歐楚萍隋玉武王冠通劉述張文生

(山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南250101)

0 引言

泡沫混凝土是建筑項(xiàng)目中使用較多的工程建筑材料[1]，較多應(yīng)用于生產(chǎn)輕質(zhì)砌塊，也可直接應(yīng)用于屋面體系。 由于輕質(zhì)、保溫隔熱、耐火隔音、密度小、施工方便，同時(shí)還能利用建設(shè)廢棄物、工業(yè)廢棄物、棄土淤泥等材料，泡沫混凝土有著廣闊的應(yīng)用前景[2-7]。 由于泡沫混凝土引入了泡沫，硬化后存在大量孔隙導(dǎo)致其強(qiáng)度較低，還容易出現(xiàn)早期塌模、干縮開裂等問題，影響了泡沫混凝土的施工，因此，亟需改善泡沫混凝土的性能[3-5]。

泡沫混凝土的基本性能受多種因素影響，多數(shù)學(xué)者著重對(duì)泡沫混凝土的成分、制備工藝、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑等性能進(jìn)行研究，取得了較好的成果。Valore 等[8]研究了泡沫混凝土的材料組分、制備方式對(duì)泡沫混凝土物理性能的影響。 Narayanan 等[9]以十二烷基硫酸鈉為發(fā)泡劑，制備泡沫混凝土并研究了促進(jìn)劑對(duì)其強(qiáng)度的影響。 李良均等[10]成功研究出泡沫輕質(zhì)混凝土材料，并作為油氣管道的回填材料。 泡沫混凝土的性能也與內(nèi)部孔隙特征密不可分[11-13]，張旭等[14]認(rèn)為泡沫混凝土氣孔壁厚和密實(shí)度主要影響其強(qiáng)度。 張冷慶等[15]發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土的氣孔孔徑影響氣孔孔徑分形維數(shù)，孔徑增大，分形維數(shù)會(huì)先變大后變小。 影響泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的因素較多，泡沫混凝土中取代水泥的粉煤灰和礦粉量、粉煤灰等級(jí)、泡沫混凝土容重、水膠比都會(huì)影響泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)[16-19]。 總體來看，研究內(nèi)部孔隙特征對(duì)泡沫混凝土基本性能影響的文獻(xiàn)較少。

文章利用Image-Pro plus 6.0 軟件分析了9 種泡沫混凝土內(nèi)部孔隙孔徑大小、表面積、圓度以及分形維數(shù)，研究了其對(duì)泡沫混凝土表觀密度和28 d 抗壓強(qiáng)度的影響，計(jì)算了孔隙特征對(duì)28 d 強(qiáng)度的相關(guān)度，為制備高強(qiáng)泡沫混凝土提供了參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

使用泡沫混凝土的膠砂試件為樣品，所用材料為:普通硅酸鹽水泥(P.O 52.5) 、發(fā)泡劑(濃縮型活性動(dòng)物蛋白高效水泥發(fā)泡劑，鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產(chǎn)，基本特征見表1)、硅灰(顆粒大于800 目)、II 級(jí)粉煤灰、普通自來水、穩(wěn)泡劑(硬脂酸鈣，天津市北辰方正試劑廠生產(chǎn))。

表1 高效動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑基本特征表

1.2 試驗(yàn)方法

按計(jì)量稱取水泥、粉煤灰、硅灰、穩(wěn)泡劑，放入攪拌鍋中，加水?dāng)嚢琛?稱取動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑及水，用器皿將動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑和水混合后通過發(fā)泡機(jī)進(jìn)行發(fā)泡，將制備好的泡沫倒入粉體漿料攪拌鍋，快速攪拌2 min，停止30 s 后，再慢速攪拌2 min。 將攪拌鍋里拌好的混凝土倒入40 mm×40 mm×160 mm 鋼制模具中，3 d 后拆模，試塊放入恒溫箱養(yǎng)護(hù)，28 d 后取出進(jìn)行表觀密度、強(qiáng)度測試和圓孔觀察分析。 樣品制備參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)樣品水膠比、流動(dòng)度及部分組分摻量表

1.3 試驗(yàn)測試指標(biāo)

試驗(yàn)測試了膠砂試件的抗壓強(qiáng)度和表觀密度，利用SZ61 體視顯微鏡觀察泡沫混凝土樣品孔隙并拍攝圖片，再利用軟件Image-Pro plus 6.0 直接分析出圖片中孔隙特征，選擇具有代表性的，如較小的、較大的、均勻的以及一些較特殊的孔進(jìn)行標(biāo)記，從而得到孔的直徑、比表面積、圓度以及分形維數(shù)，如圖1 所示，每組試樣選擇了約280 個(gè)孔隙進(jìn)行觀察和計(jì)算，為了減少誤差，得出的值再計(jì)算平均值，所測參數(shù)的計(jì)算公式和意義見表3。

