戴雨辰 ,高培偉 ,林輝 ,朱玉翔 ,吳春曉 ,耿飛 ,宿靜
(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系,江蘇 南京 210016;2.無錫市墻材革新和散裝水泥辦公室,江蘇 無錫 214001 3.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,山西 太原 030012)
泡沫混凝土作為一種輕質(zhì)、多孔材料,以其較低的密度、適宜的強(qiáng)度和出色的保溫吸聲性能被廣泛應(yīng)用于道路回填、基礎(chǔ)墊層和建筑隔墻中[1-5],這些特性主要由其內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)決定[6-8]。影響泡沫混凝土性能的因素很多,如外加劑、密度、孔隙率及摻合料等[9-10],對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的調(diào)控主要從泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)及孔壁強(qiáng)度等方面進(jìn)行[11-12];對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響因素主要有水膠比、外加劑及攪拌工藝等[13-15]。本文針對(duì)4種不同中密度泡沫混凝土(600~900 kg/m3),根據(jù)前期大量試驗(yàn)優(yōu)化配比制備同一密度等級(jí)下5種不同水膠比的泡沫混凝土試件,以水膠比為變量,研究平均孔徑、孔隙率及抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律,分析其相互作用關(guān)系,通過對(duì)同一級(jí)別泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行擬合,建立其相互關(guān)系,為泡沫混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。
水泥:P·Ⅱ42.5水泥,上海產(chǎn),符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求;粉煤灰:Ⅱ級(jí),上海產(chǎn),符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求;發(fā)泡劑:FC-1型,自制,稀釋40倍時(shí)的發(fā)泡倍數(shù)為35.7,1 h沉降距為6.7 mm,1 h泌水率為15.7%;減水劑:聚羧酸系高性能減水劑。
為提高泡沫混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性以及可操作性,滿足結(jié)構(gòu)填充材料的需要,在泡沫混凝土漿體中適當(dāng)摻入一定量的非活性材料,通過控制單位體積泡沫混凝土原料的總質(zhì)量,計(jì)算不同水膠比下各類原料的摻量,試件干密度及水膠比如表1所示。
表1 試件干密度及水膠比
在漿料完成拌和后,澆筑在邊長(zhǎng)100 mm的立方體模具中振動(dòng)成型;試件在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)(24±2)h后拆模,并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d,測(cè)試抗壓強(qiáng)度。
泡沫混凝土孔隙率e直接采用質(zhì)量-體積法測(cè)得,按式(1)計(jì)算:
式中:ρ——試件的干密度,kg/m3;
ρ0——試件的實(shí)密度,kg/m3。
將養(yǎng)護(hù)28 d后的泡沫混混凝土試件制成切片,通過supereyes電子顯微鏡采集孔隙圖片并用Image-J軟件進(jìn)行分析,計(jì)算平均孔徑。
圖1是600~900級(jí)泡沫混凝土在不同水膠比下的平均孔徑。
圖1 水膠比對(duì)泡沫混凝土平均孔徑的影響
由圖1可見:隨水膠比的增大,不同密度等級(jí)泡沫混凝土的平均孔徑呈增大趨勢(shì)。水膠比為0.65時(shí),600級(jí)泡沫混凝土的平均孔徑為354 μm,比水膠比為0.40時(shí)的平均孔徑302 μm增大了17.22%;700、800、900級(jí)泡沫混凝土在水膠比為0.40~0.65時(shí)的增幅分別為18.28%、19.30%和31.58%。水膠比為 0.50~0.60時(shí),600、700、800、900 級(jí)泡沫混凝土平均孔徑的增長(zhǎng)最為顯著。
隨著水膠比的增大,膠凝材料的粘結(jié)性能下降,對(duì)氣泡的包裹能力減弱,大量氣泡相互融合連通,平均孔徑呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[13],水膠比為0.50~0.60時(shí)表現(xiàn)最為明顯;進(jìn)一步增大水膠比,氣泡受限于膠凝材料間的摩擦力,孔徑增長(zhǎng)幅度相對(duì)減小。對(duì)于同一水膠比下不同密度等級(jí)的泡沫混凝土,平均孔徑隨密度等級(jí)的增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這是由于隨著密度等級(jí)增加,膠凝材料在基質(zhì)中的比重增大,氣泡穿越孔壁進(jìn)行融合阻力增大,平均孔徑降低。
圖2 水膠比對(duì)不同密度等級(jí)泡沫混凝孔隙率及抗壓強(qiáng)度的影響
由圖2可見:總體來說,在試驗(yàn)范圍內(nèi)泡沫混凝土孔隙率隨水膠比增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì),抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。
