陶粒蒸壓加氣混凝土預養階段孔結構試驗研究

翟紅俠， 錢彥磊， 廖紹峰， 湯羽釗， 趙 越

(1.安徽建筑大學 材料與化學工程學院，安徽 合肥 230022；2.安徽建工集團有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

蒸壓加氣混凝土是一種多孔結構材料，在預養階段摻加發氣劑使其內部產生均勻閉孔氣泡，經高溫高壓養護形成多孔混凝土，多孔性是加氣混凝土的主要特征。經研究摻入適量的陶粒可以改善加氣混凝土的力學性能、干燥收縮、熱工性能、耐久性、表觀密度等[1-4]。

加氣混凝土的保溫性、收縮性、耐久性、抗碳化性、強度等性能均很大程度上受孔分布及結構特征的影響。研究表明在孔隙率不變的情況下，可以通過降低大孔隙的數量與大孔隙的尺寸，增加小孔隙的數量，可以提高加氣混凝土的抗壓強度[5-8]。目前對蒸壓加氣混凝土預養階段的研究相對較少，僅有對預養階段的溫度與時間進行描述[9-11]，預養階段的溫度會影響蒸壓加氣混凝土的坯體硬化程度與發氣劑的發氣[12]，尚未有研究預養階段溫濕度的變化對加氣混凝土孔結構的影響。

加氣混凝土的孔包括微觀孔和宏觀孔，傳統測孔方式(如光學法、壓汞法等)在表征微觀孔方面效果顯著，但不適用與宏觀孔的表征。本文基于MATLAB軟件分析，一是對陶粒蒸壓加氣混凝土截面上的宏觀孔進行識別、提取、分析；二是根據提取到的孔隙特征找出陶粒蒸壓加氣混凝土預養階段最佳養護溫濕度。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗原材料有粉煤灰、水泥、陶粒、石灰、石膏、發氣劑、水，其中粉煤灰來自合肥發電廠Ⅱ級粉煤灰，依據《水泥密度測定方法》測出粉煤灰的密度為2 080 kg/m3，堆積密度為960 kg/m3；水泥為安徽海螺水泥股份有限公司生產的P.O42.5硅酸鹽水泥，參照《水泥密度測定方法》與《水泥膠砂強度檢驗方法》測出水泥的表觀密度為3 100 kg/m3，3 d、28 d的抗壓強度分別為20.2 MPa、50.5 MPa；陶粒為湖北宜昌光大陶粒制品有限責任公司生產的高強圓形頁巖陶粒，陶粒的粒徑為5～10 mm, 堆積密度范圍為510～900 kg/m3;石灰來自滁州市鳳陽縣武店鎮，其有效氧化鈣含量為86%，消化時間為2 min，消化溫度為100 ℃，經球磨30 min細度為17%以下(過0.08 mm方孔篩篩余量)；石膏來自含山縣，其結晶水為,為硬石膏；發氣劑為鋁粉，鋁粉來自淮安市宏瑞建材有限公司，活性氧化鋁的含量大于85%，細度為1%以下(過0.08 mm方孔篩余量)，各原材料化學成分見下表1。

表1 原材料化學成分 %

1.2 試件制備與研究方法

經探索性試驗尋找最佳配合比，針對預養階段溫度和濕度變化分析陶粒加氣混凝土孔結構的分布特征，試驗方案見表2。制備工藝是：將粉煤灰、水泥、石灰、石膏材料計量后放入砂漿攪拌機中攪拌120 s，加入40 ℃水繼續攪拌120 s，攪拌均勻后加入鋁粉快速攪拌30 s左右，按體積摻量摻入陶粒快速攪拌15 s，把漿料倒入預熱好(溫度30～40 ℃)的模具中。將模具放入恒溫恒濕養護箱進行靜養2～3 h，將膨脹出模具表面的面包頭用刀抹平拆模。

表2 預養階段試驗方案

采用高清數碼相機采集陶粒蒸壓加氣混凝斷面圖像，利用MATLAB圖像分析方法，快速算出所采集到的陶粒蒸壓加氣混凝土斷面的孔隙率、孔徑分布、孔面積、不同孔徑范圍內孔的數量，從而對陶粒蒸壓加氣混凝土(預養階段溫濕度的變化)的孔結構進行表征。通過改變預養階段的溫濕度，得到預養階段的不同溫濕度對陶粒蒸壓加氣混凝土孔結構的影響。