圖1 利用軟件Image-Pro plus 6.0 分析圖片中孔隙特征圖

表3 泡沫混凝土孔隙平均直徑、表面積、圓度和分形維數(shù)計(jì)算與表征表

1.4 皮爾遜相關(guān)值

皮爾遜相關(guān)值表示兩組數(shù)據(jù)之間是否有簡單線性相關(guān)性，其計(jì)算公式由式(1)表示為

式中:ρX，Y為X、Y兩組數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，其值介于-1 和＋1 之間，正值表明正相關(guān)，負(fù)值表明負(fù)相關(guān)，其中0.8～1.0 表示極強(qiáng)相關(guān)、0.6 ～0.8 表示強(qiáng)相關(guān)、0.4～0.6 表示中等程度相關(guān)、0.2 ～0.4 表示弱相關(guān)、0.0～0.2 表示極弱相關(guān)或無相關(guān)；X為自變量數(shù)據(jù)中的某個(gè)數(shù)值；-X為自變量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)；Y為因變量數(shù)據(jù)中的某個(gè)數(shù)值；-Y為因變量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)。

兩組數(shù)據(jù)之間是否真相關(guān)還需要顯著性(雙尾)值，當(dāng)值＜0.05，說明兩組數(shù)據(jù)真相關(guān)，否則這個(gè)相關(guān)性不準(zhǔn)確。 對(duì)于大量數(shù)值需要利用軟件計(jì)算皮爾遜相關(guān)值，如SPSS 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔直徑、表面積、圓度及分形維數(shù)對(duì)表觀密度的影響

在水泥、粉煤灰、發(fā)泡劑等制備材料摻量相同的情況下，相同和不同水膠比W/B對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部孔隙特征存在不同影響，孔隙直徑、表面積、圓度及分形維數(shù)對(duì)表觀密度的影響如圖2 所示。

圖2 不同水膠比(W/B)下泡沫混凝土孔直徑、表面積、圓度和分形維數(shù)對(duì)表觀密度的影響圖

由圖2(a)～(c)可以看出，不論水膠比的大小，隨著孔直徑、表面積、圓度和分形維數(shù)增大，泡沫混凝土的表觀密度都減小，并且孔的特征值變化很小就能引起表觀密度較大的變化。 如當(dāng)W/B＝0.4，孔直徑為0.189153 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的表觀密度為896 kg/m3，孔直徑為0.194001 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的表觀密度為824 kg/m3，孔直徑為0.201437 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的表觀密度為748 kg/m3。 孔直徑相差約為0.01 mm，表觀密度相差148 kg/m3。 由圖2 還可以看出，W/B從0.3 增加到0.35，再增加到0.4，泡沫混凝土中孔隙直徑、表面積和圓度變小，但是孔隙的分形維數(shù)變大，因此水膠比會(huì)影響泡沫混凝土內(nèi)部孔隙的特征。

2.2 孔直徑、面積、圓度及分形維數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響

在水泥、粉煤灰、發(fā)泡劑等制備材料相同的情況下，相同或不同水膠比制備的泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不完全相同，內(nèi)部的孔隙直徑、表面積、圓度以及分形維數(shù)對(duì)泡沫混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度的影響如圖3 所示。 不論水膠比的大小，隨著孔直徑、表面積、圓度和分形維數(shù)的增大，泡沫混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度減小。W/B從0.3 增加到0.35，再增加到0.4，泡沫混凝土的孔直徑、表面積和圓度都減小，但是孔的分形維數(shù)增大。 實(shí)驗(yàn)中，W/B＝0.4 時(shí)，泡沫混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度普遍較高，因?yàn)樗z比增大使混凝土流動(dòng)性增加，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。 從設(shè)計(jì)目標(biāo)來說，要確保泡沫混凝土28 d 強(qiáng)度＞3 MPa。 水膠比過大會(huì)增加后期的收縮，因此配合比中水膠比不應(yīng)＞0.4。

圖3 不同水膠比(W/B)泡沫混凝土孔直徑、表面積、圓度和分形維數(shù)對(duì)28 d 抗壓強(qiáng)度的影響圖

2.3 泡沫混凝土孔特征對(duì)28 d 強(qiáng)度的線性相關(guān)性

在忽略水膠比對(duì)泡沫混凝土性質(zhì)影響的前提下，利用SPSS 軟件分析泡沫混凝土孔特征對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的線性影響，計(jì)算后得到的相關(guān)性指數(shù)見表4。 孔的圓度的顯著性值為0.012，其值明顯＜0.05，說明泡沫混凝土孔特征的4 組成分中，只有孔的圓度與泡沫混凝土28 d 強(qiáng)度之間真正相關(guān)，皮爾遜相關(guān)系數(shù)是-0.787，說明二者屬于負(fù)的強(qiáng)相關(guān)。由圖3(c)也可以看出，孔圓度對(duì)泡沫混凝土28 d 強(qiáng)度的影響接近線性關(guān)系。

表4 孔直徑、孔表面積、孔圓度和孔分形維數(shù)與28 d 抗壓強(qiáng)度相關(guān)性分析表

3 結(jié)論

通過上述研究，得到以下結(jié)論:

(1) 隨著泡沫混凝土孔隙的直徑、表面積、圓度和分形維數(shù)的增加，泡沫混凝土的表觀密度和28 d抗壓強(qiáng)度降低，即相同水膠比情況下，孔隙越大，圓度越好，孔隙的相似性越好，泡沫混凝土的基本性能越差。

(2) 水膠比對(duì)泡沫混凝土的孔隙特征有影響，水膠比為0.4 時(shí)的孔隙直徑、表面積和圓度最小，但是分形維數(shù)要大，制備的泡沫混凝土的28 d 強(qiáng)度最高，基本性能好。

(3) 孔隙的圓度與泡沫混凝土28 d 強(qiáng)度有強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。