輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土性能的影響及其內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制

熊遠(yuǎn)亮,劉 超,鄧智聰,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)

0 引 言

泡沫混凝土作為一種多孔輕質(zhì)混凝土材料，具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低及耐火性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，在建筑業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。此外，泡沫混凝土具有隔音性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[5]。然而，泡沫混凝土也存在干燥收縮大及開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)，限制了泡沫混凝土的應(yīng)用[6]。

內(nèi)養(yǎng)護(hù)是一種維持水泥基材料內(nèi)部濕度、促進(jìn)水泥基材料水化、改善水泥基材料收縮性能的有效方法[7-8]。目前，常用的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料主要有輕質(zhì)骨料[9]、空心微珠[10]、超吸水樹(shù)脂[11]、破碎的混凝土細(xì)骨料和木纖維[12]等。輕質(zhì)骨料具有吸水及釋水的特性，是一種常用的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料。輕質(zhì)骨料能夠吸收水泥基體中的水分，并在水泥水化過(guò)程中逐漸釋放，調(diào)節(jié)水泥基材料的內(nèi)部濕度[13-14]，且輕質(zhì)骨料能夠約束基體的變形，降低泡沫混凝土的干燥收縮。輕質(zhì)骨料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在較高濕度條件下，孔徑越大，釋水能力越強(qiáng)，內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果越好[15-17]。泡沫混凝土體系具有大量的氣孔及游離水導(dǎo)致其干燥收縮大，約為普通混凝土的4～10倍[18]，因此諸多學(xué)者將輕質(zhì)骨料引入泡沫混凝土中改善其收縮性能[19-22]。Rajabipour等[21]研究發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)骨料能夠降低泡沫混凝土的干燥收縮，改善其抗裂性能。Babu[22]研究表明，摻入適量輕質(zhì)骨料可降低泡沫混凝土的干燥收縮，提高泡沫混凝土的開(kāi)裂應(yīng)力，使泡沫混凝土的開(kāi)裂齡期從1 d提高至約60 d。盡管目前針對(duì)輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土的影響展開(kāi)了諸多研究，但關(guān)于輕質(zhì)骨料在泡沫混凝土中的內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制尚未闡明。

本文采用輕質(zhì)骨料(頁(yè)巖陶粒和粉煤灰陶粒)制備泡沫混凝土，研究輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、干燥收縮、內(nèi)部濕度及孔結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)研究輕質(zhì)骨料孔分布規(guī)律與泡沫混凝土內(nèi)部濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探究輕質(zhì)骨料在泡沫混凝土中的內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

采用密度為3.150 g/cm3、比表面積為360 m2/kg的P·II 52.5水泥，其主要化學(xué)組成如表1所示。采用如皋漢府建筑科技有限公司提供的煤渣作為細(xì)骨料，其表觀密度為1 510 kg/m3，吸水率為13.30%，顆粒級(jí)配如圖1所示。泡沫混凝土的水膠比為0.5，體系中有充足的自由水，故采用干燥狀態(tài)的頁(yè)巖陶粒(shale ceramsite, CSLA)和粉煤灰陶粒(fly ash ceramsite, SFCP)制備泡沫混凝土，CSLA和SFCP的物理性能見(jiàn)表2，顆粒級(jí)配如圖2所示，外觀照片及顆粒形貌如圖3、圖4所示。將納米改性合成發(fā)泡劑(NA-SS)[23-25]與水按質(zhì)量比1 ∶300混合配制發(fā)泡液。

表1 水泥的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of cement

圖1 細(xì)骨料粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of fine aggregates

圖2 粗骨料粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of coarse aggregates

表2 粗骨料的物理性能Table 2 Physical properties of coarse aggregates

圖3 粗骨料的外觀照片F(xiàn)ig.3 Appearance images of coarse aggregates

圖4 粗骨料的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of coarse aggregates

1.2 制備方法

按照表3材料配比，制備目標(biāo)密度為1 000 kg/m3的泡沫混凝土。采用摻量分別為0%、20%及40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的CSLA及SFCP制備泡沫混凝土，具體過(guò)程為：首先將水泥與水按照1 ∶2(質(zhì)量比)的比例混合攪拌30 s，然后加入輕質(zhì)骨料攪拌1 min，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60～120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3 min，制成泡沫混凝土漿體。

表3 泡沫混凝土配合比Table 3 Mix proportion of foamed concrete

1.3 性能測(cè)試方法

采用磷酸氫二鈉、氯化銨、溴化鈉、碳酸鉀與醋酸鉀飽和鹽溶液調(diào)節(jié)不同濕度，研究飽和吸水輕質(zhì)骨料在不同濕度條件下的含水率，分析輕質(zhì)骨料在泡沫混凝土內(nèi)部濕度降低時(shí)的釋水能力。