2 實驗結果與討論

2.1 圖像的獲取與處理

取預養后的陶粒蒸壓加氣混凝土砌塊，在砌塊上隨機截取截面為100 mm×100 mm、厚度約為30 mm的方塊，采用高清數碼相機獲得截面圖片，利用MATLAB將獲得的砌塊截面圖像信息存儲于矩陣中，為了增加孔與孔壁的差異和圖片分析與存儲，需對圖片進行灰度處理，將拍攝到的陶粒蒸壓加氣混凝土圖片轉換為灰度照片。

為了能夠直觀對數據進行觀察與分析，需對灰度照片再進行二值化處理。二值化處理就是把圖像信息轉化為矩陣信息，灰度圖像中的像素分為兩種顏色，用來分離圖像中的孔與非孔，圖像中黑色區域代表孔，像素值為0，白色區域代表非孔，像素值為1。經過二值化處理后的圖片如圖1所示。根據相機的分辨率與表示的實際長度，可以算出理論上能夠表征的最小孔徑為0.026 mm。通過對黑色區域像素點的計數，可以計算出陶粒蒸壓加氣混凝土截面的孔隙率與孔面積，截面二值化圖像中連通域的個數即為孔的個數，并假設陶粒蒸壓加氣混凝土中的所有孔均為球形孔，進而可以得到陶粒蒸壓加氣混凝土的平均孔徑 。

圖1 陶粒蒸壓加氣混凝土截面圖像二值化處理

2.2 圖像分析

為探究預養階段的最佳溫濕度，先控制預養階段的溫度，調整預養階段的濕度，找出預養階段的最佳濕度，然后控制預養階段的濕度，調整預養階段的溫度，從而找出預養階段的最佳溫濕度。預養階段的溫度為70℃，在不同濕度下的5組試樣截面上的二值化圖像如圖2所示。

圖2 不同濕度下的陶粒蒸壓加氣混凝土截面二值化圖像

0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH這5組試樣截面上的不同孔徑的面積占比如圖3所示。

圖3 0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH組試樣不同孔徑的面積占比

由圖3可知，0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH這5組試樣截面上的不同孔徑的面積占比差異較大。在相對濕度為0的0RH組試樣截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm的孔徑為主，分別占總孔隙率的28.63%、58.37%，0.1～0.5 mm的孔徑次之，占總孔隙率的12.36%；在相對濕度為60%的60RH組試樣的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm的孔徑為主，分別占總孔隙率的22.6%、28.3%、47%；在相對濕度為80%的80RH組試樣的截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm和2～3 mm,分別占總孔隙率的16.12%、25.21%、49.58%，0.1～0.5 mm的孔徑次之，占總孔隙率的8.73%；在相對濕度為90%的90RH組試樣的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1和1～2 m的孔徑為主，分別占總孔隙率的23.17%、70.37%，0.5～1 mm的孔徑次之，占總孔隙率的6.4%；濕度為95%的95RH組試樣的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm的孔徑為主，分別占總孔隙率的16.33%、47.79%、35.55%。

綜上所述，不同濕度下的陶粒蒸壓加氣混凝土截面上的孔徑主要集中在0.1～2 mm，從圖3不同試樣的孔徑面積占比可以得到，孔徑小于1 mm下，占總孔隙率60%以上的有60RH和95RH兩組，結合不同濕度下的孔隙特征(圖4)，由陶粒蒸壓加氣混凝土截面孔隙率最大與平均孔徑最小可知，預養階段的最佳相對濕度為60%。在相對濕度為0時，鋁粉的發氣與膠凝材料的水化都需要一定量的水，在70℃的溫度下，濕度過低加速了陶粒蒸壓加氣混凝土漿料水分的蒸發與漿料的硬化，發氣時氣體所產生的膨脹力小于漿料胚體的重力，導致鋁粉發起不完全，總孔隙率較低，發氣過程與漿料稠化過程兩者不相協調。當預養相對濕度在80%～95%時，孔隙率隨著濕度的提高而降低，濕度過高鋁粉發氣的速度要快于漿料稠化的速度，發生冒泡現象，導致大孔的孔徑占比過大。結合不同濕度下的二值化圖，在濕度過高的情況下，會增大加氣混凝土的孔徑與連通孔的個數，降低加氣混凝土的抗壓強度和增大加氣混凝土的導熱系數，預養濕度過高與過低都不利于加氣混凝土的發氣。

