早强剂对轻质复合发泡泡沫混凝土早期抗压强度影响试验分析

吴亚飞,刘德仁,2

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,兰州 730070)



早强剂对轻质复合发泡泡沫混凝土早期抗压强度影响试验分析

吴亚飞1,刘德仁1,2

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,兰州 730070)

通过对湿密度分别为500 kg/m3、800 kg/m3、1000 kg/m3的轻质复合发泡泡沫混凝土试样进行了室内无侧限单轴压缩试验,分析了氯化钙和硫酸钠两种早强剂对轻质复合发泡泡沫混凝土早期抗压强度的影响；借助光学显微技术并通过图像分析软件,从微观角度解释了氯化钙、硫酸钠早强剂对轻质复合发泡泡沫混凝土早期抗压强度形成的影响。结果表明：两种早强剂均可使轻质复合发泡泡沫混凝土早期抗压强度有较大幅度提高,特别是3 d、7 d、14 d抗压强度提高幅度分别至少在44.3%、25.4%和11.2%,但对28 d抗压强度提高不明显；两种早强剂均可使轻质复合发泡泡沫混凝土的微观结构指标显著提高,硫酸钠早强剂提高效果更为明显。

早强剂； 轻质泡沫混凝土； 抗压强度； 微观结构； 养护龄期

1 引 言

轻质泡沫混凝土作为土木工程领域近年开发的一种新型轻质高强土工材料[1],是在水泥、骨料、外掺料、改性剂和水等制成的浆料中掺入发泡剂,通过化学反应生成气体使浆料膨胀,经硬化形成多孔结构所制成的轻质材料,因其轻质高强、流动性好、直立性强、性能稳定、对环境影响小等优点[2-5],在岩土工程中得到了广泛应用,如软弱地基处理、土坡稳定、陡坡地区施工、码头隔墙、管道填埋[6],也可用于沿海地基填充,桥台台背回填,减小桥头不均匀沉降[7-9]等等。

轻质泡沫混凝土从浇筑完成到凝结硬化至预期强度需要一段较长的时间,无疑很大程度上拖慢了施工进度。为提高泡沫混凝土早期抗压强度、缩短养护时间、加快施工进度,在泡沫混凝土中添加早强剂就显得尤为必要。为此,相关学者做了大量试验,研究了在泡沫混凝土中掺加早强剂对其物理力学性能影响：邵洪江等[10]研究了在粉煤灰泡沫混凝土中掺加氯化钙早强剂对其容重、体积吸水率和早期抗压强度的影响；谢慧东等[11]研究了3种早强剂(氯化钙、硫酸钠、碳酸钠)对化学发泡混凝土发泡倍数、浆体稳定性、抗压强度、表观密度和体积吸水率的影响；俞心刚等[12]研究了两种早强剂(硫酸钠和硫酸钙)对煤矸石-粉煤灰泡沫混凝土抗压强度、体积吸水率及微观孔结构的影响。对于目前在实际工程有较多应用的早强剂对轻质复合发泡剂泡沫混凝土早期抗压强度影响的研究却相对较少。因此,本文对掺加不同早强剂(氯化钙和硫酸钠)、湿密度分别为500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3的轻质复合发泡泡沫混凝土试样进行了室内无侧限单轴压缩试验,并利用计算机断层成像技术(CT)直接扫描其新鲜断面、图像分析技术对比分析其微观结构,研究了不同龄期下、两种早强剂对轻质复合发泡泡沫混凝土无侧限早期抗压强度的影响。

2 试 验

2.1 试验原材料

制备轻质复合发泡泡沫混凝土试样所需材料：水泥为普通硅酸盐水泥P·O 42.5级,甘肃祁连山水泥集团股份有限公司；发泡剂HTW-1型(出口型)复合发泡剂,河南华泰建材开发有限公司；水为兰州自来水；两种早强剂分别为氯化钙早强剂和硫酸钠早强剂。

