陶粒蒸压加气混凝土预养阶段孔结构试验研究

翟红侠， 钱彦磊， 廖绍峰， 汤羽钊， 赵 越

(1.安徽建筑大学 材料与化学工程学院，安徽 合肥 230022；2.安徽建工集团有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

蒸压加气混凝土是一种多孔结构材料，在预养阶段掺加发气剂使其内部产生均匀闭孔气泡，经高温高压养护形成多孔混凝土，多孔性是加气混凝土的主要特征。经研究掺入适量的陶粒可以改善加气混凝土的力学性能、干燥收缩、热工性能、耐久性、表观密度等[1-4]。

加气混凝土的保温性、收缩性、耐久性、抗碳化性、强度等性能均很大程度上受孔分布及结构特征的影响。研究表明在孔隙率不变的情况下，可以通过降低大孔隙的数量与大孔隙的尺寸，增加小孔隙的数量，可以提高加气混凝土的抗压强度[5-8]。目前对蒸压加气混凝土预养阶段的研究相对较少，仅有对预养阶段的温度与时间进行描述[9-11]，预养阶段的温度会影响蒸压加气混凝土的坯体硬化程度与发气剂的发气[12]，尚未有研究预养阶段温湿度的变化对加气混凝土孔结构的影响。

加气混凝土的孔包括微观孔和宏观孔，传统测孔方式(如光学法、压汞法等)在表征微观孔方面效果显著，但不适用与宏观孔的表征。本文基于MATLAB软件分析，一是对陶粒蒸压加气混凝土截面上的宏观孔进行识别、提取、分析；二是根据提取到的孔隙特征找出陶粒蒸压加气混凝土预养阶段最佳养护温湿度。

1 试验原材料及试验方法

1.1 原材料

试验原材料有粉煤灰、水泥、陶粒、石灰、石膏、发气剂、水，其中粉煤灰来自合肥发电厂Ⅱ级粉煤灰，依据《水泥密度测定方法》测出粉煤灰的密度为2 080 kg/m3，堆积密度为960 kg/m3；水泥为安徽海螺水泥股份有限公司生产的P.O42.5硅酸盐水泥，参照《水泥密度测定方法》与《水泥胶砂强度检验方法》测出水泥的表观密度为3 100 kg/m3，3 d、28 d的抗压强度分别为20.2 MPa、50.5 MPa；陶粒为湖北宜昌光大陶粒制品有限责任公司生产的高强圆形页岩陶粒，陶粒的粒径为5～10 mm, 堆积密度范围为510～900 kg/m3;石灰来自滁州市凤阳县武店镇，其有效氧化钙含量为86%，消化时间为2 min，消化温度为100 ℃，经球磨30 min细度为17%以下(过0.08 mm方孔筛筛余量)；石膏来自含山县，其结晶水为,为硬石膏；发气剂为铝粉，铝粉来自淮安市宏瑞建材有限公司，活性氧化铝的含量大于85%，细度为1%以下(过0.08 mm方孔筛余量)，各原材料化学成分见下表1。

表1 原材料化学成分 %

1.2 试件制备与研究方法

经探索性试验寻找最佳配合比，针对预养阶段温度和湿度变化分析陶粒加气混凝土孔结构的分布特征，试验方案见表2。制备工艺是：将粉煤灰、水泥、石灰、石膏材料计量后放入砂浆搅拌机中搅拌120 s，加入40 ℃水继续搅拌120 s，搅拌均匀后加入铝粉快速搅拌30 s左右，按体积掺量掺入陶粒快速搅拌15 s，把浆料倒入预热好(温度30～40 ℃)的模具中。将模具放入恒温恒湿养护箱进行静养2～3 h，将膨胀出模具表面的面包头用刀抹平拆模。

