郭國慶, 詹炳根, 楊永敢, 趙衛(wèi)平, 劉灝天, 華 建

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,當其組成與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,力學性能也會發(fā)生相應(yīng)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(guī)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(guī)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(jié)構(gòu)變化的影響;文獻[7]研究高溫對摻加粉煤灰和礦渣的輕質(zhì)混凝土抗壓和劈裂抗拉強度的影響;文獻[8]研究結(jié)果表明,粉煤灰的加入有效改善了試樣的孔結(jié)構(gòu),使氣孔分布更加均勻,進而增強了試樣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)的復(fù)合作用。文獻[9]研究表明，泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)是決定泡沫混凝土強度大小的內(nèi)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(guān)于在組成不變時,孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)出發(fā),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(jié)構(gòu),研究孔結(jié)構(gòu)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(zhì)量分數(shù)見表1所列;泡沫劑采用合肥佳方新材料有限公司生產(chǎn)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(zhì)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(zhì)量分數(shù)

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(diào)節(jié)發(fā)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?；?0、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(zhì)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(huán)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(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及其與強度損失之間的關(guān)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(guān)參數(shù)。

1.2.2 試件制備

按10倍稀釋比例配制泡沫液,按相應(yīng)配合比稱量水泥和水。把稱量好的材料放入攪拌機內(nèi)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(fā)泡機進行發(fā)泡,通過控制發(fā)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(nèi)。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(zhì)量、密度分布較為均勻,每個模具先澆筑1/2,振搗后再繼續(xù)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(zhì)量的試件作為空白對照組。煅燒試驗設(shè)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(xù)進行,即相鄰梯度溫度煅燒試驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),提出混凝土孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行分析。

2 試驗結(jié)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(guān)系

泡沫密度的變化會引起泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化,進而使得泡沫混凝土高溫下的殘余強度發(fā)生變化?；?0、60、70 g/L 3種泡沫密度制備的泡沫混凝土煅燒前的孔結(jié)構(gòu)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(guān)系。

2.2.1 平均孔徑與強度之間的關(guān)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(nèi)部小于200 μm的孔數(shù)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(yīng)的泡沫混凝土孔徑占比最大,70 g/L對應(yīng)的泡沫混凝土孔徑占比次之, 60 g/L對應(yīng)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(nèi)部400～600 μm的孔數(shù)量出現(xiàn)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(nèi)部大于600 μm的孔數(shù)量也出現(xiàn)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(shù)量越少,孔徑在400～600 μm范圍的孔數(shù)量越多,相應(yīng)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(jié)論,孔徑小于200 μm的孔數(shù)量越少,孔徑在400～600 μm范圍的孔數(shù)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(guī)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(guī)律和200～400 μm孔徑占比的變化規(guī)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(jié) 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。