孔级配对高温下泡沫混凝土强度的影响

郭国庆, 詹炳根, 杨永敢, 赵卫平, 刘灏天, 华 建

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009)

泡沫混凝土在高温作用下的力学性能与其组成和结构有很大的关系,当其组成与结构发生变化时,力学性能也会发生相应的变化。文献[1]研究泡沫掺量对泡沫混凝土在高温下力学性能的影响规律;文献[2]研究矿物掺合料(粉煤灰、硅灰)对泡沫混凝土在高温作用前后性能的影响规律;文献[3-6]研究不同钢渣、粉煤灰掺量对泡沫混凝土试件灼烧后强度和结构变化的影响;文献[7]研究高温对掺加粉煤灰和矿渣的轻质混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响;文献[8]研究结果表明,粉煤灰的加入有效改善了试样的孔结构,使气孔分布更加均匀,进而增强了试样的结构稳定性和传热的均匀性。上述研究都是通过加入粉煤灰、硅灰、矿渣、钢渣等掺合料的方式来改善泡沫混凝土在高温下的力学性能,但这些掺和料的加入不仅影响泡沫混凝土的结构,也改变其组成成分,泡沫混凝土在高温下最终力学性能的改善是由于其组成与结构的复合作用。文献[9]研究表明，泡沫混凝土的孔结构是决定泡沫混凝土强度大小的内在因素;文献[10]研究表明，泡沫密度可以用来表征孔的直径大小。关于在组成不变时,孔结构对泡沫混凝土高温下力学性能影响的研究较少。本文单纯从孔结构出发,在保证其组成不变的前提下,通过改变泡沫密度的方式改变孔结构,研究孔结构对泡沫混凝土高温下力学性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥,水泥组成成分质量分数见表1所列;泡沫剂采用合肥佳方新材料有限公司生产的JF2-1型。在保证泡沫掺量(指掺加泡沫的体积,单位为L)不变的前提下,以密度700 kg/m3的泡沫混凝土为研究对象,基于40、60、70 g/L 3种泡沫密度(单位体积泡沫的质量)制备泡沫混凝土,保持水灰比0.5不变。水灰比θ计算公式为:

(1)

其中:m水为用水量;V泡沫为掺加泡沫的体积;ρ泡沫为泡沫密度;m水泥为水泥用量。

表1 水泥主要组分质量分数

泡沫混凝土配合比中,胶凝材料(水泥)用量为4 kg,40、60、70 g/L 3种泡沫密度下的用水量分别为1 870.0、1 805.0、1 772.5 g,泡沫掺量为3.25 L。保持泡沫掺量3.25 L不变,通过调节发泡机抽取泡沫液的速度来制备不同密度的泡沫。

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案

以密度700 kg/m3的泡沫混凝土为研究对象。基于40、60、70 g/L 3种泡沫密度制备泡沫混凝土(孔隙率相同),每种制备5组泡沫混凝土试件。首先在60 ℃烘箱中烘24 h,再置于105 ℃烘箱中烘至恒质量,然后分别在200、400、600、800 ℃下煅烧1 h,煅烧后的试件在室温环境下冷却至室温后进行抗压和抗折强度试验。为研究泡沫密度对泡沫混凝土高温下结构的影响规律及其与强度损失之间的关系,对3种泡沫密度制备的泡沫混凝土截面进行拍照,使用图像处理软件对图片进行处理,并获取孔的相关参数。

1.2.2 试件制备

按10倍稀释比例配制泡沫液,按相应配合比称量水泥和水。把称量好的材料放入搅拌机内干拌1 min使材料混料均匀,然后倒入称量好的水进行搅拌,搅拌时间为2～3 min以保证搅拌均匀。利用发泡机进行发泡,通过控制发泡机抽取原液的速度制备不同密度的泡沫(抽取速度越快,泡沫密度越大),使用2.3 L的烧杯称量泡沫后快速加入搅拌机内。为保证泡沫与浆体混合均匀,搅拌时间为60～90 s,为保证浇筑的试件质量、密度分布较为均匀,每个模具先浇筑1/2,振捣后再继续浇筑剩余部分。浇筑试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

