位面積裂縫數(shù)量(Nunit)，平均裂縫面積(ac)和單位面積上總開(kāi)裂面積(Ac)[16]。

Nunit=N/A

(1)

ac=1/(2N)∑NiWiLi

(2)

Ac=ac·Nunit

(3)

式中：Wi為第i個(gè)裂紋的最大寬度，mm；N為裂紋的總數(shù)；Li為第i個(gè)裂紋的長(zhǎng)度，mm；A為平板面積，0.54 m2。

圖2 泡沫混凝土收縮開(kāi)裂試驗(yàn)Fig.2 Cracking resistance test of foamed concrete

表5 收縮開(kāi)裂試驗(yàn)分組Table 5 Groups for cracking resistance test

泡沫混凝土抗裂等級(jí)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。根據(jù)CCES01—2018《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[19]評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，泡沫混凝土的抗裂性可分為五個(gè)等級(jí)。

表6 收縮開(kāi)裂判別標(biāo)準(zhǔn)及抗裂等級(jí)Table 6 Discriminant criteria of shrinkage cracking and crack resistance grade

2 結(jié)果與討論

2.1 鎳鐵砂對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)影響

鎳鐵渣砂摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度影響如圖3所示。鎳鐵渣砂摻量為0%、5%、10%及20%時(shí)，泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別為8.8 MPa、9.3 MPa、8.0 MPa及7.7 MPa。隨著鎳鐵渣砂摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，這是由于鎳鐵渣砂摻量不大于5%時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度主要由水泥漿體提供，且鎳鐵渣砂引入的缺陷相對(duì)較少，顆粒作為骨架，起到一定支撐作用，使泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度升高[21]；而鎳鐵渣砂摻量超過(guò)10%時(shí)會(huì)在泡沫混凝土中引入大量界面缺陷，降低泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。鎳鐵渣砂泡沫混凝土的SEM-EDS測(cè)試結(jié)果如圖4所示，鎳鐵渣砂表面光滑，表明鎳鐵渣砂與基體之間未發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，鎳鐵渣砂與基體之間存在明顯的界面缺陷，界面缺陷會(huì)顯著降低混凝土的抗壓強(qiáng)度[22-23]。

圖3 鎳鐵砂摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of ferronickel slag sand content on compressive strength of foamed concrete

圖4 鎳鐵砂泡沫混凝土SEM照片及EDS譜Fig.4 SEM image and EDS spectrum of foamed concrete with ferronickel slag sand

泡沫混凝土X-CT測(cè)試結(jié)果及孔分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5～6所示。隨著鎳鐵渣砂摻量的增加，泡沫混凝土中尺寸小于150 μm的孔逐漸減少，大于150 μm的孔逐漸增多，泡沫混凝土的平均孔徑增大。鎳鐵渣砂摻入會(huì)在鎳鐵渣砂與水泥基體間引入界面缺陷，如圖4所示，造成泡沫混凝土大孔數(shù)量增加。

圖5 泡沫混凝土X-CT二維斷面圖Fig.5 X-CT two-dimensional cross section images of foamed concrete

圖6 鎳鐵砂含量對(duì)泡沫混凝土孔徑分布的影響Fig.6 Effect of ferronickel slag sand content onpore size distribution of foamed concrete

2.2 鎳鐵砂對(duì)干燥收縮及自收縮影響

鎳鐵渣砂摻量對(duì)泡沫混凝土的干燥收縮性能影響如圖7所示。泡沫混凝土在前7 d的收縮急劇增長(zhǎng)，這是泡沫混凝土水化早期自由水消耗和蒸發(fā)導(dǎo)致的[24]。隨著水泥的持續(xù)水化和自由水蒸發(fā)，泡沫混凝土的收縮率逐漸降低，最終保持穩(wěn)定。摻加0%、5%、10%和20%鎳鐵渣砂泡沫混凝土90 d的干燥收縮分別為3.83×103με、3.70×103με、3.43×103με和3.24×103με。

圖7 鎳鐵渣砂含量對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的影響Fig.7 Effect of ferronickel slag sand contenton drying shrinkage of foamed concrete

鎳鐵渣砂摻量對(duì)泡沫混凝土的自收縮的影響如圖8所示，鎳鐵渣砂摻量分別為5%、10%和20%時(shí)，泡沫混凝土減縮量分別為6.8%、22.2%及26.0%。隨著鎳鐵渣砂摻量的增加，泡沫混凝土的自收縮明顯降低，這是由于鎳鐵渣砂摻入，一方面，減少水泥用量，降低水泥水化自由水消耗導(dǎo)致的收縮，另一方面，鎳鐵渣砂摻入會(huì)約束基體的變形，進(jìn)一步降低泡沫混凝土的收縮。

圖8 鎳鐵渣砂含量對(duì)泡沫混凝土自燥收縮的影響Fig.8 Effect of ferronickel slag sand contenton autogenous shrinkage of foamed concrete

2.3 鎳鐵砂對(duì)泡沫混凝土抗裂性能影響

泡沫混凝土抗裂性能測(cè)試結(jié)果如表7及圖9所示。由圖可知，鎳鐵渣砂的摻入可以顯著降低泡沫混凝土的裂縫數(shù)量及裂縫寬度。摻加0%、10%及20%鎳鐵渣砂的泡沫混凝土開(kāi)裂時(shí)間分別為205 min、242 min和280 min，抗裂等級(jí)由V級(jí)逐漸提高為II級(jí)，這與文獻(xiàn)[7] 采用天然砂改善泡沫混凝土抗裂性能的變化規(guī)律一致。平板試驗(yàn)中泡沫混凝土開(kāi)裂的主要原因是泡沫混凝土的塑性收縮，塑性收縮是由于水分耗散、泌水蒸發(fā)而產(chǎn)生的[25]。鎳鐵渣砂摻入減少了水泥用量，而且鎳鐵渣砂能夠約束基體的變形，降低泡沫混凝土的收縮，因而改善泡沫混凝土的收縮開(kāi)裂性能。

表7 泡沫混凝土抗裂性能Table 7 Cracking resistance of foamed concrete

圖9 鎳鐵渣砂摻量對(duì)泡沫混凝土收縮開(kāi)裂性能影響Fig.9 Effect of ferronickel slag sand content on shrinkage cracking of foamed concrete

3 結(jié) 論

(1)隨著鎳鐵砂摻量的增加，泡沫混凝土的強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。

(2)鎳鐵渣砂摻量不大于5%時(shí)，泡沫混凝土的強(qiáng)度主要由水泥漿體提供，且鎳鐵渣砂引入的缺陷相對(duì)較少，顆粒作為骨架，起到一定支撐作用，使泡沫混凝土強(qiáng)度升高。而鎳鐵砂摻量超過(guò)10%時(shí)，會(huì)在泡沫混凝土中引入大量界面缺陷，使泡沫混凝土的大孔數(shù)量增加，平均孔徑增大，泡沫混凝土的強(qiáng)度降低。

(3)隨著泡沫混凝土中鎳鐵渣砂摻量的增加，水泥用量減少，水泥水化的自由水消耗導(dǎo)致的收縮降低，且鎳鐵渣砂摻入會(huì)約束基體的變形，進(jìn)一步降低泡沫混凝土的收縮，提高抗裂性能。當(dāng)鎳鐵砂摻量由0%增加到20%時(shí)，泡沫混凝土的裂縫數(shù)量及裂縫寬度出現(xiàn)明顯降低，抗裂等級(jí)由V級(jí)提高到II級(jí)。