耐候性試驗下泡沫混凝土孔結構與熱工性能演變規律

丁 楊，董晶亮，王中平，黃神恩

(1.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058)(2.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013)(3.同濟大學材料科學與工程學院，上海 201804)

1 前 言

屋面作為建筑圍護結構之一，屋面保溫系統的耐候性能直接關系到其使用壽命，并對降低建筑能耗具有深遠意義[1]。泡沫混凝土現澆屋面系統是目前使用最廣泛的屋面保溫系統之一，但仍需對其耐候性能提升技術做進一步研究。樊均等針對環境因素對泡沫混凝土夾心保溫板的熱工耐久性進行了研究[2]。向仁科等以脫硫石膏為基材，添加礦渣、水泥等制備了不同密度等級的石膏泡沫混凝土，試驗結果表明該泡沫混凝土具備更低的導熱系數[3]。崔玉理等研究了水和養護環境溫度對泡沫混凝土導熱系數的影響，當水溫為35～40 ℃時，泡沫混凝土內部孔徑分布均勻、連通孔少，導熱系數較小[4]。袁克闊通過正交試驗得到了自制泡沫混凝土的最佳配合比(其中以水泥為基本量，粉煤灰、珍珠巖、泡沫、防凍劑、減水劑和促凝劑的添加量與水泥質量之比分別為18%，150%，2%，1%，30%，4%；聚丙烯纖維、水、防水劑的添加量與混凝土拌合物總質量之比分別為0.2%，40%，0.3%)，研制出了一種高強、防寒、保溫的泡沫混凝土[5]。于水軍等通過研究鋼渣粉煤灰泡沫混凝土的熱工性質，發現密度可以作為衡量泡沫混凝土隔熱性及耐火性的指標[6]。劉潤清等得出將中小孔與大孔的比例控制在10倍范圍內，有助于使泡沫混凝土獲得最優的耐干濕循環能力[7]。龐超明等發現離子的存在不影響混凝土中水分的傳輸方式，但會大大降低其毛細吸附和擴散傳輸效果[8]。除了通過試驗分析泡沫混凝土材料在不同環境下的耐候性，還可以采用數值模擬的方法對其進行研究。陳德鵬等給出了一種計算混凝土濕熱耦合變形的解析方法，并將實際工程結構用混凝土變形的數值計算結果與實測值進行對比，結果表明了該計算方法的合理性和有效性[9]。本團隊通過COMSOL仿真對屋面保溫隔熱層進行構造模擬，得出材料組合、保溫層形狀、拼接方式和界面處材料對隔熱層傳熱性能的影響[10]。上述研究成果通過模擬仿真方法對泡沫混凝土的保溫性能和耐久性能進行分析，但這一數值分析需要大量試驗予以驗證。

本文以泡沫混凝土為對象，研究材料在濕熱循環、干濕循環、高低溫循環、凍融循環和多場耦合循環5種耐候性試驗下的孔結構、體積吸水率和導熱系數變化率的演變規律，為今后泡沫混凝土現澆屋面保溫系統耐候性能設計提供理論依據。

2 實 驗

2.1 實驗材料

本文采用上海蜀通建材有限公司生產的尺寸為300 mm×300 mm×25 mm的泡沫混凝土(FC)，如圖1所示。其導熱系數為實驗室測定數據，密度和比熱容為廠家提供數據，具體參見表1。

圖1 泡沫混凝土Fig.1 Foam concrete

表1 泡沫混凝土性能參數

2.2 實驗方法

濕熱環境參照GB/T 12000-2003《塑料暴露于濕熱、水噴霧和鹽霧中影響的測定》進行構建：設置GDJS-010L型恒溫恒濕箱內溫度為60 ℃，濕度為93%RH(relative humidity，相對濕度)，將試樣置于此環境下循環112次，具體循環過程如圖2所示。

干濕循環試驗按照GB/T 11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》中關于干濕循環試驗規定進行：將試樣置于60 ℃下干燥7 h，隨后空冷20 min，再放入(20±5) ℃的水中浸泡5 min為一個干濕循環，如此循環112次。

高低溫循環試驗按照GB/T 2423.34-2012《環境試驗第2部分：試驗方法試驗ZAD：溫度濕度組合》進行：將試樣于60 ℃高溫下暴露3 h(其中升溫1 h)，隨后直接在-20 ℃低溫下暴露3 h(其中降溫1 h)，此為一個循環，如此循環112次。