2.2 试样制备

按照设计配合比要求分别称取水泥、外加剂,将二者均匀混合,然后按照水固比为0.65的设计要求称取水、水泥,均匀搅拌后立即加入制备好的泡沫,不断搅拌直至达到规定要求。将调制好的泡沫混凝土浆液浇筑到尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的模具中。另为得到标准尺寸试样,浇筑时浆液要溢出模具表面一定高度。浇筑完成后,需均匀振捣(人工、机械均可)使浆液均匀填充到模具中(注意避免浆液中存在过大气泡),表面立即用一层保鲜膜覆盖以达到保湿、防止水分蒸发从而引起试块开裂。试样静置于试验室中24 h后去除模具顶面多余的泡沫混凝土,脱模后立即送入标准养护室养护至试验规定龄期。

2.3 试验方法

为研究早强剂对轻质复合发泡泡沫混凝土早期抗压强度的影响,本次试验设计了掺加两种早强剂：氯化钙、硫酸钠早强剂,剂量均为水泥用量的2.0%,相关研究数据表明掺加氯化钙和硫酸钠早强剂剂量为水泥用量的2.0%左右最为合理[13]；三种设计湿密度,分别为500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3。对每一种设计湿密度都制备有三组试样：一组掺加氯化钙早强剂的试样、一组掺加硫酸钠早强剂的试样和一组不掺加任何早强剂的空白对照试样,并分别对3 d、7 d、14 d、28 d龄期的试样进行无侧限单轴压缩试验[14],其中每组无侧限单轴压缩试验有5个试样,取其平均值作为结果(为尽量减小外部环境差异对试样数据的影响,对同一湿密度的试样一次性浇筑完成,且对不同湿密度试样在同一条件下养护)。另利用100倍光学显微扫描技术分别扫描选定试样的新鲜断面,并结合图像分析技术来观察、分析其微观结构。

3 结果与讨论

3.1 早强剂对轻质复合发泡剂泡沫混凝土早期抗压强度影响分析

图1分别为3 d、7 d、14 d、28 d养护龄期与不同湿密度未掺加早强剂、掺加氯化钙早强剂、硫酸钠早强剂试样的早期抗压强度关系曲线图。

图1中得出的结论如下：掺加硫酸钠早强剂的轻质复合发泡泡沫混凝土试样其3 d抗压强度较未掺加早强剂试样的抗压强度提高幅度平均可达47.0%左右,最高可达55.1%；7 d抗压强度较未掺加早强剂的试样提高幅度平均为25.6%,最高可达30.0%；14 d抗压强度较未掺加早强剂的试样提高幅度平均为10.5%,最高可达12.4%。可见,硫酸钠早强剂对轻质泡沫混凝土的早期强度提高很大,特别是3 d抗压强度,因为水泥水化早期过程中,硫酸钠能较快的与水化产物Ca(OH)2作用生成硫酸钙,这种反应生成的硫酸钙比生产水泥时掺入的石膏细度更大、活性更好,与水泥中的铝酸钙反应速度也快得多,因此早期生成大量的钙矾石。钙矾石的大量形成消耗了很多氢氧化钙,使得溶液中的氢氧化钙浓度降低,并且大量的钙矾石晶体交错搭接,水化硅酸钙凝胶填充其间,提高了泡沫混凝土的早期抗压强度[15]。

掺加氯化钙早强剂试样其早期抗压强度提高幅度也较大：3 d抗压强度较未掺加早强剂的试样提高幅度平均可达41.5%,最高可达46.2%；7 d抗压强度较未掺加早强剂的试样提高幅度平均可达25.3%,最高可达33.3%；14 d抗压强度较未掺加早强剂的试样提高幅度平均可达11.9%,最高可达13.6%；28 d抗压强度较未掺加早强剂的试样最多仅提高4.5%,影响不大。氯化钙早强剂的早强作用主要是因为水化反应时它能够与水泥中的铝酸三钙反应,生成不溶于水的水化氯铝酸钙,另外,氯化钙还能与水泥水化反应生成难溶于水的氧氯化钙；大量水化产物的生成,增大了水泥浆中的固相比例,有利于水泥石结构的形成,进而提高混凝土的早期抗压强度。

图1 各湿密度轻质泡沫混凝土抗压强度分别与3 d、7 d、14 d、28 d养护龄期的关系图 (a)ρw=500 kg·m-3;(b)ρw=800 kg·m-3;(c)ρw=1000 kg·m-3Fig.1 Compressive strength of lightweight foam concrete with different wet densities at different curing ages

