孔級配對高溫下泡沫混凝土強度的影響

郭國慶, 詹炳根, 楊永敢, 趙衛平, 劉灝天, 華 建

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

泡沫混凝土在高溫作用下的力學性能與其組成和結構有很大的關系,當其組成與結構發生變化時,力學性能也會發生相應的變化。文獻[1]研究泡沫摻量對泡沫混凝土在高溫下力學性能的影響規律;文獻[2]研究礦物摻合料(粉煤灰、硅灰)對泡沫混凝土在高溫作用前后性能的影響規律;文獻[3-6]研究不同鋼渣、粉煤灰摻量對泡沫混凝土試件灼燒后強度和結構變化的影響;文獻[7]研究高溫對摻加粉煤灰和礦渣的輕質混凝土抗壓和劈裂抗拉強度的影響;文獻[8]研究結果表明,粉煤灰的加入有效改善了試樣的孔結構,使氣孔分布更加均勻,進而增強了試樣的結構穩定性和傳熱的均勻性。上述研究都是通過加入粉煤灰、硅灰、礦渣、鋼渣等摻合料的方式來改善泡沫混凝土在高溫下的力學性能,但這些摻和料的加入不僅影響泡沫混凝土的結構,也改變其組成成分,泡沫混凝土在高溫下最終力學性能的改善是由于其組成與結構的復合作用。文獻[9]研究表明，泡沫混凝土的孔結構是決定泡沫混凝土強度大小的內在因素;文獻[10]研究表明，泡沫密度可以用來表征孔的直徑大小。關于在組成不變時,孔結構對泡沫混凝土高溫下力學性能影響的研究較少。本文單純從孔結構出發,在保證其組成不變的前提下,通過改變泡沫密度的方式改變孔結構,研究孔結構對泡沫混凝土高溫下力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,水泥組成成分質量分數見表1所列;泡沫劑采用合肥佳方新材料有限公司生產的JF2-1型。在保證泡沫摻量(指摻加泡沫的體積,單位為L)不變的前提下,以密度700 kg/m3的泡沫混凝土為研究對象,基于40、60、70 g/L 3種泡沫密度(單位體積泡沫的質量)制備泡沫混凝土,保持水灰比0.5不變。水灰比θ計算公式為:

(1)

其中:m水為用水量;V泡沫為摻加泡沫的體積;ρ泡沫為泡沫密度;m水泥為水泥用量。

表1 水泥主要組分質量分數

泡沫混凝土配合比中,膠凝材料(水泥)用量為4 kg,40、60、70 g/L 3種泡沫密度下的用水量分別為1 870.0、1 805.0、1 772.5 g,泡沫摻量為3.25 L。保持泡沫摻量3.25 L不變,通過調節發泡機抽取泡沫液的速度來制備不同密度的泡沫。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案

以密度700 kg/m3的泡沫混凝土為研究對象。基于40、60、70 g/L 3種泡沫密度制備泡沫混凝土(孔隙率相同),每種制備5組泡沫混凝土試件。首先在60 ℃烘箱中烘24 h,再置于105 ℃烘箱中烘至恒質量,然后分別在200、400、600、800 ℃下煅燒1 h,煅燒后的試件在室溫環境下冷卻至室溫后進行抗壓和抗折強度試驗。為研究泡沫密度對泡沫混凝土高溫下結構的影響規律及其與強度損失之間的關系,對3種泡沫密度制備的泡沫混凝土截面進行拍照,使用圖像處理軟件對圖片進行處理,并獲取孔的相關參數。

1.2.2 試件制備

按10倍稀釋比例配制泡沫液,按相應配合比稱量水泥和水。把稱量好的材料放入攪拌機內干拌1 min使材料混料均勻,然后倒入稱量好的水進行攪拌,攪拌時間為2～3 min以保證攪拌均勻。利用發泡機進行發泡,通過控制發泡機抽取原液的速度制備不同密度的泡沫(抽取速度越快,泡沫密度越大),使用2.3 L的燒杯稱量泡沫后快速加入攪拌機內。為保證泡沫與漿體混合均勻,攪拌時間為60～90 s,為保證澆筑的試件質量、密度分布較為均勻,每個模具先澆筑1/2,振搗后再繼續澆筑剩余部分。澆筑試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

