王 軍, 王鑫琦, 郭宏杰, 杜杭威

(1. 甘肅建投住宅產(chǎn)業(yè)新型材料有限公司, 甘肅 蘭州 730300; 2. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

泡沫混凝土具有耐火、隔熱、保溫的物理特點(diǎn),同時(shí)兼顧便于施工、價(jià)格低廉的市場(chǎng)特性而被廣泛應(yīng)用于建筑的諸多領(lǐng)域.在行業(yè)發(fā)展過程中,泡沫混凝土不斷得到新的應(yīng)用,在建設(shè)公路的過程中泡沫混凝土被用來降低地基沉降的風(fēng)險(xiǎn).目前在泡沫混凝土中加入摻和料已然成了新的研究熱點(diǎn),摻入礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢料有助于提高泡沫混凝土的物理性能,同時(shí)也有助于節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境.然而泡沫混凝土在使用過程中逐漸暴露出耐久性能差、抗壓強(qiáng)度低等問題而限制了其在工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[1].

沈峰[2]在探討泡沫混凝土性能的同時(shí)總結(jié)了泡沫混凝土在建筑工程保溫墻體、砌塊、補(bǔ)償?shù)鼗确矫娴膽?yīng)用.陳雯等[3]研究了基料對(duì)泡沫混凝土不同性能的影響,研究表明，當(dāng)基料不同時(shí),泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、干密度、抗壓強(qiáng)度等物理、力學(xué)指標(biāo)存在差異.發(fā)泡劑會(huì)直接對(duì)泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響其宏觀性能,所以發(fā)泡劑的成分及其特性對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的形成起著重要的作用,通過對(duì)各類發(fā)泡劑的改性和混摻復(fù)配[4]研究發(fā)泡劑、外加劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響,確定發(fā)泡劑的濃度、外加劑的種類[5-6]、穩(wěn)泡劑合理用量[7-8]具有重要意義.普通混凝土抗壓強(qiáng)度高于泡沫混凝土一個(gè)數(shù)量級(jí),為了解決泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度低的情況,催生了學(xué)者們對(duì)于復(fù)合夾心墻板的研究[9-11]，由于泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通混凝土截然不同,因此許多學(xué)者將泡沫混凝土內(nèi)部孔隙作為主要研究對(duì)象,探究泡沫混凝土內(nèi)部孔隙的影響因素以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與泡沫混凝土力學(xué)性能之間的關(guān)系[12-13].齊瑋等[14-15]基于國內(nèi)外有關(guān)泡沫混凝土的孔隙特征、力學(xué)性能等研究的基礎(chǔ),制備了干密度600～1 000 kg/m3的泡沫混凝土,采用優(yōu)化的孔隙測(cè)試方法,建立了數(shù)值模型并得出結(jié)論,認(rèn)為水膠比是顯著影響泡沫混凝土內(nèi)部孔隙特征的因素之一[16],孔隙特征與力學(xué)性能之間滿足一定的數(shù)學(xué)模型.習(xí)雨同[17]認(rèn)為泡沫混凝土的物理性能與氣孔結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系,通過正交試驗(yàn)(三因素三水平)得出不同水膠比、砂灰比、粉煤灰摻量等因素對(duì)固定干密度泡沫混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的影響,結(jié)果表明,水膠比對(duì)孔隙率的影響更為顯著,并且孔隙率隨著粉煤灰摻量和水膠比的增大而減小,孔隙率和平均孔徑對(duì)吸水率的影響呈現(xiàn)正相關(guān)性.

上述關(guān)于泡沫混凝土的研究中,均未考慮水溫在制備泡沫混凝土過程中對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)成型的影響.本文通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定最佳水配合比,在此基礎(chǔ)上改變水的溫度,研究制備用水溫度對(duì)泡沫混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度、干密度、以及吸水率的影響.旨在為不同溫度條件下泡沫混凝土的生產(chǎn)提供理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)選用常規(guī)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥,并且滿足規(guī)范GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求.細(xì)骨料選用砂和蛭石,經(jīng)檢測(cè)砂的級(jí)配區(qū)間屬于Ⅱ級(jí)中砂,細(xì)度模數(shù)值為2.8,蛭石粒徑為1～3 mm.摻合料為Ⅱ級(jí)粉煤灰,化學(xué)指標(biāo)見表1.雙氧水作為本次試驗(yàn)研究的發(fā)泡劑,性能指標(biāo)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.5%,穩(wěn)定度96%,不發(fā)揮物0.062%,游離酸0.024%.圖1a,b分別為聚丙烯纖維抗裂纖維(PPF)和可分散乳膠粉.

