胡 敏，項騰飛，陳德鵬,1b，高恒昌

(1.安徽工業(yè)大學a.建筑工程學院，b.綠色建材研究所，安徽馬鞍山243032；2.中建安裝集團有限公司，江蘇南京210000)

隨著經濟的飛速發(fā)展，沿海地區(qū)建筑規(guī)模越來越大，但沿海地區(qū)空氣中氯鹽含量較多，對混凝土的危害較大，因此保證沿海地區(qū)建筑物在氯鹽環(huán)境下的耐久性尤為重要[1]。泡沫混凝土是一種輕質混凝土材料，具有密度低、導熱系數(shù)好、流動性高等優(yōu)點[2-3]，其內部封閉的氣孔可阻礙空氣中氯離子的滲透。探究泡沫混凝土作為保護層的可行性，對提高混凝土結構在長期服役過程中的抗氯離子滲透性能具有深遠意義。國內外學者研究發(fā)現(xiàn)：改變混凝土水灰比[4]、齡期[5]、荷載作用位置[6]、服役環(huán)境[7]等會影響氯離子擴散系數(shù)；Kurumatani等[8]通過數(shù)值模擬混凝土內部裂縫情況，提出了氯離子濃度、壽命預測模型；通過添加粉煤灰、礦粉[9]、石灰石[10]、硅灰[11]改善混凝土抗氯離子滲透性能；利用氯離子自然擴散試驗，分析輕質骨料混凝土[12]、再生混凝土[13]、自密實混凝土[14]中氯離子滲透情況?；诖?，本文通過控制變量的方法研究發(fā)泡劑種類、發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)、泡沫混凝土水灰比、發(fā)泡劑含量對泡沫混凝土抗壓強度、非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)和孔隙率的影響，分析其相互作用，并將非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)與孔隙率進行擬合，驗證泡沫混凝土作為保護層提高普通混凝土抗氯離子滲透性能的可行性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用發(fā)泡劑為LG-3210，LG-2258，MP-50H、十二烷基硫酸鈉(K12)、河南華泰建材公司生產的復合型發(fā)泡劑(簡稱HT)和植物活性劑發(fā)泡劑等6種，對應發(fā)泡劑類型1～6。水泥為海螺牌P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學成分和性能指標見表1，2。

表1 水泥主要成分，w/%Tab.1 Main components of the cement，w/%

1.2 試驗方法

1.2.1 泡沫混凝土發(fā)泡劑的優(yōu)選試驗

進行泡沫混凝土發(fā)泡劑的優(yōu)選試驗，從6 種發(fā)泡劑中選擇性能最好的1種作為泡沫混凝土保護層發(fā)泡劑。JG/T 266—2011[15]中明確指出，發(fā)泡劑的性能指標主要通過發(fā)泡倍數(shù)、1 h 沉降距和1 h 泌水量來表征，如表3。

1)發(fā)泡倍數(shù)

將制成的6 種發(fā)泡劑泡沫分別裝入容積為250 mL、直徑為60 mm的無底玻璃桶內，兩端抹平，測量玻璃桶容積、質量及玻璃桶和泡沫總質量，按式(1)計算：

式中：M為發(fā)泡倍數(shù)；Vb為玻璃桶的容積，mm；m1為玻璃桶質量，g；m2為玻璃桶和泡沫的總質量，g；ρ為發(fā)泡劑水溶液的密度，g/mm3。

2)沉降距和泌水量

沉降距和泌水量試驗裝置如圖1。將制成的6 種發(fā)泡劑泡沫裝入高為30 cm、直徑為7.5 cm 的PVC管中，兩端抹平，一端置于紗網(wǎng)上，另一端覆蓋一張卡紙，垂直放入容器內。將裝置置于平靜無風環(huán)境中，1 h后測量紙片覆蓋端泡沫下降距離和容器內水的體積，即為1 h沉降距和1 h泌水量。

1.2.2 泡沫混凝土的抗壓強度試驗

按照標準JG/T 266—2011[16]中相關要求對不同配合比的泡沫混凝土試件分別進行攪拌、成型、養(yǎng)護和試驗，并依據(jù)標準對其抗壓強度進行評價。各組泡沫混凝土試件配合比如表4。