1.2.3 高温煅烧试验

以在105 ℃温度条件下烘干至恒质量的试件作为空白对照组。煅烧试验设置4个温度,分别为200、400、600、800 ℃,为保证试验准确性、减少误差,每个温度下均放置3个试件进行煅烧试验。待电炉升温至目标温度后恒温1 h,然后取出试件,冷却至室温后进行强度试验。相邻温度梯度之间的试验要连续进行,即相邻梯度温度煅烧试验结束后,立刻取出电炉中试件，并把下一组温度梯度下的试件置于电炉中。

1.2.4 抗压强度试验

不同泡沫密度下制备的泡沫混凝土在不同温度煅烧后的图片如图1所示。

抗压强度反映泡沫混凝土高温煅烧后的实际残余强度,抗压强度按文献[11]计算,加载速率为2 kN/s。为了反映泡沫混凝土在高温条件下的抗压强度损失速率,引入抗压强度残余率指标。

抗压强度残余率δ计算公式为:

δ=σ2/σ1

(2)

其中:σ1为105 ℃烘干后试件抗压强度;σ2为高温加热后试件抗压强度。

1.2.5 抗折强度试验

抗折强度反映泡沫混凝土高温煅烧后的实际残余强度,抗折强度按文献[11]计算,加载速率为50 N/s。为了反映泡沫混凝土在高温条件下的抗折强度损失速率,引入抗折强度残余率指标。

抗折强度残余率γ计算公式为:

γ=γ2/γ1

(3)

其中:γ1为105 ℃烘干后试件抗折强度;γ2为高温加热后试件抗折强度。

1.2.6 孔结构分析

文献[12]利用图像处理软件Image-Pro Plus(IPP)分析混凝土中的孔结构,提出混凝土孔结构图像分析方法。本文参照文献[12] 提出的方法对泡沫混凝土孔结构进行分析,对基于40、60、70 g/L 3种泡沫密度制备的泡沫混凝土的截面进行图像采集,并采用IPP软件对孔结构进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 泡沫密度对泡沫混凝土强度的影响

泡沫混凝土高温煅烧后的残余强度是一个绝对指标,反映泡沫混凝土某一温度煅烧后的实际残余强度。强度残余率是一个相对指标,反映泡沫混凝土高温煅烧后的强度相比于煅烧前的强度残余率,可以反映泡沫混凝土的强度损失速率。

2.1.1 对泡沫混凝土抗压强度的影响

泡沫密度对泡沫混凝土残余抗压强度的影响如图2所示。泡沫密度对泡沫混凝土抗压强度残余率的影响如图3所示。

泡沫混凝土的残余抗压强度均随着温度升高逐渐下降,且泡沫密度越小,残余抗压强度越大,泡沫密度为40 g/L时残余抗压强度最大,60 g/L时残余抗压强度次之,70 g/L时残余抗压强度最小。温度在105、200、400、600、800 ℃时,最大残余抗压强度(泡沫密度为40 g/L时)相比于最小残余抗压强度(泡沫密度为70 g/L时)分别提高5.7%、6.9%、22.0%、59.0%、150.0%。由图3可知,400、600、800 ℃时,泡沫密度越小,泡沫混凝土抗压强度残余率越大,最大抗压强度残余率(泡沫密度为40 g/L时)相比于最小抗压强度残余率(泡沫密度为70 g/L时)分别提高17.08%、9.40%、19.48%。

2.1.2 对泡沫混凝土抗折强度的影响

泡沫密度对泡沫混凝土残余抗折强度的影响如图4所示。

由图4可知,泡沫混凝土的残余抗折强度均随着温度升高逐渐下降,泡沫密度为40 g/L时残余抗折强度最大,70 g/L时残余抗折强度次之,60 g/L时残余抗折强度最小。温度在105、200、400、600、800 ℃条件下,最大残余抗折强度(泡沫密度为40 g/L)相比于最小残余抗折强度(泡沫密度为60 g/L)分别提高38.7%、18.3%、97.5%、100.0%、112.0%。泡沫密度对泡沫混凝土抗折强度残余率的影响如图5所示。由图5可知,在400、600、800 ℃温度条件下,泡沫密度越小,泡沫混凝土抗折强度残余率越大,最大抗折强度残余率(泡沫密度为40 g/L时)相比于最小抗折强度残余率(泡沫密度为60 g/L时)分别提高17.82%、4.75%、4.58%。

