熊遠亮，朱 玉，李保亮,3，陳 春，張亞梅

(1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇省土木工程材料重點實驗室， 南京 211189；2.煙臺大學土木工程學院，煙臺 264005;3.淮陰工學院建筑工程學院， 淮安 223001)

0 引 言

泡沫混凝土是一種由水泥基體、輔助材料及孔隙等組成的多孔輕質混凝土。與傳統(tǒng)混凝土相比，泡沫混凝土具有流動度高、密度低、保溫隔熱及隔聲性能好等優(yōu)點，受到國內外學者廣泛關注。然而，泡沫混凝土也存在強度低、干縮大及易開裂等缺點，限制了泡沫混凝土的大規(guī)模應用。為提高泡沫混凝土的性能，學者[1-2]通過調節(jié)水泥種類及摻量、水灰比、砂級配、膠砂比、發(fā)泡劑種類等進行了大量的研究。此外，粉煤灰、硅灰、纖維及骨料[3-6]等材料也被用于提高泡沫混凝土的性能。與其他方法相比，適量骨料的摻入是提高泡沫混凝土強度、改善泡沫混凝土收縮及開裂性能經濟且簡單有效的方式[6]。

隨著大量混凝土用于基礎設施建設，可用于制備混凝土的天然骨料日益減少，嚴重制約了社會的發(fā)展。因此，利用橡膠顆粒、廢棄黏土磚及鎳鐵渣等固體廢棄物制備可再生骨料取代天然骨料越來越受到國內外學者的重視[7]。鎳鐵渣是熔煉鎳礦過程中產生的一種工業(yè)副產品，主要由斜頑輝石(clinoenstatite， MgSiO3)、頑輝石(enstatite， MgSiO3)和鎂橄欖石(orsterite， Mg2SiO4)礦物組成，同時含有玻璃體相及Cr等。中國每年有接近3 000萬t的鎳鐵渣排放[8]，而僅有約12%(質量分數)的鎳鐵渣用于制備混凝土骨料及混凝土礦物摻合料[9-11]等，大量未處理的鎳鐵渣會造成環(huán)境污染。將廢渣合理地應用在水泥基材料中可以降低污染，但目前鎳鐵渣的利用率很低，主要原因是鎳鐵渣中大量的二價鎂安定性問題，以及鎳鐵渣與水泥基體間的潛在堿骨料反應等問題[7,12]。

Sun等[13]研究表明，摻入鎳鐵渣砂可以使混凝土的力學性能、抗氯離子侵蝕性能及抗火性能均出現(xiàn)一定程度的提高。Choi等[7]研究發(fā)現(xiàn)，鎳鐵渣砂會與水泥基體發(fā)生堿骨料反應導致混凝土膨脹，而將鎳鐵渣砂破碎或采用天然砂、粉煤灰及礦渣部分取代鎳鐵渣砂會有效減小混凝土的膨脹。鎳鐵渣砂在混凝土中應用會由于安定性問題及堿骨料反應問題導致混凝土膨脹開裂，但鎳鐵渣砂在泡沫混凝土中應用具有很大優(yōu)勢：一方面泡沫混凝土自身收縮大，鎳鐵渣砂作為骨料可以起支撐作用，約束基體的變形；另一方面，鎳鐵渣砂由于安定性及堿骨料反應產生的微膨脹能夠抵消泡沫混凝土部分收縮[7]。然而，目前采用鎳鐵渣砂改善泡沫混凝土性能的研究還很少。

