泡沫混凝土的抗氯离子渗透性能研究

胡 敏，项腾飞，陈德鹏,1b，高恒昌

(1.安徽工业大学a.建筑工程学院，b.绿色建材研究所，安徽马鞍山243032；2.中建安装集团有限公司，江苏南京210000)

随着经济的飞速发展，沿海地区建筑规模越来越大，但沿海地区空气中氯盐含量较多，对混凝土的危害较大，因此保证沿海地区建筑物在氯盐环境下的耐久性尤为重要[1]。泡沫混凝土是一种轻质混凝土材料，具有密度低、导热系数好、流动性高等优点[2-3]，其内部封闭的气孔可阻碍空气中氯离子的渗透。探究泡沫混凝土作为保护层的可行性，对提高混凝土结构在长期服役过程中的抗氯离子渗透性能具有深远意义。国内外学者研究发现：改变混凝土水灰比[4]、龄期[5]、荷载作用位置[6]、服役环境[7]等会影响氯离子扩散系数；Kurumatani等[8]通过数值模拟混凝土内部裂缝情况，提出了氯离子浓度、寿命预测模型；通过添加粉煤灰、矿粉[9]、石灰石[10]、硅灰[11]改善混凝土抗氯离子渗透性能；利用氯离子自然扩散试验，分析轻质骨料混凝土[12]、再生混凝土[13]、自密实混凝土[14]中氯离子渗透情况。基于此，本文通过控制变量的方法研究发泡剂种类、发泡剂稀释倍数、泡沫混凝土水灰比、发泡剂含量对泡沫混凝土抗压强度、非稳态氯离子迁移系数和孔隙率的影响，分析其相互作用，并将非稳态氯离子迁移系数与孔隙率进行拟合，验证泡沫混凝土作为保护层提高普通混凝土抗氯离子渗透性能的可行性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用发泡剂为LG-3210，LG-2258，MP-50H、十二烷基硫酸钠(K12)、河南华泰建材公司生产的复合型发泡剂(简称HT)和植物活性剂发泡剂等6种，对应发泡剂类型1～6。水泥为海螺牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分和性能指标见表1，2。

表1 水泥主要成分，w/%Tab.1 Main components of the cement，w/%

1.2 试验方法

1.2.1 泡沫混凝土发泡剂的优选试验

进行泡沫混凝土发泡剂的优选试验，从6 种发泡剂中选择性能最好的1种作为泡沫混凝土保护层发泡剂。JG/T 266—2011[15]中明确指出，发泡剂的性能指标主要通过发泡倍数、1 h 沉降距和1 h 泌水量来表征，如表3。

1)发泡倍数

将制成的6 种发泡剂泡沫分别装入容积为250 mL、直径为60 mm的无底玻璃桶内，两端抹平，测量玻璃桶容积、质量及玻璃桶和泡沫总质量，按式(1)计算：

式中：M为发泡倍数；Vb为玻璃桶的容积，mm；m1为玻璃桶质量，g；m2为玻璃桶和泡沫的总质量，g；ρ为发泡剂水溶液的密度，g/mm3。

2)沉降距和泌水量

沉降距和泌水量试验装置如图1。将制成的6 种发泡剂泡沫装入高为30 cm、直径为7.5 cm 的PVC管中，两端抹平，一端置于纱网上，另一端覆盖一张卡纸，垂直放入容器内。将装置置于平静无风环境中，1 h后测量纸片覆盖端泡沫下降距离和容器内水的体积，即为1 h沉降距和1 h泌水量。

1.2.2 泡沫混凝土的抗压强度试验

按照标准JG/T 266—2011[16]中相关要求对不同配合比的泡沫混凝土试件分别进行搅拌、成型、养护和试验，并依据标准对其抗压强度进行评价。各组泡沫混凝土试件配合比如表4。