表2 预养阶段试验方案

采用高清数码相机采集陶粒蒸压加气混凝断面图像，利用MATLAB图像分析方法，快速算出所采集到的陶粒蒸压加气混凝土断面的孔隙率、孔径分布、孔面积、不同孔径范围内孔的数量，从而对陶粒蒸压加气混凝土(预养阶段温湿度的变化)的孔结构进行表征。通过改变预养阶段的温湿度，得到预养阶段的不同温湿度对陶粒蒸压加气混凝土孔结构的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 图像的获取与处理

取预养后的陶粒蒸压加气混凝土砌块，在砌块上随机截取截面为100 mm×100 mm、厚度约为30 mm的方块，采用高清数码相机获得截面图片，利用MATLAB将获得的砌块截面图像信息存储于矩阵中，为了增加孔与孔壁的差异和图片分析与存储，需对图片进行灰度处理，将拍摄到的陶粒蒸压加气混凝土图片转换为灰度照片。

为了能够直观对数据进行观察与分析，需对灰度照片再进行二值化处理。二值化处理就是把图像信息转化为矩阵信息，灰度图像中的像素分为两种颜色，用来分离图像中的孔与非孔，图像中黑色区域代表孔，像素值为0，白色区域代表非孔，像素值为1。经过二值化处理后的图片如图1所示。根据相机的分辨率与表示的实际长度，可以算出理论上能够表征的最小孔径为0.026 mm。通过对黑色区域像素点的计数，可以计算出陶粒蒸压加气混凝土截面的孔隙率与孔面积，截面二值化图像中连通域的个数即为孔的个数，并假设陶粒蒸压加气混凝土中的所有孔均为球形孔，进而可以得到陶粒蒸压加气混凝土的平均孔径 。

图1 陶粒蒸压加气混凝土截面图像二值化处理

2.2 图像分析

为探究预养阶段的最佳温湿度，先控制预养阶段的温度，调整预养阶段的湿度，找出预养阶段的最佳湿度，然后控制预养阶段的湿度，调整预养阶段的温度，从而找出预养阶段的最佳温湿度。预养阶段的温度为70℃，在不同湿度下的5组试样截面上的二值化图像如图2所示。

图2 不同湿度下的陶粒蒸压加气混凝土截面二值化图像

0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH这5组试样截面上的不同孔径的面积占比如图3所示。

图3 0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH组试样不同孔径的面积占比

由图3可知，0 RH、60 RH、80 RH、90 RH、95 RH这5组试样截面上的不同孔径的面积占比差异较大。在相对湿度为0的0RH组试样截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm的孔径为主，分别占总孔隙率的28.63%、58.37%，0.1～0.5 mm的孔径次之，占总孔隙率的12.36%；在相对湿度为60%的60RH组试样的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm的孔径为主，分别占总孔隙率的22.6%、28.3%、47%；在相对湿度为80%的80RH组试样的截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm和2～3 mm,分别占总孔隙率的16.12%、25.21%、49.58%，0.1～0.5 mm的孔径次之，占总孔隙率的8.73%；在相对湿度为90%的90RH组试样的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1和1～2 m的孔径为主，分别占总孔隙率的23.17%、70.37%，0.5～1 mm的孔径次之，占总孔隙率的6.4%；湿度为95%的95RH组试样的截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm的孔径为主，分别占总孔隙率的16.33%、47.79%、35.55%。

综上所述，不同湿度下的陶粒蒸压加气混凝土截面上的孔径主要集中在0.1～2 mm，从图3不同试样的孔径面积占比可以得到，孔径小于1 mm下，占总孔隙率60%以上的有60RH和95RH两组，结合不同湿度下的孔隙特征(图4)，由陶粒蒸压加气混凝土截面孔隙率最大与平均孔径最小可知，预养阶段的最佳相对湿度为60%。在相对湿度为0时，铝粉的发气与胶凝材料的水化都需要一定量的水，在70℃的温度下，湿度过低加速了陶粒蒸压加气混凝土浆料水分的蒸发与浆料的硬化，发气时气体所产生的膨胀力小于浆料胚体的重力，导致铝粉发起不完全，总孔隙率较低，发气过程与浆料稠化过程两者不相协调。当预养相对湿度在80%～95%时，孔隙率随着湿度的提高而降低，湿度过高铝粉发气的速度要快于浆料稠化的速度，发生冒泡现象，导致大孔的孔径占比过大。结合不同湿度下的二值化图，在湿度过高的情况下，会增大加气混凝土的孔径与连通孔的个数，降低加气混凝土的抗压强度和增大加气混凝土的导热系数，预养湿度过高与过低都不利于加气混凝土的发气。