表1 粉煤灰主要化學(xué)成分

圖1 聚丙烯纖維和可再分散乳膠粉Fig.1 Polypropylene fiber and redispersible latex powder

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究單一變量溫度對(duì)泡沫混凝土性能的影響,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定水膠比(A)、粉煤灰摻量(B)、膠粉摻量(C)三因素組合水平基于抗壓強(qiáng)度下的極差分析,確定最優(yōu)水平組合,正交試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3,通過正交試驗(yàn)確定膠粉摻量2%、粉煤灰摻量15%、水膠比0.6為最優(yōu)水平組合.基于最優(yōu)水平組合設(shè)置7種溫度水平(15、20、25、30、35、40、45 ℃),按照表4所列的配合比制作水灰比為0.6的泡沫混凝土試塊,試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,泡沫混凝土試塊制作過程中需按照表4所示的配合比將原材料依次投放進(jìn)攪拌機(jī)內(nèi),攪拌均勻后加入發(fā)泡劑快速攪拌10 s注入試模內(nèi),靜置24 h后脫膜,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù).

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

表4 泡沫混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)

將泡沫混凝土試塊平均分割成四份,在每個(gè)切割面上任取3個(gè)點(diǎn),利用HC-U81混凝土超聲波測(cè)缺功能對(duì)泡沫混凝土孔隙進(jìn)行細(xì)觀測(cè)量,對(duì)讀取的測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值,圖2為測(cè)量孔徑時(shí)的采集圖片,表5為泡沫混凝土在不同溫度下的平均孔徑.對(duì)每個(gè)切割面進(jìn)行二值化處理,利用Image-ProPlus6.0得到New Mask圖(如圖3所示)并計(jì)算孔隙率,計(jì)算結(jié)果見表6.結(jié)合表5，表6和圖3可知,隨著溫度的升高平均孔徑變大,當(dāng)溫度為15 ℃時(shí),化學(xué)反應(yīng)緩慢,水泥水化不完全,大量膠凝材料堵塞了孔隙,導(dǎo)致了平均孔徑較小,孔隙率僅為21%左右.當(dāng)溫度為30、35 ℃時(shí),泡沫泡沫混凝土平均孔徑和孔隙率計(jì)算結(jié)果非常相近,并且孔結(jié)構(gòu)相對(duì)較優(yōu),孔徑大小均勻且連通孔少.當(dāng)水溫為45 ℃時(shí),平均孔徑繼續(xù)增大,但是孔隙率出現(xiàn)明顯的下降,主要是因?yàn)闇囟壬咴黾恿穗p氧水的活性,發(fā)泡過程中出現(xiàn)氣孔破裂形成較多的連通孔,且切面上氣孔分布不均勻.當(dāng)僅考慮泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)時(shí),泡沫混凝土制備時(shí)宜選用30、35 ℃的水溫.