表2 水泥性能指標Tab.2 Performance indexes of the cement

表3 發(fā)泡劑性能指標Tab.3 Performance indexes of the foaming agent

圖1 沉降距和泌水量試驗裝置Fig.1 Test device of settling distance and bleeding

圖2 RCM法試驗裝置Fig.2 Test device of the RCM method

1.2.3 泡沫混凝土的抗氯離子滲透性能試驗

在氯鹽環(huán)境下，混凝土的服役壽命與氯離子在其內部傳輸機理密切相關，氯離子在混凝土內部的傳輸方式大致有毛細孔作用、滲透作用、擴散作用、對流作用和電化學遷移等5種。氯離子滲透是一個復雜的過程，通常情況下每次滲透包含多個不同的傳輸方式才能到達結構內部。本試驗采用快速氯離子遷移系數(shù)法(簡稱RCM 法)測量并計算非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，定量評價泡沫混凝土抗氯離子滲透能力。試驗過程中通過加快離子自然擴散，利用化學反應現(xiàn)象確定氯離子濃度—距離—時間的關系。試驗裝置如圖2。

根據(jù)GB/T 50082—2009[17]中RCM法的要求，在試驗開始與結束時采用TP677數(shù)字溫度計測量陽極溶液的溫度θ。試驗結束使用游標卡尺測量試件高度L，將試件沿軸線劈開，噴涂顯色試劑，測量氯離子滲透深度X。泡沫混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)按式(2)計算

式中：DRCM為混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷徙系數(shù)，精確到0.1×10-12m2/s；U為試驗用電壓絕對值，V；θ為陽極溶液的開始與結束時溫度平均值，℃；L為試件厚度，mm，精確至0.1 mm；X為氯離子滲透深度平均值，mm，精確至0.1 mm；t為試驗持續(xù)時間，h。

1.2.4 孔隙率的測定

試件孔隙率測定方法主要有直接計算法、浸泡介質法、圖像分析法，文中選擇直接計算法測定不同配合比泡沫混凝土試件的孔隙率Δ，按式(3)計算

式中：m為烘干后泡沫混凝土的質量，g；ρS為泡沫混凝土對應致密固體的密度，g/cm3；VP為泡沫混凝土體積，cm3。

2 試驗結果及分析

2.1 泡沫混凝土發(fā)泡劑的性能

6種發(fā)泡劑的性能試驗結果如圖3。由圖3可知：6種發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)均大于20，滿足泡沫混凝土發(fā)泡倍數(shù)要求，其中HT型發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)為44倍，優(yōu)于其他5種發(fā)泡劑；除MP-50H型發(fā)泡劑的1 h沉降距不符合要求，其余均滿足規(guī)范要求，其中HT型發(fā)泡劑1 h沉降距最小，為5 mm；6種發(fā)泡劑1 h泌水量均小于80 mL，其中HT型發(fā)泡劑泌水效果最好。

圖3 發(fā)泡劑性能試驗結果Fig.3 Test results performance of foaming agent

綜上所述，在稀釋倍數(shù)和發(fā)泡時間相同的情況下，HT型發(fā)泡劑發(fā)泡性能優(yōu)異，泡沫穩(wěn)定性較好。因此選用HT型發(fā)泡劑進行發(fā)泡，展開后續(xù)試驗。

2.2 泡沫混凝土抗壓強度的影響因素

根據(jù)表4配合比設計方案，開展12組泡沫混凝土抗氯離子滲透性能試驗，試驗結果如圖4。由圖4可知：泡沫混凝土抗壓強度隨著稀釋倍數(shù)的增加而降低，這是因為稀釋倍數(shù)較小時，細小且少量泡沫與水泥漿體的結合更為穩(wěn)定，隨著稀釋倍數(shù)的增加，泡沫孔徑增大，故強度隨之降低；隨著水灰比的增加，泡沫混凝土強度呈先上升后下降的趨勢，當水灰比超過一定范圍，水泥漿體稀釋過度，易產生水泥下沉現(xiàn)象且原先在氣孔壁的孔隙形成連通的孔，導致抗壓強度顯著降低；隨著發(fā)泡劑含量的增加，泡沫混凝土強度整體呈減小趨勢，尤其在質量比由0.6%上升至0.8%，抗壓強度下降較為明顯。發(fā)泡劑含量的增加必然使泡沫量增加，水泥漿體對于內部孔隙的包裹會變薄，因此強度減小；而當發(fā)泡劑含量過大時，泡沫混凝土內部大量存在的氣孔增加了出現(xiàn)相互連通的可能性，故抗壓強度驟然減小。