1.2.3 高溫煅燒試驗

以在105 ℃溫度條件下烘干至恒質量的試件作為空白對照組。煅燒試驗設置4個溫度,分別為200、400、600、800 ℃,為保證試驗準確性、減少誤差,每個溫度下均放置3個試件進行煅燒試驗。待電爐升溫至目標溫度后恒溫1 h,然后取出試件,冷卻至室溫后進行強度試驗。相鄰溫度梯度之間的試驗要連續進行,即相鄰梯度溫度煅燒試驗結束后,立刻取出電爐中試件，并把下一組溫度梯度下的試件置于電爐中。

1.2.4 抗壓強度試驗

不同泡沫密度下制備的泡沫混凝土在不同溫度煅燒后的圖片如圖1所示。

抗壓強度反映泡沫混凝土高溫煅燒后的實際殘余強度,抗壓強度按文獻[11]計算,加載速率為2 kN/s。為了反映泡沫混凝土在高溫條件下的抗壓強度損失速率,引入抗壓強度殘余率指標。

抗壓強度殘余率δ計算公式為:

δ=σ2/σ1

(2)

其中:σ1為105 ℃烘干后試件抗壓強度;σ2為高溫加熱后試件抗壓強度。

1.2.5 抗折強度試驗

抗折強度反映泡沫混凝土高溫煅燒后的實際殘余強度,抗折強度按文獻[11]計算,加載速率為50 N/s。為了反映泡沫混凝土在高溫條件下的抗折強度損失速率,引入抗折強度殘余率指標。

抗折強度殘余率γ計算公式為:

γ=γ2/γ1

(3)

其中:γ1為105 ℃烘干后試件抗折強度;γ2為高溫加熱后試件抗折強度。

1.2.6 孔結構分析

文獻[12]利用圖像處理軟件Image-Pro Plus(IPP)分析混凝土中的孔結構,提出混凝土孔結構圖像分析方法。本文參照文獻[12] 提出的方法對泡沫混凝土孔結構進行分析,對基于40、60、70 g/L 3種泡沫密度制備的泡沫混凝土的截面進行圖像采集,并采用IPP軟件對孔結構進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 泡沫密度對泡沫混凝土強度的影響

泡沫混凝土高溫煅燒后的殘余強度是一個絕對指標,反映泡沫混凝土某一溫度煅燒后的實際殘余強度。強度殘余率是一個相對指標,反映泡沫混凝土高溫煅燒后的強度相比于煅燒前的強度殘余率,可以反映泡沫混凝土的強度損失速率。

2.1.1 對泡沫混凝土抗壓強度的影響

泡沫密度對泡沫混凝土殘余抗壓強度的影響如圖2所示。泡沫密度對泡沫混凝土抗壓強度殘余率的影響如圖3所示。

泡沫混凝土的殘余抗壓強度均隨著溫度升高逐漸下降,且泡沫密度越小,殘余抗壓強度越大,泡沫密度為40 g/L時殘余抗壓強度最大,60 g/L時殘余抗壓強度次之,70 g/L時殘余抗壓強度最小。溫度在105、200、400、600、800 ℃時,最大殘余抗壓強度(泡沫密度為40 g/L時)相比于最小殘余抗壓強度(泡沫密度為70 g/L時)分別提高5.7%、6.9%、22.0%、59.0%、150.0%。由圖3可知,400、600、800 ℃時,泡沫密度越小,泡沫混凝土抗壓強度殘余率越大,最大抗壓強度殘余率(泡沫密度為40 g/L時)相比于最小抗壓強度殘余率(泡沫密度為70 g/L時)分別提高17.08%、9.40%、19.48%。

2.1.2 對泡沫混凝土抗折強度的影響

泡沫密度對泡沫混凝土殘余抗折強度的影響如圖4所示。

由圖4可知,泡沫混凝土的殘余抗折強度均隨著溫度升高逐漸下降,泡沫密度為40 g/L時殘余抗折強度最大,70 g/L時殘余抗折強度次之,60 g/L時殘余抗折強度最小。溫度在105、200、400、600、800 ℃條件下,最大殘余抗折強度(泡沫密度為40 g/L)相比于最小殘余抗折強度(泡沫密度為60 g/L)分別提高38.7%、18.3%、97.5%、100.0%、112.0%。泡沫密度對泡沫混凝土抗折強度殘余率的影響如圖5所示。由圖5可知,在400、600、800 ℃溫度條件下,泡沫密度越小,泡沫混凝土抗折強度殘余率越大,最大抗折強度殘余率(泡沫密度為40 g/L時)相比于最小抗折強度殘余率(泡沫密度為60 g/L時)分別提高17.82%、4.75%、4.58%。