圖2 孔隙采集圖Fig.2 Pore collection map

圖3 泡沫混凝土New Mask圖Fig.3 New Mask of foam concrete

表5 泡沫混凝土平均孔徑

表6 泡沫混凝土平均孔隙率

2.2 抗壓強(qiáng)度

通過壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)過程中應(yīng)保持均勻加載至試件破壞，然后記錄不同制備水溫下的泡沫混凝土破壞荷載，并計(jì)算每組試件的算數(shù)平均值.圖4所示為水溫與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的曲線關(guān)系,其28 d抗壓強(qiáng)度隨著水溫的升高而降低，并且抗壓強(qiáng)度隨水溫變化的變化率并不是保持不變,而是隨著溫度的升高,抗壓強(qiáng)度變化越來越慢.水溫溫度與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度之間存在數(shù)值關(guān)系y=3.377x-0.599,相關(guān)系數(shù)R2=0.98.這是由于抗壓強(qiáng)度不僅與材料本身特性有關(guān),與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)也有密不可分的關(guān)系,隨著水溫的升高,雙氧水活性受到影響,發(fā)泡速率的改變引起泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的變化,平均孔徑隨著水溫升高而變大,孔壁由厚變薄,連通孔變多,抗壓強(qiáng)度會(huì)隨之下降.眾多經(jīng)驗(yàn)公式[18-19]表明泡沫混凝土強(qiáng)度與孔隙率存在一定關(guān)系,經(jīng)驗(yàn)公式中相關(guān)性系數(shù)最高的為Hasselmann提出的線性公式：

圖4 抗壓強(qiáng)度與水溫?cái)M合曲線Fig.4 Fitting curve of compressive strength and water temperature

fc=f0(1-AP)

(1)

其中:fc為抗壓強(qiáng)度;f0為孔隙率為零時(shí)水泥石的抗壓強(qiáng)度;p為泡沫混凝土孔隙率;A為經(jīng)驗(yàn)常數(shù).

試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式有所區(qū)別,體現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系并不是單調(diào)關(guān)系,結(jié)合圖2和表6,45 ℃時(shí)平均孔隙率小于30、35 ℃時(shí)的孔隙率,按照線性經(jīng)驗(yàn)公式，45 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度應(yīng)該高于30、35 ℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度,但是試驗(yàn)表明，45 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度低于30、35 ℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度.所以當(dāng)溫度變化時(shí),分析泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度時(shí),應(yīng)綜合考慮內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的影響,單一的考慮孔徑大小、孔隙率、連通孔都是不準(zhǔn)確的.當(dāng)溫度為30、35 ℃時(shí),雖然泡沫混凝土孔隙率較高,但孔徑分布大小均勻,連通孔少,氣孔圓度值高,所以泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度(≥0.3 MPa)依然能夠滿足規(guī)范要求.

2.3 干密度

圖5為干密度隨水溫變化的關(guān)系曲線.由圖5可知,水溫和干密度呈現(xiàn)反向變化趨勢(shì),當(dāng)溫度升高時(shí),干密度逐漸下降.水溫與干密度的關(guān)系為y=11 638-1 853ln(x+427),相關(guān)系數(shù)R2=0.97.泡沫混凝土試塊中的孔隙體積決定了泡沫混凝土的干密度,試驗(yàn)采用的是化學(xué)方法制備泡沫混凝土,考慮到雙氧水活性極易受到溫度的影響,溫度升高會(huì)加快雙氧水的分解速率，而在水泥水化的過程中伴隨著氣泡的產(chǎn)生使?jié){料膨脹,當(dāng)水化產(chǎn)物的濃度不斷提高達(dá)到臨界值,會(huì)促使水化產(chǎn)物析出微晶膠粒，微晶膠粒為絮狀結(jié)構(gòu)物,當(dāng)微晶膠粒增多時(shí), 料漿會(huì)因逐漸失去流動(dòng)性喪失支撐自重的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,這就是氣孔結(jié)構(gòu)形成的基本過程.但是在以化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫混凝土?xí)r,因發(fā)泡劑受溫度影響較大,發(fā)泡劑放氣速度與氣孔壁強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)程難以同步,最終導(dǎo)致氣孔連通率較高.當(dāng)水溫升高時(shí),由內(nèi)部形貌可知,隨著孔徑變大、孔隙率提高、連通孔增多,干密度出現(xiàn)降低的趨勢(shì).當(dāng)水溫為35～40 ℃時(shí),干密度下降至240 kg/m3,考慮到水溫過高加上水化熱會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土因溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫,所以當(dāng)泡沫混凝土干密度滿足要求時(shí),此時(shí)的水溫為最佳的溫度.