本文采用鎳鐵渣砂制備泡沫混凝土，研究鎳鐵渣砂摻量對泡沫混凝土抗壓強度、變形及收縮開裂的影響，并采用SEM、X-CT等手段研究了泡沫混凝土微結構，以期實現(xiàn)鎳鐵渣砂在泡沫混凝土中的利用，降低泡沫混凝土的生產成本，并緩解鎳鐵渣利用率低而帶來的嚴重環(huán)境污染問題。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥(Portland cement, PC)采用P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥，其比表面積為360 m2/kg，密度為3.12 g/cm3，化學組成見表1。發(fā)泡劑采用納米改性合成發(fā)泡劑(NA-SS,中山宜發(fā)建材科技有限公司，廣東中山)，其基本組成見文獻[14]。試驗用鎳鐵渣砂是鎳鐵渣經破碎制備而成，鎳鐵渣砂的細度模數、密度及累積粒徑分布如表2和圖1所示，鎳鐵渣砂化學組成如表3所示。

表1 水泥的化學組成Table 1 Chemical composition of cement

表2 鎳鐵渣砂的細度模數及密度Table 2 Fineness modulus and density of ferronickel slag sand

表3 鎳鐵渣砂的化學組成Table 3 Chemical composition of ferronickel slag sand

圖1 鎳鐵渣砂累積分布Fig.1 Cumulative distribution of ferronickel slag sand

1.2 泡沫混凝土的制備方法

合成發(fā)泡劑與水按1 ∶300的質量比制成發(fā)泡液。按照表4材料配合比，成型目標密度為1 000 kg/m3的泡沫混凝土。具體制備過程為：以0.4的水膠比將水與水泥混合攪拌30 s，然后加入鎳鐵渣砂攪拌均勻，同時，將發(fā)泡液置于發(fā)泡機發(fā)泡，然后將制備的泡沫引入水泥基體中以60 r/min的轉速攪拌3 min，澆筑尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的泡沫混凝土試件。試件成型48 h后脫模，在溫度為(20±2) ℃、相對濕度(RH)>95%的標準養(yǎng)護室內養(yǎng)護。養(yǎng)護完成后，在60 ℃的干燥箱中烘至恒重，稱量烘干后試件的質量，獲得泡沫混凝土的密度。

表4 泡沫混凝土配合比Table 4 Mix proportion of foamed concrete

1.3 泡沫混凝土性能測試方法

1.3.1 泡沫混凝土抗壓強度及其孔結構

依據標準JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[15]，測試泡沫混凝土抗壓強度?？箟簭姸葴y試前，將標準試件 (100 mm×100 mm×100 mm) 置于60 ℃的烘箱中烘至恒重，測試泡沫混凝土的抗壓強度。進行抗壓強度試驗時，壓力試驗機的加載速度控制在1.5～2.5 kN/s之間。

采用X-CT(Y.CT PRECISION S) 表征養(yǎng)護28 d后泡沫混凝土試件的微觀孔結構，X-CT的最小分辨率約為10 μm。

1.3.2 泡沫混凝土干燥收縮及自收縮

兩端預埋銅棒的40 mm×40 mm×160 mm試件用于測試泡沫混凝土干燥收縮性能，試件每組3塊，24 h后拆模，置于(20±2) ℃恒溫水槽保持72 h，然后將試件取出、擦干并測量初始長度。置于恒溫 (20±1) ℃、恒濕 (43±2)%環(huán)境下，并于3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、56 d及90 d測量其長度，每次讀數重復3次，測試過程參照規(guī)范GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》[16]。

泡沫混凝土的自收縮測試按照ASTM C1698—19[17]的方法進行。自收縮試驗裝置為變形測試系統(tǒng)SBT-AS200,自收縮測試試驗于恒溫(20±1) ℃、恒濕(43±2)%環(huán)境中進行，每分鐘進行一次數據采集，連續(xù)監(jiān)測7 d。每組泡沫混凝土采用兩根波紋管，并取平均值作為其自收縮值。

1.3.3 開裂性能測試

泡沫混凝土的抗裂性能采用平板法進行測試[18]，測試過程參照標準CCES 01—2018《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[19]及JCT 951—2018《水泥砂漿抗裂性能試驗研究》[20]，如圖2所示。平板試驗模具尺寸為：長(900±3) mm、寬(600±3) mm、高(50±1) mm。直徑為10 mm的螺紋鋼筋作為泡沫混凝土內部約束，螺紋鋼筋設置方向垂直于模板長邊，間距為150 mm，鋼筋離模板底部的高度為20 mm，使用木塊控制鋼筋的位置，泡沫混凝土抗裂性能試驗分組如表5所示。