采用掃描電子顯微鏡(FEI公司，型號(hào)FEIInspect F50及EDS能譜儀)觀察輕質(zhì)骨料的微觀結(jié)構(gòu)。采用全自動(dòng)壓汞儀(MIP, Micrometritics公司，型號(hào) Auto pore IV 9520)測(cè)試輕質(zhì)骨料的孔分布。測(cè)試過(guò)程中，汞在壓力的作用下被壓入材料的孔中，記錄此時(shí)的壓力和相應(yīng)的體積。多周期MIP技術(shù)具有兩個(gè)周期的進(jìn)汞/出汞過(guò)程，在第一個(gè)進(jìn)汞/出汞周期后，所有墨水瓶孔均被填充，通過(guò)第二個(gè)進(jìn)汞/出汞周期可以獲得體系內(nèi)孔類(lèi)型及孔分布[13-14]。本文采用二次進(jìn)汞試驗(yàn)來(lái)分析輕質(zhì)骨料的孔類(lèi)型及孔徑分布。

泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)。采用兩端預(yù)埋銅棒的40 mm×40 mm×160 mm試件進(jìn)行泡沫混凝土干燥收縮測(cè)試，試件每組3塊。拆模后置于(20±2) ℃恒溫水槽中，水面高出試件3 cm，放置72 h后取出測(cè)量其初始長(zhǎng)度。然后置于恒溫(20±1) ℃、恒濕(43±2)%環(huán)境下，測(cè)量其在不同齡期的長(zhǎng)度，讀數(shù)重復(fù)3次，測(cè)試過(guò)程參考標(biāo)準(zhǔn)《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》(GB/T 11969—2020)。

內(nèi)部濕度測(cè)試采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的泡沫混凝土試件，將試件置于恒溫(20±1) ℃、恒濕(43±2)%環(huán)境下，使用Toprie傳感器TP2307測(cè)試泡沫混凝土內(nèi)部濕度，傳感器埋入深度為50 mm，由T700多路數(shù)據(jù)記錄儀采集數(shù)據(jù)。

采用X-CT(Y. CT PRECISION S)表征養(yǎng)護(hù)28 d后硬化泡沫混凝土試件(尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)的微觀孔結(jié)構(gòu)，分辨率約為100 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土性能的影響

干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。由圖可知，CSLA摻量為0%、20%及40%時(shí)，泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別為5.9 MPa、5.4 MPa及5.1 MPa。而摻入20%及40%SFCP時(shí)，泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別為5.3 MPa及4.9 MPa。這表明隨著輕質(zhì)骨料摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖5 輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of lightweight aggregate on compressive strength of foamed concrete

干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的影響如圖6所示。由圖可知，CSLA摻量分別為0%、20%及40%時(shí)，泡沫混凝土的90 d干燥收縮分別為1 322 με、930 με和719 με，而SFCP摻量分別為20%及40%時(shí)，泡沫混凝土的90 d干燥收縮分別為1 130 με和830 με。隨著輕質(zhì)骨料摻量的增加，泡沫混凝土的干燥收縮性能逐漸降低，且其最大減縮量達(dá)36.5%。輕質(zhì)骨料能夠約束泡沫混凝土基體的變形，且在內(nèi)部濕度的驅(qū)動(dòng)下，輕質(zhì)骨料能為基體水化提供水分，延緩基體孔隙的內(nèi)部干燥，減少微裂縫的形成，降低泡沫混凝土的干燥收縮。在不同輕質(zhì)骨料條件下，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度相近，但相比于SFCP，摻入CSLA時(shí)強(qiáng)度更小[26-27]，對(duì)基體約束效果相對(duì)較差，但對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的改善效果更好。

圖6 輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土干燥收縮的影響Fig.6 Effect of lightweight aggregate on drying shrinkage of foamed concrete

2.2 輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土微結(jié)構(gòu)的影響

CSLA泡沫混凝土SEM-EDS測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖可知，干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料的摻入使泡沫混凝土內(nèi)部缺陷明顯增多。CSLA與SFCP的彈性模量存在較大差異[28]，且均明顯大于泡沫混凝土的彈性模量[29]，而CSLA與SFCP制備的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度相近，故泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度降低主要由輕質(zhì)骨料在泡沫混凝土中引入的內(nèi)部缺陷決定。骨料與基體之間存在明顯的界面缺陷，這與文獻(xiàn)[30]結(jié)果一致，且骨料周?chē)幕w中也存在明顯的缺陷，這是由于干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料在水泥基體中會(huì)經(jīng)歷吸水及釋水等過(guò)程，這解釋了泡沫混凝土中摻入輕質(zhì)骨料后強(qiáng)度降低的原因。采用X-CT測(cè)試摻入0%、20%及40%CSLA的泡沫混凝土的孔分布，如圖8、圖9所示。CSLA摻量分別為0%、20%及40%時(shí)，泡沫混凝土孔徑在0～600 μm的孔分別占總量的34.0%、29.6%及27.3%。CSLA摻入后，0～600 μm的小孔數(shù)量明顯減小，相應(yīng)的大孔數(shù)量明顯增多。骨料吸水及釋水會(huì)在基體中遺留孔隙，且骨料摻入會(huì)引入界面缺陷[31-33]，使泡沫混凝土中大于1 000 μm的大孔數(shù)量明顯增多。