圖5 干密度與水溫?cái)M合曲線Fig.5 Fitting curve of dry density and water temperature

2.4 吸水率

圖6 吸水率與水溫的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of water absorption and water temperature

3 因素相關(guān)性分析

3.1 相關(guān)性理論

相關(guān)性理論是指定量分析兩種或者兩種以上變量之間的相互依賴程度,按照因素?cái)?shù)量的不同,相關(guān)性分析主要分為兩因素相關(guān)性分析和多因素相關(guān)性分析,按照因素之間的關(guān)系,可以分為線性相關(guān)性和非線性相關(guān)性.泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、干密度、吸水率與溫度之間均存在單調(diào)關(guān)系,為了研究泡沫混凝土各物理性能在溫度變化作用下的相關(guān)性,試驗(yàn)選擇基本的二因素線性相關(guān)性進(jìn)行分析.

假定相關(guān)變量x與y之間存在相關(guān)性,則一元相關(guān)分析方程為

y=b+ax+ε

(2)

其中:a,b為線性相關(guān)性分析中的參數(shù),ε～N(0,σ2),假設(shè)有(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)作為一組相互獨(dú)立的數(shù)值,則有

yi=b+axi+εi

(3)

相關(guān)參數(shù)可由最小二乘法求得,因?yàn)?x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)是一組觀測(cè)值,當(dāng)x0,x1,x2,…,xn確定的情況下,相應(yīng)的yi與確定變量相關(guān)的偏差值為

yi-E(yi)=yi-b+axi+εi

(4)

由于偏差值的不同,離差平方和為

(5)

如果存在b,a使得離差達(dá)到極小值,則b,a就是所要求的相關(guān)參數(shù),由于minQ(b,a)總存在極小值,滿足

(6)

則

(7)

3.2 二因素相關(guān)性分析

在水溫變化條件下,測(cè)得的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和干密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示,從圖中可以看出抗壓強(qiáng)度和干密度隨溫度變化的變化速率不同,但是整體變化趨勢(shì)相同,呈現(xiàn)出隨溫度增加而遞減的趨勢(shì).因此將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS分析因素相關(guān)性得到圖7,由圖7可知,在水溫變化下,泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和干密度之間存在正線性相關(guān)性,相關(guān)性指數(shù)R2=0.94,由此可以得出抗壓強(qiáng)度和干密度之間相關(guān)性程度較高.溫度變化作用下,泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的具體值如圖4和圖6所示,隨溫度變化泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的整體變化趨勢(shì)相反,用相同的方法分析抗壓強(qiáng)度和吸水率在溫度變化作用下的相關(guān)性得到圖8,從圖8可知,泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,并且R2=0.94,兩因素之間存在較高的相關(guān)性.由此可以說明,當(dāng)泡沫混凝土的物理、力學(xué)性能僅受溫度變化影響時(shí),抗壓強(qiáng)度與干密度、吸水率之間均存在可靠度高的線性相關(guān)性,因此在溫度變化作用下,可以選擇一個(gè)物理、力學(xué)性能指標(biāo)來表征泡沫混凝土的整體性能.

圖7 抗壓強(qiáng)度與干密度的相關(guān)性

圖8 抗壓強(qiáng)度與吸水率的相關(guān)性

4 結(jié)論

1) 溫度對(duì)泡沫混凝土平均孔徑、孔隙率、連通孔數(shù)量等均有影響,當(dāng)溫度為30、35 ℃時(shí),泡沫混凝土內(nèi)部孔徑大小均勻,孔隙率高、連通孔少、平均孔徑為1.9 mm左右,泡沫混凝土發(fā)泡效果最好.

2) 泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、干密度與水溫反向變化,吸水率與溫度同向變化,并且抗壓強(qiáng)度、干密度、吸水率與水溫均滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,可以根據(jù)抗壓強(qiáng)度、干密度、吸水率的要求確定制備泡沫混凝土?xí)r的溫度.

3) 由于泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)的特殊性,其物理、力學(xué)性能主要由混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)所決定,其中孔隙率對(duì)吸水率的影響比較顯著.

4) 在溫度變化作用下,泡沫混凝土各物理、力學(xué)性能變化趨勢(shì)存在一定的相關(guān)性,抗壓強(qiáng)度和干密度呈現(xiàn)正線性相關(guān)性,抗壓強(qiáng)度與吸水率呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)性,因此可以選擇一個(gè)物理、力學(xué)性能指標(biāo)來表征泡沫混凝土整體的性能.