表2 水泥性能指标Tab.2 Performance indexes of the cement

表3 发泡剂性能指标Tab.3 Performance indexes of the foaming agent

图1 沉降距和泌水量试验装置Fig.1 Test device of settling distance and bleeding

图2 RCM法试验装置Fig.2 Test device of the RCM method

1.2.3 泡沫混凝土的抗氯离子渗透性能试验

在氯盐环境下，混凝土的服役寿命与氯离子在其内部传输机理密切相关，氯离子在混凝土内部的传输方式大致有毛细孔作用、渗透作用、扩散作用、对流作用和电化学迁移等5种。氯离子渗透是一个复杂的过程，通常情况下每次渗透包含多个不同的传输方式才能到达结构内部。本试验采用快速氯离子迁移系数法(简称RCM 法)测量并计算非稳态氯离子迁移系数，定量评价泡沫混凝土抗氯离子渗透能力。试验过程中通过加快离子自然扩散，利用化学反应现象确定氯离子浓度—距离—时间的关系。试验装置如图2。

根据GB/T 50082—2009[17]中RCM法的要求，在试验开始与结束时采用TP677数字温度计测量阳极溶液的温度θ。试验结束使用游标卡尺测量试件高度L，将试件沿轴线劈开，喷涂显色试剂，测量氯离子渗透深度X。泡沫混凝土非稳态氯离子迁移系数按式(2)计算

式中：DRCM为混凝土的非稳态氯离子迁徙系数，精确到0.1×10-12m2/s；U为试验用电压绝对值，V；θ为阳极溶液的开始与结束时温度平均值，℃；L为试件厚度，mm，精确至0.1 mm；X为氯离子渗透深度平均值，mm，精确至0.1 mm；t为试验持续时间，h。

1.2.4 孔隙率的测定

试件孔隙率测定方法主要有直接计算法、浸泡介质法、图像分析法，文中选择直接计算法测定不同配合比泡沫混凝土试件的孔隙率Δ，按式(3)计算

式中：m为烘干后泡沫混凝土的质量，g；ρS为泡沫混凝土对应致密固体的密度，g/cm3；VP为泡沫混凝土体积，cm3。

2 试验结果及分析

2.1 泡沫混凝土发泡剂的性能

6种发泡剂的性能试验结果如图3。由图3可知：6种发泡剂发泡倍数均大于20，满足泡沫混凝土发泡倍数要求，其中HT型发泡剂发泡倍数为44倍，优于其他5种发泡剂；除MP-50H型发泡剂的1 h沉降距不符合要求，其余均满足规范要求，其中HT型发泡剂1 h沉降距最小，为5 mm；6种发泡剂1 h泌水量均小于80 mL，其中HT型发泡剂泌水效果最好。

图3 发泡剂性能试验结果Fig.3 Test results performance of foaming agent

综上所述，在稀释倍数和发泡时间相同的情况下，HT型发泡剂发泡性能优异，泡沫稳定性较好。因此选用HT型发泡剂进行发泡，展开后续试验。

2.2 泡沫混凝土抗压强度的影响因素

根据表4配合比设计方案，开展12组泡沫混凝土抗氯离子渗透性能试验，试验结果如图4。由图4可知：泡沫混凝土抗压强度随着稀释倍数的增加而降低，这是因为稀释倍数较小时，细小且少量泡沫与水泥浆体的结合更为稳定，随着稀释倍数的增加，泡沫孔径增大，故强度随之降低；随着水灰比的增加，泡沫混凝土强度呈先上升后下降的趋势，当水灰比超过一定范围，水泥浆体稀释过度，易产生水泥下沉现象且原先在气孔壁的孔隙形成连通的孔，导致抗压强度显著降低；随着发泡剂含量的增加，泡沫混凝土强度整体呈减小趋势，尤其在质量比由0.6%上升至0.8%，抗压强度下降较为明显。发泡剂含量的增加必然使泡沫量增加，水泥浆体对于内部孔隙的包裹会变薄，因此强度减小；而当发泡剂含量过大时，泡沫混凝土内部大量存在的气孔增加了出现相互连通的可能性，故抗压强度骤然减小。