2.3 泡沫混凝土抗氯離子滲透性能的影響因素

2.3.1 泡沫混凝土抗氯離子滲透性能

圖4 泡沫混凝土抗壓強度的影響因素Fig.4 Influence factors of compressive strength of the foam concrete

圖5 抗氯離子滲透性能和孔隙率的影響因素Fig.5 Influence factors of resistance to chloride ion penetration and porosity

泡沫混凝土抗氯離子滲透性能的試驗結果如圖5。由圖5(a)可知：在發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)從40倍增加到60倍時，泡沫混凝土孔隙明顯增多，氯離子遷移系數(shù)下降；在稀釋倍數(shù)達到70時，產生的泡沫大小不均勻，孔隙過大，導致非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)驟增。由圖5(b)可知：水灰比對于非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)與孔隙率的影響均呈先減小后增大的趨勢，尤其在水灰質量比為0.5時，非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)和孔隙率達到最低值，分別為8.0×10-12m2/s，75.25%。這是由于水灰比較低時，泡沫在拌制時遇到未溶解的水泥，導致氣泡消散，成型后的泡沫混凝土內部氣孔較少，抗氯離子滲透性能較差；當水灰比較大時，水泥漿體過度稀釋，泡沫在成型過程中不斷上升，最終在表面形成氣孔聚集且連通的薄水泥層，因此抗氯離子滲透性能不斷降低。由圖5(c)可知：較圖5(a)，(b)而言，圖5(c)中抗氯離子滲透性能有明顯提升，發(fā)泡劑質量分數(shù)為0.6%時，泡沫混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)為5.81×10-12m2/s，較普通混凝土的抗氯離子滲透能力提升60%；而當發(fā)泡劑質量分數(shù)達到0.8%時，孔隙率過大，過量的泡沫對抗氯離子滲透性能起反作用。綜上所述，12組泡沫混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)最高為10.76×10-12m2/s，證實泡沫混凝土可以提高氯離子滲透性能。

2.3.2 抗氯離子滲透性與孔隙率的關系

對不同孔隙率x下非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)y進行曲線擬合，其回歸方程參數(shù)可用式(4)表示

孔隙率和非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)曲線擬合結果如圖6。由圖6 可知：二次型函數(shù)的相關系數(shù)為0.924 4，表明孔隙率與非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)的相關性較高；孔隙率過大或過小時，非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)越大，抗氯離子滲透性越差，這是因為孔隙率過大增加了孔隙之間連通的可能性，氯離子通過連通的孔在泡沫混凝土中擴散，而小孔隙率對于氯離子的傳輸路徑阻礙較小。故只有在適當?shù)目紫堵蕰r，泡沫混凝土的抗氯離子性能才能發(fā)揮。

圖6 曲線擬合結果Fig.6 Results of fitting curve

3 結 論

試驗研究發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)、水灰比、發(fā)泡劑含量對泡沫混凝土抗壓強度、非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)和孔隙率的影響，得出以下結論：

1)在稀釋倍數(shù)和發(fā)泡時間相同時，HT型發(fā)泡劑的發(fā)泡性能優(yōu)于其他5種發(fā)泡劑；

2)泡沫混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)于普通混凝土，當發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)為60倍、水灰質量比為0.5、發(fā)泡劑質量分數(shù)為0.6%時，泡沫混凝土抗氯離子滲透性能最佳，非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)為5.81×10-12m2/s；

3)泡沫混凝土的孔隙率與非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)呈二次函數(shù)關系，且相關性較好，當孔隙率偏大或偏小時，抗氯離子滲透性較差；

4)氣孔在泡沫混凝土內部所處的狀態(tài)對泡沫混凝土抗氯離子滲透性能有明顯的影響，均勻的氣孔分布及封閉的孔隙狀態(tài)是泡沫混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)異的關鍵。