2.2 孔级配与强度之间的关系

泡沫密度的变化会引起泡沫混凝土孔结构发生相应变化,进而使得泡沫混凝土高温下的残余强度发生变化。基于40、60、70 g/L 3种泡沫密度制备的泡沫混凝土煅烧前的孔结构如图6所示。本文主要讨论泡沫密度对平均孔径和孔级配(孔径分布)的影响及其与强度之间的关系。

2.2.1 平均孔径与强度之间的关系

泡沫密度对平均孔径的影响如图7所示。随着泡沫密度增大,平均孔径先降低后升高,泡沫密度为40、60、70 g/L的泡沫混凝土的平均孔径分别为348、276、281 μm。从图4、图7可以看出:3种泡沫密度制备的泡沫混凝土的平均孔径大小排列依次为40 g/L平均孔径最大、70 g/L平均孔径次之、60 g/L平均孔径最小,而泡沫混凝土抗折强度也是泡沫密度为40 g/L时最大、70 g/L时次之、 60 g/L时最小,平均孔径越大,相应的泡沫混凝土的抗折强度越大;此外,基于泡沫密度60、70 g/L制备的泡沫混凝土平均孔径非常接近,相差5 μm,而相应的基于这2种泡沫密度制备的泡沫混凝土抗折强度也很接近,这主要是由于泡沫密度改变了泡沫混凝土的孔级配,进而改变平均孔径,最终影响泡沫混凝土的抗折强度。

2.2.2 孔级配与强度之间的关系

泡沫密度对泡沫混凝土孔级配(孔径分布)的影响如图8所示。

由图8可知:从孔径小于200 μm情形看,泡沫混凝土内部小于200 μm的孔数量随泡沫密度增大逐渐增加,泡沫密度越大,小孔越多;从孔径200～400 μm情形看,40 g/L对应的泡沫混凝土孔径占比最大,70 g/L对应的泡沫混凝土孔径占比次之, 60 g/L对应的泡沫混凝土孔径占比最小;从孔径400～600 μm情形看,随着泡沫密度增大,泡沫混凝土内部400～600 μm的孔数量出现下降,泡沫密度越大,大孔越少;从孔径大于600 μm情形看,随着泡沫密度增大,泡沫混凝土内部大于600 μm的孔数量也出现下降。

由图2、图3可知,在105～800 ℃温度条件下,泡沫密度越大,泡沫混凝土高温下的抗压强度越小,泡沫密度为40 g/L时抗压强度最大。由图8可知:孔径小于200 μm时,泡沫密度越大,该孔径占比越大,泡沫密度为40 g/L时该孔径占比最小;孔径在400～600 μm范围时,泡沫密度越大,该孔径占比越小,泡沫密度为40 g/L时该孔径占比最大。因此,泡沫密度越小,孔径小于200 μm的孔数量越少,孔径在400～600 μm范围的孔数量越多,相应的泡沫混凝土在不同温度下的抗压强度也越大。

由此可以得出结论,孔径小于200 μm的孔数量越少,孔径在400～600 μm范围的孔数量越多,泡沫混凝土在105～800 ℃温度条件下的抗压强度越大。

由图8可知,孔径在200～400 μm范围时,3种泡沫密度下的孔径占比40 g/L最大, 70 g/L次之,60 g/L最小。由图4可知,抗折强度也具有与上述孔径占比相似的规律,即40 g/L时抗折强度最大,70 g/L次之,60 g/L最小。由此可知,抗折强度的变化规律和200～400 μm孔径占比的变化规律具有一致性,即200～400 μm孔径占比越大,泡沫混凝土在105～800 ℃温度条件下的抗折强度越大。

3 结 论

(1) 随温度升高,不同泡沫密度制备的泡沫混凝土的强度均逐渐下降,在600～800 ℃温度条件下,强度变化不明显。

(2) 在105～800 ℃温度条件下,基于泡沫密度40 g/L制备的泡沫混凝土残余抗压强度和抗折强度均最大。

(3) 在105～800 ℃温度条件下,平均孔径越大,泡沫混凝土的抗折强度越大。

(4) 泡沫密度改变了泡沫混凝土的孔级配(孔径分布),进而引起高温下泡沫混凝土残余强度的变化。在105～800 ℃温度条件下,孔径小于200 μm的孔径占比越小,400～600 μm的孔径占比越大,泡沫混凝土的抗压强度越大;孔径范围在200～400 μm时,该孔径占比越大,泡沫混凝土的抗折强度越大。