圖4 不同濕度下試樣的孔隙特征

通過控制預養階段的相對濕度，調整預養階段的溫度，得到預養階段的最佳溫度，前面已得到預養階段的最佳相對濕度為60%，固定相對濕度，改變預養階段的溫度，得到預養階段的溫度對孔結構的影響。60T、65T、70T、75T、80T 5組試樣截面的二值化圖像如圖5所示。

圖5 不同溫度下的陶粒加氣混凝土截面二值化圖像

控制預養階段的相對濕度為60%，通過調整預養階段的溫度，找出預養階段的最佳溫度。60T、65T、70T、75T、80T這5組試樣截面上的不同孔徑的面積占比圖如圖6所示。由圖6可知在不同溫度下的陶粒蒸壓加氣混凝土截面圖像，不同孔徑面積占比有所差異。在預養溫度為60℃的60T組試樣截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm為主，分別占總孔隙率的16.56%、48,79%、34.13%；預養溫度為65℃的65T組試樣截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm為主，分別占總孔隙率的18.28%、43.63%、37.34%；預養溫度為70℃的70T組試樣截面上的孔以1～2 mm為主，占總孔隙率的74.55%，2～3 mm的孔徑次之，占總孔隙率的10.1%；預養溫度為75℃的75T組試樣截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm為主，分別占總孔隙率的15.07%、41.81%、42.69%；預養溫度為80℃的80T組試樣截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm為主，分別占總孔隙率的26.12%、65.31%。

圖6 0T，60T，80T，90T，95T組試樣不同孔徑的面積占比

綜上所述，在不同預養溫度下的陶粒蒸壓加氣混凝土孔徑分布與不同預養濕度下的孔徑分布相似，孔徑在1 mm以下占總孔隙率較大的有60T、65T、75T三組試件，結合圖7不同溫度下試樣的孔隙特征，孔隙率與平均孔徑，75T組試樣的孔隙率最大與平均孔徑較小，得出預養階段的最佳溫度為75℃。溫度對鋁粉的發氣有較大的影響，溫度會影響鋁粉的發氣時間、發氣量與發氣速度，在預養溫度低時，鋁粉的發氣相對較遲，漿料的稠化速度快于鋁粉的發氣速度[13]，導致加氣混凝土發氣不理想，孔隙率較低。

圖7 不同溫度下試樣的孔隙特征

隨著預養溫度的提高，鋁粉發氣情況逐漸得到改善，預養溫度過高，鋁粉的發氣過快，高于漿料的稠化速度，導致孔隙率有所降低，平均孔徑變大。孔隙特征對加氣混凝土的比強度有明顯的影響，可以通過提高小孔徑的占比，提高加氣混凝土的比強度；孔隙特征對加氣混凝土的抗凍性也有顯著的影響，大孔徑的增加與連通孔增多會增加加氣混凝土的吸水率，對抗凍性產生不利影響[7-8]。

預養階段溫濕度的改變會影響鋁粉的發氣時間、速度、發氣量與漿料的稠化速度，通過控制變量法，找出了預養階段鋁粉的發氣與漿料稠化硬化速度相協調的最佳溫濕度，預養階段的最佳相對濕度為60%、溫度為75℃。

3 結 論

(1)通過獲取陶粒蒸壓加氣混凝土截面圖片，利用MATLAB圖像分析法對陶粒蒸壓加氣混凝截面孔隙率、孔徑分布、平均孔徑等信息進行研究分析。

(2)利用MATLAB對不同溫濕度下陶粒蒸壓加氣混凝土預養階段截面照片進行處理，通過孔隙率、孔徑分布與平均孔徑，結合二值化圖像連通孔的數量等，得出預養階段的最佳溫度為75℃、相對濕度為60%。