凍融循環試驗參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行：調節冰柜溫度在-18～-20 ℃，保證試樣的冷凍時間為4 h；冷凍結束后，立即將試樣轉入溫度為18～20 ℃的水箱中，保持1 h，如此循環112次。

多場耦合循環參照行業標準JGJ 144-2004《外墻外保溫工程技術規程》附錄A中關于保溫隔熱材料耐候性試驗方法進行：控制試樣表面溫度、濕度變化如圖2所示，24 h內完成一次循環。試驗過程中，為保證壓力值恒定，在泡沫混凝土上疊放重物使其重力加載維持在2 kN/m2。

圖2 多場溫濕循環示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-field temperature and humidity circulation

對于5種試驗的試樣，分別在循環7，14，28，56，84，112次后測量其質量和導熱系數，并按照以下方法計算其體積吸水率和導熱系數變化率。泡沫混凝土的體積吸水率：首先將試樣在101-3GW型干燥箱中于105 ℃下干燥24 h，得到其絕干狀態下的質量為m；然后使絕干狀態下的泡沫混凝土充分吸水24 h達到飽和，測得其吸水飽和后的質量為m1；通過泡沫混凝土絕干狀態下的質量和密度(表1)求出其絕干狀態下的體積V0，最后根據公式(1)求出泡沫混凝土的體積吸水率WV。

(1)

式中：ρw為水的密度，常溫下取1 g/cm3。

泡沫混凝土的導熱系數直接采用FD-TC-Ⅱ型導熱系數測定儀進行測定。根據公式(2)將材料在耐候性試驗期間的導熱系數轉換為導熱系數變化率：

(2)

式中：ROC為導熱系數變化率；λτ和λ0分別為材料不同時間段的導熱系數值和初始導熱系數值，單位為W/(m·K)。

經過耐候性試驗后，泡沫混凝土的孔結構變化通過數碼照相機拍攝的照片來表征，并進行對比分析。

3 結果與討論

3.1 宏觀性能分析

泡沫混凝土經過5種耐候性試驗后，各試樣內部孔隙的變化可用體積吸水率加以表征。體積吸水率值的大小取決于材料內部的孔隙構造。若材料具有微細且連通的孔隙，則吸水率就較大；若為封閉孔隙，則水分難以滲入，吸水率就較??；若是較粗的大開口孔隙，水分容易進入，但不易在孔內保留，僅起到潤濕孔壁的作用，吸水率也較小。

3.1.1 體積吸水率

從圖3中可直觀地看出泡沫混凝土經過不同耐候性試驗后體積吸水率的變化。

圖3 泡沫混凝土在不同耐候性試驗中的體積吸水率Fig.3 Volume water absorption of foam concrete under different accelerated weathering tests

濕熱循環試驗中，泡沫混凝土存在凝膠間孔、顆粒間孔和宏孔，孔徑分布范圍為0.05～500 μm，除去無法保留水分的宏孔，其體積吸水率仍在20%以上。濕熱老化試驗過程中，隨著試驗時間的延長，泡沫混凝土的體積吸水率變化不大，當循環112次時測量的體積吸水率相較于初始時僅有1.77%的增長。此過程中，泡沫混凝土的表面泡孔除不可避免的機械損傷外，大部分泡孔形狀完整、排列規則。

從圖3的干濕循環曲線得知，泡沫混凝土體積吸水率由初始值20.64%增長到25.63%，增長速率很大。隨著干濕循環試驗的進行，泡沫混凝土的泡孔結構逐漸受到破壞，循環112次后泡孔破裂明顯，局部出現空洞。泡孔的破裂倒塌不僅造成泡沫混凝土質量的損失，而且導致其中封閉孔數量的減少，孔之間連通性提高。因此，隨著干濕循環的進行，泡沫混凝土的體積吸水率逐漸提高。

由凍融循環試驗結果可知，泡沫混凝土在凍融循環前期和中期出現快速增長，凍融循環56次后試樣體積吸水率增長變緩，循環112次后其體積吸水率從23.97%提高到了29.38%。這是因為試驗前期，泡孔因凍融被破壞；隨凍融循環次數的增加，受到破壞的封閉孔數量增多，體積吸水率快速增長；而在試驗后期，雖然體積吸水率仍在增長，但增速減緩，這是由于隨著凍融循環試驗的進行，中小孔因孔壁破壞而貫穿，逐漸形成大孔、宏孔甚至裂紋，水分無法保留在孔內部，僅起到潤濕的作用，故而在試驗后期泡沫混凝土的體積吸水率的增長速率減緩。