2.2 孔級配與強度之間的關系

泡沫密度的變化會引起泡沫混凝土孔結構發生相應變化,進而使得泡沫混凝土高溫下的殘余強度發生變化。基于40、60、70 g/L 3種泡沫密度制備的泡沫混凝土煅燒前的孔結構如圖6所示。本文主要討論泡沫密度對平均孔徑和孔級配(孔徑分布)的影響及其與強度之間的關系。

2.2.1 平均孔徑與強度之間的關系

泡沫密度對平均孔徑的影響如圖7所示。隨著泡沫密度增大,平均孔徑先降低后升高,泡沫密度為40、60、70 g/L的泡沫混凝土的平均孔徑分別為348、276、281 μm。從圖4、圖7可以看出:3種泡沫密度制備的泡沫混凝土的平均孔徑大小排列依次為40 g/L平均孔徑最大、70 g/L平均孔徑次之、60 g/L平均孔徑最小,而泡沫混凝土抗折強度也是泡沫密度為40 g/L時最大、70 g/L時次之、 60 g/L時最小,平均孔徑越大,相應的泡沫混凝土的抗折強度越大;此外,基于泡沫密度60、70 g/L制備的泡沫混凝土平均孔徑非常接近,相差5 μm,而相應的基于這2種泡沫密度制備的泡沫混凝土抗折強度也很接近,這主要是由于泡沫密度改變了泡沫混凝土的孔級配,進而改變平均孔徑,最終影響泡沫混凝土的抗折強度。

2.2.2 孔級配與強度之間的關系

泡沫密度對泡沫混凝土孔級配(孔徑分布)的影響如圖8所示。

由圖8可知:從孔徑小于200 μm情形看,泡沫混凝土內部小于200 μm的孔數量隨泡沫密度增大逐漸增加,泡沫密度越大,小孔越多;從孔徑200～400 μm情形看,40 g/L對應的泡沫混凝土孔徑占比最大,70 g/L對應的泡沫混凝土孔徑占比次之, 60 g/L對應的泡沫混凝土孔徑占比最小;從孔徑400～600 μm情形看,隨著泡沫密度增大,泡沫混凝土內部400～600 μm的孔數量出現下降,泡沫密度越大,大孔越少;從孔徑大于600 μm情形看,隨著泡沫密度增大,泡沫混凝土內部大于600 μm的孔數量也出現下降。

由圖2、圖3可知,在105～800 ℃溫度條件下,泡沫密度越大,泡沫混凝土高溫下的抗壓強度越小,泡沫密度為40 g/L時抗壓強度最大。由圖8可知:孔徑小于200 μm時,泡沫密度越大,該孔徑占比越大,泡沫密度為40 g/L時該孔徑占比最小;孔徑在400～600 μm范圍時,泡沫密度越大,該孔徑占比越小,泡沫密度為40 g/L時該孔徑占比最大。因此,泡沫密度越小,孔徑小于200 μm的孔數量越少,孔徑在400～600 μm范圍的孔數量越多,相應的泡沫混凝土在不同溫度下的抗壓強度也越大。

由此可以得出結論,孔徑小于200 μm的孔數量越少,孔徑在400～600 μm范圍的孔數量越多,泡沫混凝土在105～800 ℃溫度條件下的抗壓強度越大。

由圖8可知,孔徑在200～400 μm范圍時,3種泡沫密度下的孔徑占比40 g/L最大, 70 g/L次之,60 g/L最小。由圖4可知,抗折強度也具有與上述孔徑占比相似的規律,即40 g/L時抗折強度最大,70 g/L次之,60 g/L最小。由此可知,抗折強度的變化規律和200～400 μm孔徑占比的變化規律具有一致性,即200～400 μm孔徑占比越大,泡沫混凝土在105～800 ℃溫度條件下的抗折強度越大。

3 結 論

(1) 隨溫度升高,不同泡沫密度制備的泡沫混凝土的強度均逐漸下降,在600～800 ℃溫度條件下,強度變化不明顯。

(2) 在105～800 ℃溫度條件下,基于泡沫密度40 g/L制備的泡沫混凝土殘余抗壓強度和抗折強度均最大。

(3) 在105～800 ℃溫度條件下,平均孔徑越大,泡沫混凝土的抗折強度越大。

(4) 泡沫密度改變了泡沫混凝土的孔級配(孔徑分布),進而引起高溫下泡沫混凝土殘余強度的變化。在105～800 ℃溫度條件下,孔徑小于200 μm的孔徑占比越小,400～600 μm的孔徑占比越大,泡沫混凝土的抗壓強度越大;孔徑范圍在200～400 μm時,該孔徑占比越大,泡沫混凝土的抗折強度越大。