图4 不同湿度下试样的孔隙特征

通过控制预养阶段的相对湿度，调整预养阶段的温度，得到预养阶段的最佳温度，前面已得到预养阶段的最佳相对湿度为60%，固定相对湿度，改变预养阶段的温度，得到预养阶段的温度对孔结构的影响。60T、65T、70T、75T、80T 5组试样截面的二值化图像如图5所示。

图5 不同温度下的陶粒加气混凝土截面二值化图像

控制预养阶段的相对湿度为60%，通过调整预养阶段的温度，找出预养阶段的最佳温度。60T、65T、70T、75T、80T这5组试样截面上的不同孔径的面积占比图如图6所示。由图6可知在不同温度下的陶粒蒸压加气混凝土截面图像，不同孔径面积占比有所差异。在预养温度为60℃的60T组试样截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm为主，分别占总孔隙率的16.56%、48,79%、34.13%；预养温度为65℃的65T组试样截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm为主，分别占总孔隙率的18.28%、43.63%、37.34%；预养温度为70℃的70T组试样截面上的孔以1～2 mm为主，占总孔隙率的74.55%，2～3 mm的孔径次之，占总孔隙率的10.1%；预养温度为75℃的75T组试样截面上的孔以0.1～0.5 mm、0.5～1 mm和1～2 mm为主，分别占总孔隙率的15.07%、41.81%、42.69%；预养温度为80℃的80T组试样截面上的孔以0.5～1 mm、1～2 mm为主，分别占总孔隙率的26.12%、65.31%。

图6 0T，60T，80T，90T，95T组试样不同孔径的面积占比

综上所述，在不同预养温度下的陶粒蒸压加气混凝土孔径分布与不同预养湿度下的孔径分布相似，孔径在1 mm以下占总孔隙率较大的有60T、65T、75T三组试件，结合图7不同温度下试样的孔隙特征，孔隙率与平均孔径，75T组试样的孔隙率最大与平均孔径较小，得出预养阶段的最佳温度为75℃。温度对铝粉的发气有较大的影响，温度会影响铝粉的发气时间、发气量与发气速度，在预养温度低时，铝粉的发气相对较迟，浆料的稠化速度快于铝粉的发气速度[13]，导致加气混凝土发气不理想，孔隙率较低。

图7 不同温度下试样的孔隙特征

随着预养温度的提高，铝粉发气情况逐渐得到改善，预养温度过高，铝粉的发气过快，高于浆料的稠化速度，导致孔隙率有所降低，平均孔径变大。孔隙特征对加气混凝土的比强度有明显的影响，可以通过提高小孔径的占比，提高加气混凝土的比强度；孔隙特征对加气混凝土的抗冻性也有显著的影响，大孔径的增加与连通孔增多会增加加气混凝土的吸水率，对抗冻性产生不利影响[7-8]。

预养阶段温湿度的改变会影响铝粉的发气时间、速度、发气量与浆料的稠化速度，通过控制变量法，找出了预养阶段铝粉的发气与浆料稠化硬化速度相协调的最佳温湿度，预养阶段的最佳相对湿度为60%、温度为75℃。

3 结 论

(1)通过获取陶粒蒸压加气混凝土截面图片，利用MATLAB图像分析法对陶粒蒸压加气混凝截面孔隙率、孔径分布、平均孔径等信息进行研究分析。

(2)利用MATLAB对不同温湿度下陶粒蒸压加气混凝土预养阶段截面照片进行处理，通过孔隙率、孔径分布与平均孔径，结合二值化图像连通孔的数量等，得出预养阶段的最佳温度为75℃、相对湿度为60%。