圖7 CSLA泡沫混凝土的微結(jié)構(gòu)及EDS能譜Fig.7 Microstructure and EDS spectrum of CSLA foamed concrete

圖8 CSLA泡沫混凝土的X-CT二維圖Fig.8 2D images of CSLA foamed concrete obtained by X-CT

圖9 CSLA泡沫混凝土孔徑分布Fig.9 Pore size distribution of CSLA foamed concrete

2.3 輕質(zhì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制

2.3.1 泡沫混凝土內(nèi)部濕度

干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部濕度的影響如圖10所示。干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料能夠預(yù)吸收泡沫混凝土體系中的水分，隨著水泥水化的進(jìn)行，水分逐漸被釋放，此過(guò)程延緩了泡沫混凝土的內(nèi)部干燥，使泡沫混凝土的內(nèi)部濕度保持在較高水平。相比于SFCP，CSLA對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部濕度的延緩效果更好，這解釋了CSLA比SFCP對(duì)泡沫混凝土干燥收縮改善效果更好的原因。

圖10 輕質(zhì)骨料對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部濕度的影響Fig.10 Effect of lightweight aggregate on internal humidity of foamed concrete

2.3.2 不同濕度條件下飽和吸水輕質(zhì)骨料含水率

在干燥過(guò)程中輕質(zhì)骨料的釋水可通過(guò)飽和吸水的輕質(zhì)骨料在不同濕度條件下的含水率來(lái)表征。就輕質(zhì)骨料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)而言，輕質(zhì)骨料內(nèi)部吸收的水在濕度降低時(shí)會(huì)及時(shí)釋放。

分別采用磷酸氫二鈉、氯化銨、溴化鈉、碳酸鉀與醋酸鉀飽和鹽溶液將密閉環(huán)境濕度分別調(diào)節(jié)為98%、79%、58%、42%和20%，飽和吸水的輕質(zhì)骨料在不同濕度條件下的含水率如圖11所示。由圖可知，在濕度降低時(shí)，CSLA和SFCP均可釋水。在相同濕度條件下，CSLA的含水率更低，表明其釋水量更大，內(nèi)養(yǎng)護(hù)潛力更好，這解釋了CSLA比SFCP對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部濕度延緩效果更好的原因。

圖11 輕質(zhì)骨料在不同濕度條件下的含水率Fig.11 Water content of lightweight aggregate at different humidity conditions

2.3.3 輕質(zhì)骨料孔分布?jí)汗瘻y(cè)試結(jié)果

通過(guò)多周期MIP技術(shù)測(cè)得的CSLA和SFCP的孔隙率分別為42.65%和27.58%，累計(jì)孔體積如圖12所示。由圖可知，CSLA的孔隙率明顯高于SFCP。由于CSLA二次進(jìn)汞量非常少，大部分的孔形成墨水瓶孔。Lura等[14]研究表明，多孔骨料中具有內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果的特征孔徑為大于100 nm的墨水瓶孔。而CSLA含有大量100～3 000 nm的墨水瓶孔，表明CSLA具有優(yōu)異的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果。盡管SFCP具有較高的孔隙率，但其絕大部分孔的孔徑小于100 nm，內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果相對(duì)較差，這解釋了CSLA內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果優(yōu)于SFCP的原因。

圖12 輕質(zhì)骨料累計(jì)孔體積Fig.12 Cumulative pore volume of lightweight aggregate

3 結(jié) 論

(1)干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料能夠調(diào)節(jié)泡沫混凝土的內(nèi)部濕度，約束基體的變形，使泡沫混凝土的干燥收縮最大降低約36.5%。

(2)干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料會(huì)在泡沫混凝土中經(jīng)歷吸水及釋水過(guò)程，從而在基體中引入缺陷，且輕質(zhì)骨料會(huì)在泡沫混凝土中引入界面缺陷，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低。

(3)干燥狀態(tài)的輕質(zhì)骨料的摻入使泡沫混凝土小孔數(shù)量減少，大于1 000 μm的大孔數(shù)量明顯增多。

(4)輕質(zhì)骨料中大于100 nm的墨水瓶孔是內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果的控制因素，大于100 nm的墨水瓶孔數(shù)量越多，輕質(zhì)骨料釋水能力越強(qiáng)，內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果越好，其制備的泡沫混凝土干燥收縮越小。