高低溫循環試驗中泡沫混凝土體積吸水率緩慢增加，經112次循環后，其體積吸水率從21.13%增加到了25.14%。原因與濕熱老化、干濕循環和凍融循環類似：在溫度應力下，泡孔開裂導致體積吸水率增加。在多場耦合試驗中，泡沫混凝土的體積吸水率呈緩慢增長趨勢，經112次循環后，其體積吸水率從14.12%增長到16.88%，增幅2.76%。

3.1.2 導熱系數變化率

泡沫混凝土在不同耐候性試驗中的導熱系數變化率如圖4所示。泡沫混凝土的泡孔結構主要是由水泥砂漿硬化形成的孔壁及空氣填充的孔隙組成。根據Campbell-Allen模型[11]：泡沫混凝土的導熱系數與其固相占比相關，固相占比越高則其導熱系數值越大。

圖4 泡沫混凝土在不同耐候性試驗中的導熱系數變化率Fig.4 Variation of thermal conductivity of foam concrete under different accelerated weathering tests

濕熱環境下，泡沫混凝土的固相占比降低，氣相占比提高，而干燥空氣的導熱系數較水泥砂漿的更低。因此，濕熱循環環境下，在泡沫混凝土的泡孔結構完整性沒有受損的前提下，因泡沫混凝土質量損失，其導熱系數呈逐漸降低的趨勢，在循環結束后，僅降低了6%。

在干濕循環試驗中，泡沫混凝土的導熱系數從初始值0.0724增長到0.0836 W/(m·K)，漲幅為15.47%。這是因為泡沫混凝土的泡孔結構受到破壞，局部出現空洞，從而縮短了熱流在其中的傳輸路徑，導致其導熱系數有所提高。經過112次高低溫循環后，泡沫混凝土的導熱系數增長率為6.68%。此過程中，泡沫混凝土因高低溫循環形成了裂紋，裂紋貫穿多個泡孔。隨著裂紋的增多，孔與孔之間的有效連通性也隨之增加，因此，使得熱流在泡沫混凝土內部的傳輸路徑縮短，熱阻值降低，導熱系數增加，進而影響了泡沫混凝土的保溫隔熱性能。

從凍融循環過程中試樣的導熱系數變化率隨循環次數的變化曲線可知，凍融循環112次后泡沫混凝土的導熱系數上升明顯，由初始值0.0789上升至0.0980 W/(m·K)，增長了24.21%。這是因為凍融循環嚴重破壞了泡沫混凝土的結構，經112次凍融循環后，泡沫混凝土潰散嚴重，表面出現大量縱橫交錯的裂紋，并且成為熱流聚集處，極大地縮短了熱流在泡沫混凝土內部的傳熱路徑，降低了材料的熱阻值，提高了其導熱系數。

經過多場耦合試驗，泡沫混凝土導熱系數從0.0720增長到0.0850 W/(m·K)，增幅18.06%。這是因為微細的裂紋遍布泡沫混凝土，裂紋寬度約為100 μm，長度在1 cm左右，貫穿2～4個泡孔。這些裂紋在傳熱過程中成為熱流集中通過的通道，降低了泡沫混凝土的有效熱阻。多場耦合中高低溫交變使泡沫混凝土泡孔內的冷凝水飽和，泡孔壁因凍融開裂，且其上方施加的恒定壓應力加速了微裂紋的擴展。隨著多場耦合循環周期的增加，裂紋數目不斷增加，因此材料的導熱系數也逐漸提高。

3.2 微觀分析

3.2.1 干濕循環

圖5是干濕循環不同次數后泡沫混凝土內部孔結構的數碼照片，可以明顯看到泡孔的破裂。結合圖3和圖4可知，泡沫混凝土經過干濕循環后，其體積吸水率和導熱系數顯著增加。這是因為泡孔的破壞，增加了孔與孔之間的連通性，增大了泡沫混凝土的孔隙率，同時縮短了熱流的傳熱路徑，降低了材料的熱阻，從而使材料的保溫隔熱性能降低。

圖5 干濕循環不同次數后泡沫混凝土的數碼照片：(a)初始試樣，(b)干濕循環28次，(c)干濕循環112次Fig.5 Digital photos of foam concrete with different dry-wet cycles: (a) original sample, (b) 28 dry-wet cycles, (c) 112 dry-wet cycles