3.2 微观结构角度分析早强剂对其早期抗压强度的影响

泡沫混凝土独特的孔结构(内部孔隙的大小、多少、形貌及其分布)对其诸多性能具有十分重要的影响,一般而言,泡沫混凝土中孔分布越均匀、孔径越小,其抗压强度越好[16]。从剖面观察,泡沫混凝土可以看作是无数大小不一的气孔和气孔壁构成的复合体,复合体的分布、大小和形状决定了泡沫混凝土的性能[17]。Kcarslcy[18]等的实验数据经过验证可以较好地证实泡沫混凝土的抗压强度与孔结构关系密切；Kumar[19]等的研究发现当孔隙率小于一定值后,孔隙率与抗压强度关系模型尚未得到解决。分析掺加与不掺加早强剂轻质复合发泡泡沫混凝土微观孔结构对其早期抗压强度的影响有多个指标,如孔隙率、平均孔径及其分布、单位面积气孔个数、平均形状因子等[20]。本文结合图像扫描技术及图像分析技术从其微观孔结构的平均孔径、平均形状因子及单位面积气孔个数方面分析了微观孔结构对掺加早强剂试样7 d抗压强度的影响。

图2为不同早强剂、500 kg/m3湿密度、7天养护龄期情况下3组试样相同部位(已在试样中间部位做好刻度标记,如同中所示)图像扫描图样,图3为掺加氯化钙早强剂、7 d养护龄期、不同湿密度情况下相同部位图像扫描图样。

由图2可知：掺加早强剂的2组试样较未掺加早强剂试样其气孔孔壁更完整,气孔破壁现象很少,气孔孔径也相对减小,虽有个别气孔较大,但较少出现孔破壁现象；2组掺加早强剂试样相比,掺加氯化钙早强剂组试样气孔分布更加均匀、孔形也更加均匀,这也说明500 kg/m3湿密度、7 d养护龄期情况下,氯化钙早强剂对轻质泡沫混凝土7 d抗压强度提升效果较掺加硫酸钙早强剂组试样更明显。

由图3 掺加氯化钙早强剂、7 d养护龄期、不同湿密度情况下,可知湿密度为800 kg/m3试样气孔分布较为加均匀,这也反映了7 d养护龄期下湿密度为800 kg/m3试样抗压强度提高幅度最大；但是其出现孔破壁现象较湿密度为1000 kg/m3组试样增多。

图2 不同早强剂、500 kg·m-3湿密度、7 d养护龄期情况下3组试样相同部位扫描图样 (a)未掺加早强剂试样扫描图样;(b)掺加硫酸钠早强剂试样扫描图样;(c)掺加氯化钙早强剂试样扫描图样Fig.2 SEM images of different specimens of the same parts with different early strength agents,wet density of 500 kg·m-3 and 7 days curing ages

图3 掺加氯化钙早强剂、7 d养护龄期、不同湿密度情况下相同部扫描图样 (a)湿密度为500 kg·m-3;(b)湿密度为800 kg·m-3;(c)湿密度为1000 kg·m-3Fig.3 SEM images of the same parts under different wet density of the mixed calcium chloride E.S.A and 7 d curing age

表1为500 kg/m3湿密度、7 d养护龄期情况下未掺早强剂、掺加硫酸钠早强剂和掺加氯化钙早强剂的3组轻质泡沫混凝土试样由图像分析得到的3项微观结构相关指标。分析表中平均孔径数据可知掺加氯化钙早强剂的两组试样平均孔径均减小至100 μm(作为区分大小孔的指标)以下,说明大孔数目总体在减少,而小孔数目在增多,使得平均孔径减小至100 μm一下；由单位面积气孔数可知掺加早强剂的两组试样较未掺加早强剂的试样提高幅度平均在19.8%,最高可提高23.3%,提高效果明显；从平均形状因子来讲其数值越接近1表明气孔形状越接近球形,掺加早强剂的两组试样其数值较未掺加早强剂的试样平均形状因子更接近1,即更接近球形。

表1 掺氯化钙早强剂、养护7 d、不同湿密度情况下3组试样相关指标(早强剂掺量为2%)Tab.1 The relative indexes of 3 groups of specimens under different wet density with calcium chloride E.S.A and 7 days curing ages