(1)600級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為70.5%和66.8%。這是由于隨水膠比增大,膠凝材料的粘聚性下降,氣泡之間相互融合合并減少了基質(zhì)中氣泡的總體積;大量離子的流動(dòng)使水泥等膠凝材料的水化反應(yīng)更加充分,水化產(chǎn)物使孔壁厚度得到提高,填充了孔壁之間的間隙,使孔隙率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。圖2(a)中最小抗壓強(qiáng)度為0.70 MPa,最大抗壓強(qiáng)度為1.38 MPa,增長(zhǎng)97.14%,水膠比超過0.55后,抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢。
(2)700級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為64.3%和59.8%,最大抗壓強(qiáng)度為1.71 MPa,此時(shí)對(duì)應(yīng)水膠比為0.50,進(jìn)一步增大水膠比,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
(3)800級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為58.8%和56.7%,最大抗壓強(qiáng)度為2.21 MPa,此時(shí)對(duì)應(yīng)水膠比為0.55,進(jìn)一步增大水膠比,抗壓強(qiáng)度下降至2.10 MPa。
(4)900級(jí)泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為54.0%和53.5%,最大抗壓強(qiáng)度為2.73 MPa,此時(shí)對(duì)應(yīng)的水膠比為0.55,較水膠比為0.40的抗壓強(qiáng)度提高49.19%,變化趨勢(shì)與800級(jí)相近。
(5)抗壓強(qiáng)度在低水膠比時(shí)隨水膠比的增大呈上升趨勢(shì),這是由于隨水膠比增大,孔隙率降低,膠凝材料水化反應(yīng)加劇,抗壓強(qiáng)度及孔壁厚度得到提高;進(jìn)一步增大水膠比,孔隙率雖降低,但孔徑的增大使氣孔在基質(zhì)中分布不均勻,易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,降低了泡沫混凝土整體的抗壓強(qiáng)度。600、700、800、900級(jí)泡沫混凝土在水膠比由0.40增至0.60時(shí),孔隙率分別降低5.24%、6.99%、3.57%和0.93%,表明隨干密度的增大,泡沫混凝土孔隙率減小幅度逐步降低,這是由于基料密度增大使氣泡在基質(zhì)內(nèi)的遷移受阻,孔隙率的變化趨于穩(wěn)定。因此水膠比的變化直接影響泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu),孔結(jié)構(gòu)又作用于抗壓強(qiáng)度。
根據(jù)不同孔隙率(x)下泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度(y)對(duì)其進(jìn)行擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn),600~900級(jí)泡沫混凝土回歸方程參數(shù)可以用二次函數(shù)式(2)表示:
孔隙率與抗壓強(qiáng)度擬合曲線見圖3,回歸方程參數(shù)見表2。
圖3 泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度的擬合曲線
表2 泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度回歸方程參數(shù)
由表2可見,二次回歸方程的相關(guān)系數(shù)較高,這表明泡沫混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度間相關(guān)性較好,用二次函數(shù)擬合孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系有利于計(jì)算泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的峰值,確定最佳配比。
圖4為600級(jí)泡沫混凝土在不同水膠比下的氣孔形貌。
圖4 600級(jí)泡沫混凝土氣孔形貌掃描照片
由圖4可見,在水膠比為0.50時(shí),氣孔分布較為密集,相對(duì)孔徑較小、氣孔分布較為均勻,氣孔與氣孔間界限明顯,無明顯的合并趨勢(shì);在水膠比為0.60時(shí),泡沫混凝土氣孔的平均孔徑明顯增大,氣孔間界限較為模糊并有相互合并的趨勢(shì),孔徑的分布相對(duì)不均勻,易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。
(1)水膠比增大,泡沫混凝土的平均孔徑呈增大趨勢(shì)、漿料內(nèi)部氣泡總體減少,泡沫混凝土的孔隙率降低。
(2)在試驗(yàn)范圍內(nèi),泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大先提高后降低,這是由于孔徑的增大會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),降低抗壓強(qiáng)度,也說明孔結(jié)構(gòu)是決定泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。
(3)泡沫混凝土的孔隙率與抗壓強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系,且相關(guān)性較好,可用于推測(cè)抗壓強(qiáng)度峰值。
(4)通過分析泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌發(fā)現(xiàn),水膠比為0.50~0.55時(shí)的孔結(jié)構(gòu)比較合理,抗壓強(qiáng)度也最高。
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