3.2.2 高低溫循環

圖6為泡沫混凝土經過不同次高低溫循環試驗后的表面宏觀形貌圖。經過112次高低溫循環試驗后，泡沫混凝土的泡孔發生破壞、倒塌并出現裂縫，開孔率進一步提高，孔與孔之間的連通性也有所提高，從而導致材料的體積吸水率和導熱系數顯著提高。

圖6 高低溫循環不同次數后泡沫混凝土的表面形貌：(a)初始試樣，(b)高低溫循環112次Fig.6 The surface morphologies of foam concrete after different high-low temperature cycles: (a) original sample, (b) 112 high-low temperature cycles

3.2.3 凍融循環

未經凍融循環及分別經歷28次和112次凍融循環后的泡沫混凝土的數碼照片如圖7所示。經112次凍融循環后，泡沫混凝土表面分布著大大小小的網絡狀裂紋，泡孔破裂倒塌嚴重。試驗過程中，試樣被搬動、浸水時，構成泡沫混凝土孔壁的水泥砂漿顆粒因泡沫混凝土開裂脫離本體。這是導致泡沫混凝土經凍融試驗后體積吸水率和導熱系數提高的根本原因。

3.2.4 多場耦合

多場耦合試驗中設定相對濕度值為93%，溫度為60 ℃，以保證恒溫恒濕箱內有較多的水汽。降溫時，水汽在泡沫混凝土孔內凝結液化，雖無法使大孔飽水，但其中小孔徑的泡孔可能因此充水飽和。隨后在-20 ℃的低溫環境中，泡孔內的水結冰膨脹，使泡孔壁開裂破壞。此外，在泡沫混凝土上方施加的壓應力可能加劇凍融對泡沫混凝土的破壞，其經過不同時期多場耦合作用后的形貌如圖8所示。因此，孔結構的破壞和孔隙率的提高是導致泡沫混凝土體積吸水率和導熱系數顯著提高的根本原因。

圖7 凍融循環不同次數后泡沫混凝土的數碼照片：(a)初始試樣，(b)凍融循環28次，(c)凍融循環112次Fig.7 Digital photos of foam concrete with different freeze-thaw cycles: (a) original sample, (b) 28 freeze-thaw cycles, (c) 112 freeze-thaw cycles

圖8 多場耦合作用下不同時期泡沫混凝土的數碼照片：(a)初始試樣，(b)經28次多場耦合作用，(c)經112次多場耦合作用Fig.8 Digital photos of foam concrete in different stages of multi-field coupling cycles: (a) original sample, (b) after 28 multi-field coupling cycles, (c) after 112 multi-field coupling cycles

4 結 論

本文對泡沫混凝土在濕熱循環、干濕循環、高低溫循環、凍融循環和多場耦合循環等環境中的耐候性能展開了詳細的研究，得到了如下結論：

(1)泡沫混凝土具有優良的抗濕熱老化性能。經過112次濕熱循環試驗后，其體積吸水率僅增長了1.77%，導熱系數僅降低了6%。

(2)干濕循環環境對泡沫混凝土材料的導熱性能影響較大。經過112次的干濕循環試驗，其體積吸水率由20.64%增長到25.63%，導熱系數由0.0724增長到0.0836 W/(m·K)，漲幅15.47%。

(3)高低溫循環環境對泡沫混凝土的導熱性能影響不顯著。經過112次高低溫循環試驗，其體積吸水率由21.13%增長到25.14%，導熱系數增大了6.68%。

(4)凍融循環嚴重破壞了泡沫混凝土的結構，極大地縮短了熱流在其內部的傳熱路徑，降低了材料的熱阻值。經過112次凍融循環后，泡沫混凝土體積吸水率由23.97%增長到29.38%，導熱系數由0.0789上升至0.0980 W/(m·K)，增長了24.21%。

(5)經過112次多場耦合試驗，泡沫混凝土的體積吸水率由14.12%增長到16.88%，導熱系數從0.0720增長到0.0850 W/(m·K)，增幅18.06%。多場耦合作用下的泡沫混凝土受到凍融、高低溫和干濕循環的聯合作用：小孔徑泡孔內冷凝水飽和，泡孔壁因凍融開裂，恒定壓應力加速了微裂紋的擴展。隨著作用時間增加，長度為2～4 cm的裂紋數目增多，導熱系數逐漸提高。