表2为500 kg/m3湿密度、7 d养护龄期情况下未掺早强剂、掺加硫酸钠早强剂和掺加氯化钙早强剂的3组轻质复合发泡剂泡沫混凝土试样相关指标。分析表2中平均孔径数据可知掺加早强剂的两组试样平均孔径均较未掺加早强剂试样分别降低了2.43%和2.26%；由单位面积气孔数可知掺加早强剂的两组试样较未掺加早强剂的试样提高幅度为29.17%和20.24%,提高效果明显；从平均形状因子来讲掺加早强剂的两组试样其数值较未掺加早强剂试样的平均形状因子更接近1,即更接近球形。

表2 不同早强剂、养护7 d、湿密度为500 kg·m-3情况下3组试样相关指标(早强剂掺量为2%)Tab.2 The relative indexes of 3 groups of specimens with different E.S.As,wet density of 500 kg·m-3 and 7 days curing age

总体来讲,掺入早强剂能够显著提高试样早期抗压强度,特别是7 d抗压强度：一方面,早强剂可加快水泥浆体硬化凝结速度、尽快形成支撑骨架；另一方面,早强剂可减少浆体中泡沫一系列迁移、合并、破裂,提高试样的孔结构强度；同时也能够降低试样中较大气孔的平均孔径和所占体积百分比,改善气孔结构。早强剂稳泡作用可提高体系中气泡膜的强度,减少泡沫在混合搅拌和水泥水化早期的合并与破裂,增大了气泡的稳定性、减少了气泡劣化,对强度发展十分有利；另其早强作用也可降低试样中气泡平均形状因子,即试样中气泡越来越接近球形,同时也降低了气泡可以迁移、合并的时间,使气泡也尽可能保持最初形成时的球形。

4 结 论

本文分别对湿密度为500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3、掺加两种不同早强剂的轻质复合发泡剂泡沫混凝土试样进行了室内无侧限单轴压缩实验并结合光学显微技术及图像分析技术,分析了两种早强剂对轻质复合发泡泡沫混凝土各个龄期抗压强度的影响,结论如下：

(1) 掺入的两种早强剂均可显著提高轻质复合发泡剂泡沫混凝土的早期抗压强度：掺入硫酸钠早强剂的3种湿密度轻质复合发泡剂泡沫混凝土试样的早期抗压强度均随着养护龄期的增长而增大,其3 d、7 d、14 d抗压强度提高幅度平均分别为47.0%、25.6%和10.5%；氯化钙早强剂可使其3 d、7 d、14 d抗压强度提高幅度平均分别为41.5%、25.3%和11.9%;

(2)两种早强剂均可使轻质复合发泡泡沫混凝土的7 d抗压强度提高35.0%以上,但是对轻质复合发泡剂泡沫混凝土的28 d抗压强度影响不大,相反,掺入硫酸钠早强剂试样28 d抗压强度有降低趋势;

(3) 掺入早强剂的2组试样其体积平均孔径减小,平均形状因子、破壁现象均减少,单位面积气孔数有所增加,这也从微观结构角度反映了掺加早强剂可提高泡沫混凝土早期抗压强度这一事实。

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Experimental Analysis on Effects of Early Strength Agent on Compressive Strength of Composite Foamed Lightweight Concrete

WUYa-fei1,LIUDe-ren1,2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Key Laboratory of Road and Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,Lanzhou 730070,China)

Unconfined uniaxial compression test was performed on composite foamed lightweight concrete specimen with wet density of 500 kg/m3, 800 kg/m3and 1000 kg/m3to analyze the effects of two kinds of early strength agent,calcium chloride and sodium sulfate,on the early compressive strength of lightweight composite foamed concrete. Otherwise the Optical microscopy technology and image analysis technology were applied to discuss the effects of calcium chloride and sodium sulfate on the early compressive strength from the micro perspective. The results illustrate that both types of early strength agents affect the early compressive strength obviously. Especially the 3 d, 7 d, 14 d compressive strength increase by at least 44.3%, 25.4% and 11.2%, and the sodium sulfate performs better. The incorporation of early strength agents could make its micro pore structure index improved significantly from the micro perspective,especially the sodium sulfate.

early strength agent;foamed lightweight concrete;compressive strength;micro-structure;curing time

兰州交通大学土木工程学院校青年基金(2103031)

吴亚飞(1990-)，男，硕士研究生.主要从事路基方向研究.

U416

A

1001-1625(2016)09-2781-06