泡沫混凝土抗压强度及孔结构研究

高庆强

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350100)

0 引言

泡沫混凝土是通过将物理发泡得到的泡沫加入由水、胶凝材料、集料及外加剂等材料搅拌均匀而成的浆体，经过混泡均匀并通过泵送系统进行施工现场浇筑而成的多孔混凝土。近年来，由于泡沫混凝土具有容重轻、流动性强、强度可调节及施工便捷等特点，其在路基和桥台背回填应用工程案例越来越多[1-2]。但在应用过程中出现了强度低等问题，目前泡沫混凝土关于孔结构的研究还相对较少，为了促进泡沫混凝土得到更好的应用，本文以湿密度800级泡沫混凝土为研究对象，采用单因素试验方法，因素为水灰比、减水剂、粉煤灰、硅灰，进行抗压强度与孔结构的性能研究。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，福建福州炼石水泥有限公司生产；粉煤灰采用II级粉煤灰，福建和东新型建材有限公司生产；减水剂采用TW-3(F)高效减水剂，减水率为17%，福建建工建材科技开发有限公司生产；硅灰采用广东锐通建材有限公司生产，比表面积为16.9m2/g；发泡剂采用MS-1型复合发泡剂，福建省建筑科学研究院生产，稀释倍数为40倍。

1.2 试验方法

抗压强度测试参照《泡沫混凝土》(JG/T266-2011)进行。平均孔径和圆度值采用断面直接观测法进行测量，首先尽量截取平整的泡沫混凝土剖面试样，利用Supereyes电子显微镜对剖面进行观察并拍照如图1(a)，利用Image-Pro Plus对图像进行处理，将图像二值化如图1(b)。在同样的拍摄条件下，对微标尺进行拍照。根据标尺和图像尺寸进行比例尺设定，将图像的pixel尺寸按比例转化为mm单位；通过对原图和处理后的灰度图进行对比，将灰度图中与原图孔隙尺寸和形状与原图相符的区域选出，利用软件分析出平均孔径、圆度值等气孔结构参数，如图1(c)、(d)所示。

(a)剖面观测拍摄图

(b)二值化

(c)选取平均孔径及圆度值进行计算

(d) 调取计算结果

2 试验结果与分析

2.1 水灰比对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

不同水灰比会对泡沫混凝土浆体内部泡沫与浆体的粘性产生影响，影响孔结构的分布和变形及抗压强度。以0.38、0.42、0.46、0.50不同水灰比进行试验，测试每组试样抗压强度，并测量平均孔径和圆度值。试验结果如图2所示。

图2 水灰比对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

由图可知，在0.38～0.50水灰比范围内，水灰比增加有利于提升抗压强度，分析原因为增大水灰比促进了胶凝材料水化产物的生成，减少未水化水泥颗粒，提高泡沫混凝土孔结构各个部位孔壁水泥石的抗压强度，从而整体上提高抗压强度。随着水灰比增大，平均孔径均表现为逐渐增大，分析原因是在低水灰比下，浆体粘性较大，对泡沫有压迫变形作用，水灰比增大浆体对泡沫的约束变形作用减弱，则泡沫可趋于球形，故表现为平均孔径逐渐增大，圆度值逐渐减少，抗压测试时受力比较均匀，从而宏观上增大抗压强度[3]。

2.2 减水剂对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

掺入减水剂可提高泡沫混凝土强度，为了解减水剂对泡沫混凝土孔结构的影响，基于拌合水灰比为0.38，以减水剂占水泥重量的0.3%、0.4%和0.5%不同掺量进行试验，测试每组试样抗压强度，并测量平均孔径和圆度值。与未掺减水剂试验结果比较，试验结果如图3所示。

图3 减水剂对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

从图3观察得知，减水剂掺入后抗压强度有一定增长，分析为减水剂的离散特性使水泥颗粒表面带负电荷，电荷的相互排斥作用使水泥颗粒得到较好分散，同时释放出被禁锢的自由水，使水泥颗粒与水分子充分接触进行水化反应，减水剂掺量越多，水化反应更全面，同时避免拌合水在局部分配不均的现象，改善水泥石内部因水分迁移的孔隙结构，减少因此产生的原始裂纹，提高抗压强度[4]。掺入减水剂后与水灰比增大对于平均孔径及圆度等孔结构参数影响趋势相似，分析原因为减水剂掺入有利于降低泡沫与浆体的黏聚性，泡沫在浆体分散过程中受到阻力更小，分散更为均匀，受到的挤压变形更小，宏观上有利提高其抗压强度。