收縮開裂試驗環(huán)境條件為溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%。首先將泡沫混凝土漿體置于模具中抹平，然后采用碘鎢燈在模具正上方1 m處用1 000 W碘鎢燈照射，試件表面溫度約為40 ℃。4 h后關閉碘鎢燈，然后在水平方向采用風速為2～3 m/s的風扇吹24 h。記錄泡沫混凝土試件的開裂時間、裂縫長度和裂縫寬度。通過公式(1)～(3)計算單位面積裂縫數量(Nunit)，平均裂縫面積(ac)和單位面積上總開裂面積(Ac)[16]。

Nunit=N/A

(1)

ac=1/(2N)∑NiWiLi

(2)

Ac=ac·Nunit

(3)

式中：Wi為第i個裂紋的最大寬度，mm；N為裂紋的總數；Li為第i個裂紋的長度，mm；A為平板面積，0.54 m2。

圖2 泡沫混凝土收縮開裂試驗Fig.2 Cracking resistance test of foamed concrete

表5 收縮開裂試驗分組Table 5 Groups for cracking resistance test

泡沫混凝土抗裂等級的評估標準如表6所示。根據CCES01—2018《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[19]評估標準，泡沫混凝土的抗裂性可分為五個等級。

表6 收縮開裂判別標準及抗裂等級Table 6 Discriminant criteria of shrinkage cracking and crack resistance grade

2 結果與討論

2.1 鎳鐵砂對泡沫混凝土抗壓強度及孔結構影響

鎳鐵渣砂摻量對泡沫混凝土抗壓強度影響如圖3所示。鎳鐵渣砂摻量為0%、5%、10%及20%時，泡沫混凝土的28 d抗壓強度分別為8.8 MPa、9.3 MPa、8.0 MPa及7.7 MPa。隨著鎳鐵渣砂摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度先增大后減小，這是由于鎳鐵渣砂摻量不大于5%時，泡沫混凝土的抗壓強度主要由水泥漿體提供，且鎳鐵渣砂引入的缺陷相對較少，顆粒作為骨架，起到一定支撐作用，使泡沫混凝土抗壓強度升高[21]；而鎳鐵渣砂摻量超過10%時會在泡沫混凝土中引入大量界面缺陷，降低泡沫混凝土的抗壓強度。鎳鐵渣砂泡沫混凝土的SEM-EDS測試結果如圖4所示，鎳鐵渣砂表面光滑，表明鎳鐵渣砂與基體之間未發(fā)生明顯的化學反應，鎳鐵渣砂與基體之間存在明顯的界面缺陷，界面缺陷會顯著降低混凝土的抗壓強度[22-23]。

圖3 鎳鐵砂摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響Fig.3 Effect of ferronickel slag sand content on compressive strength of foamed concrete

圖4 鎳鐵砂泡沫混凝土SEM照片及EDS譜Fig.4 SEM image and EDS spectrum of foamed concrete with ferronickel slag sand

泡沫混凝土X-CT測試結果及孔分布統(tǒng)計結果如圖5～6所示。隨著鎳鐵渣砂摻量的增加，泡沫混凝土中尺寸小于150 μm的孔逐漸減少，大于150 μm的孔逐漸增多，泡沫混凝土的平均孔徑增大。鎳鐵渣砂摻入會在鎳鐵渣砂與水泥基體間引入界面缺陷，如圖4所示，造成泡沫混凝土大孔數量增加。

圖5 泡沫混凝土X-CT二維斷面圖Fig.5 X-CT two-dimensional cross section images of foamed concrete

圖6 鎳鐵砂含量對泡沫混凝土孔徑分布的影響Fig.6 Effect of ferronickel slag sand content onpore size distribution of foamed concrete