2.3 泡沫混凝土抗氯离子渗透性能的影响因素

2.3.1 泡沫混凝土抗氯离子渗透性能

图4 泡沫混凝土抗压强度的影响因素Fig.4 Influence factors of compressive strength of the foam concrete

图5 抗氯离子渗透性能和孔隙率的影响因素Fig.5 Influence factors of resistance to chloride ion penetration and porosity

泡沫混凝土抗氯离子渗透性能的试验结果如图5。由图5(a)可知：在发泡剂稀释倍数从40倍增加到60倍时，泡沫混凝土孔隙明显增多，氯离子迁移系数下降；在稀释倍数达到70时，产生的泡沫大小不均匀，孔隙过大，导致非稳态氯离子迁移系数骤增。由图5(b)可知：水灰比对于非稳态氯离子迁移系数与孔隙率的影响均呈先减小后增大的趋势，尤其在水灰质量比为0.5时，非稳态氯离子迁移系数和孔隙率达到最低值，分别为8.0×10-12m2/s，75.25%。这是由于水灰比较低时，泡沫在拌制时遇到未溶解的水泥，导致气泡消散，成型后的泡沫混凝土内部气孔较少，抗氯离子渗透性能较差；当水灰比较大时，水泥浆体过度稀释，泡沫在成型过程中不断上升，最终在表面形成气孔聚集且连通的薄水泥层，因此抗氯离子渗透性能不断降低。由图5(c)可知：较图5(a)，(b)而言，图5(c)中抗氯离子渗透性能有明显提升，发泡剂质量分数为0.6%时，泡沫混凝土的非稳态氯离子迁移系数为5.81×10-12m2/s，较普通混凝土的抗氯离子渗透能力提升60%；而当发泡剂质量分数达到0.8%时，孔隙率过大，过量的泡沫对抗氯离子渗透性能起反作用。综上所述，12组泡沫混凝土的非稳态氯离子迁移系数最高为10.76×10-12m2/s，证实泡沫混凝土可以提高氯离子渗透性能。

2.3.2 抗氯离子渗透性与孔隙率的关系

对不同孔隙率x下非稳态氯离子迁移系数y进行曲线拟合，其回归方程参数可用式(4)表示

孔隙率和非稳态氯离子迁移系数曲线拟合结果如图6。由图6 可知：二次型函数的相关系数为0.924 4，表明孔隙率与非稳态氯离子迁移系数的相关性较高；孔隙率过大或过小时，非稳态氯离子迁移系数越大，抗氯离子渗透性越差，这是因为孔隙率过大增加了孔隙之间连通的可能性，氯离子通过连通的孔在泡沫混凝土中扩散，而小孔隙率对于氯离子的传输路径阻碍较小。故只有在适当的孔隙率时，泡沫混凝土的抗氯离子性能才能发挥。

图6 曲线拟合结果Fig.6 Results of fitting curve

3 结 论

试验研究发泡剂稀释倍数、水灰比、发泡剂含量对泡沫混凝土抗压强度、非稳态氯离子迁移系数和孔隙率的影响，得出以下结论：

1)在稀释倍数和发泡时间相同时，HT型发泡剂的发泡性能优于其他5种发泡剂；

2)泡沫混凝土抗氯离子渗透性能优于普通混凝土，当发泡剂稀释倍数为60倍、水灰质量比为0.5、发泡剂质量分数为0.6%时，泡沫混凝土抗氯离子渗透性能最佳，非稳态氯离子迁移系数为5.81×10-12m2/s；

3)泡沫混凝土的孔隙率与非稳态氯离子迁移系数呈二次函数关系，且相关性较好，当孔隙率偏大或偏小时，抗氯离子渗透性较差；

4)气孔在泡沫混凝土内部所处的状态对泡沫混凝土抗氯离子渗透性能有明显的影响，均匀的气孔分布及封闭的孔隙状态是泡沫混凝土抗氯离子渗透性能优异的关键。