2.3 粉煤灰对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

将粉煤灰作为泡沫混凝土的掺合料，减少生产成本的同时可以改善施工性能。选取水灰比为0.38，减水剂掺量为0.4%，以内掺粉煤灰15%、30%、50%不同掺量进行试验，测试每组试样抗压强度，并测量平均孔径和圆度值，与未掺粉煤灰试验结果比较。试验结果如图4所示。

图4 粉煤灰对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

当掺量为15%时，泡沫混凝土的抗压强度有一定幅度的增长，这是因为粉煤灰的活性成分与水化产物氢氧化钙生成对强度有利的产物，同时粉煤灰的微集料效应使支撑孔结构的孔壁更加密实，粉煤灰的滚珠润滑作用有利于泡沫混凝土浆体各组分均匀混合，因此抗压强度提高。粉煤灰掺入过量，有效胶凝材料减少，同时易导致未参与水化反应材料增加，在混凝土内部形成初始微裂纹，变成抗压薄弱部分，因此降低抗压强度[5]。随着粉煤灰掺量增大，平均孔径孔结构参数均呈现先增大后减少，圆度值则先减少后增大，但变化幅度都较小，分析原因是粉煤灰润滑浆体作用使泡沫分散更均匀，受到周围浆体环境压迫变形较小，粉煤灰掺量过大则易出现浆体对泡沫壁摩擦力较小，约束作用较弱，出泡沫合并现象，从而导致平均孔径、圆度值增大。从孔结构参数变化趋势上看，少量掺入粉煤灰有利于泡沫混凝土抗压强度增长，过量掺入则水泥水化产物不足占着抗压强度降低的主导作用。

2.4 硅灰对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

硅灰有利于提高泡沫混凝土基体材料的抗压强度。基于前期试验，选取0.38水灰比、0.4%减水剂掺量及15%粉煤灰掺量，以内掺硅灰2%、5%、8%不同掺量进行试验，测试每组试样抗压强度，并测量平均孔径和圆度值，与未掺硅灰试验结果比较。试验结果如图5所示。

图5 硅灰对泡沫混凝土抗压强度及孔结构的影响

由图5可知，硅灰掺入后抗压强度表现为先增大后减少，先增大是由于硅灰内部含有大量的活性SiO2，可发生与粉煤灰类似作用的火山灰效应，且因为硅灰粒径是水泥的几百分之一，可增加水泥石的密实性，减少混凝土内部因缺陷孔隙形成的抗压薄弱区，故而提升抗压强度[6]。当硅灰掺量过大导致强度逐渐降低，分析原因是硅灰比表面积大，需水量高，同样水灰比条件浆体流动度急剧减少。加入泡沫后，黏聚性较大的浆体不易将泡沫分散开，并进行均匀包裹，且泡沫与浆体的接触面摩擦力过大，导致泡沫破损形成混凝土薄弱区，导致抗压强度降低。随着硅灰掺量增加，平均孔径值均呈下降，圆度值变大，分析原因是浆体黏聚性增加，泡沫的泡沫壁机械强度不足，拌合过程中泡沫破损较多，泡沫里面空气失去泡壁支撑易被压缩，孔结构圆度值增大，变形较大，导致泡沫混凝土内部受压时受力不均匀，因此抗压强度降低。

3 结论

(1)当水灰比为0.38～0.50时，增大水灰比促进了胶凝材料水化产物的生成，提高泡沫混凝土孔结构各个部位孔壁水泥石的抗压强度，从而整体上提高抗压强度。

(2)当水灰比为0.38，减水剂掺入有利于降低泡沫与浆体的黏聚性，泡沫在浆体分散更为均匀，受到的挤压变形更小，宏观上有利提高其抗压强度。

(3)粉煤灰掺量过大时浆体对泡沫约束作用较弱，出现泡沫合并现象，从而导致平均孔径、圆度值增大。

(4)黏聚性较大的浆体不易将泡沫分散开，并进行均匀包裹，且泡沫与浆体的接触面摩擦力过大，导致泡沫破损形成混凝土薄弱区，导致抗压强度降低。