2.2 鎳鐵砂對干燥收縮及自收縮影響

鎳鐵渣砂摻量對泡沫混凝土的干燥收縮性能影響如圖7所示。泡沫混凝土在前7 d的收縮急劇增長，這是泡沫混凝土水化早期自由水消耗和蒸發(fā)導致的[24]。隨著水泥的持續(xù)水化和自由水蒸發(fā)，泡沫混凝土的收縮率逐漸降低，最終保持穩(wěn)定。摻加0%、5%、10%和20%鎳鐵渣砂泡沫混凝土90 d的干燥收縮分別為3.83×103με、3.70×103με、3.43×103με和3.24×103με。

圖7 鎳鐵渣砂含量對泡沫混凝土干燥收縮的影響Fig.7 Effect of ferronickel slag sand contenton drying shrinkage of foamed concrete

鎳鐵渣砂摻量對泡沫混凝土的自收縮的影響如圖8所示，鎳鐵渣砂摻量分別為5%、10%和20%時，泡沫混凝土減縮量分別為6.8%、22.2%及26.0%。隨著鎳鐵渣砂摻量的增加，泡沫混凝土的自收縮明顯降低，這是由于鎳鐵渣砂摻入，一方面，減少水泥用量，降低水泥水化自由水消耗導致的收縮，另一方面，鎳鐵渣砂摻入會約束基體的變形，進一步降低泡沫混凝土的收縮。

圖8 鎳鐵渣砂含量對泡沫混凝土自燥收縮的影響Fig.8 Effect of ferronickel slag sand contenton autogenous shrinkage of foamed concrete

2.3 鎳鐵砂對泡沫混凝土抗裂性能影響

泡沫混凝土抗裂性能測試結果如表7及圖9所示。由圖可知，鎳鐵渣砂的摻入可以顯著降低泡沫混凝土的裂縫數量及裂縫寬度。摻加0%、10%及20%鎳鐵渣砂的泡沫混凝土開裂時間分別為205 min、242 min和280 min，抗裂等級由V級逐漸提高為II級，這與文獻[7] 采用天然砂改善泡沫混凝土抗裂性能的變化規(guī)律一致。平板試驗中泡沫混凝土開裂的主要原因是泡沫混凝土的塑性收縮，塑性收縮是由于水分耗散、泌水蒸發(fā)而產生的[25]。鎳鐵渣砂摻入減少了水泥用量，而且鎳鐵渣砂能夠約束基體的變形，降低泡沫混凝土的收縮，因而改善泡沫混凝土的收縮開裂性能。

表7 泡沫混凝土抗裂性能Table 7 Cracking resistance of foamed concrete

圖9 鎳鐵渣砂摻量對泡沫混凝土收縮開裂性能影響Fig.9 Effect of ferronickel slag sand content on shrinkage cracking of foamed concrete

3 結 論

(1)隨著鎳鐵砂摻量的增加，泡沫混凝土的強度呈先增大后減小的趨勢。

(2)鎳鐵渣砂摻量不大于5%時，泡沫混凝土的強度主要由水泥漿體提供，且鎳鐵渣砂引入的缺陷相對較少，顆粒作為骨架，起到一定支撐作用，使泡沫混凝土強度升高。而鎳鐵砂摻量超過10%時，會在泡沫混凝土中引入大量界面缺陷，使泡沫混凝土的大孔數量增加，平均孔徑增大，泡沫混凝土的強度降低。

(3)隨著泡沫混凝土中鎳鐵渣砂摻量的增加，水泥用量減少，水泥水化的自由水消耗導致的收縮降低，且鎳鐵渣砂摻入會約束基體的變形，進一步降低泡沫混凝土的收縮，提高抗裂性能。當鎳鐵砂摻量由0%增加到20%時，泡沫混凝土的裂縫數量及裂縫寬度出現(xiàn)明顯降低，抗裂等級由V級提高到II級。