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                          泡沫轻质混凝土性能与孔结构关系研究

                          发布时间:2020/5/15 17:30:02

                          目前高等级公路建设项目已逐渐向山区和丘陵地带发展,需建设的桥梁、涵洞及挡墙等构筑物逐渐增多,这些构筑物与填筑路基衔接处的路基常出现差异沉降,导致公路运营过程中出现桥头跳车、挡墙背后填方沉降量大、涵洞八字墙推移等通病。泡沫轻质混凝土因多孔、轻质和低密度被广泛地运用于基坑、桥背和挡墙背后等的回填,这主要是由其内部孔结构和良好的力学性能与稳定性所决定的; 泡沫土与传统泡沫混凝土不同,可掺入适量的粘土,降低了水泥用量,减少了基质在水化过程中的热量和变形;泡沫轻质混凝土中的孔结构参数决定基体构造形式,对泡沫轻质混凝土受力时的应力分布、能量传递与吸收均具有一定的影响。Hilal等人用显微镜发现泡沫轻质混凝土内气孔尺寸分布差别较大,对泡沫轻质混凝土力学和耐久等性能影响明显。Nambiar等人使用4个因素分析和研究泡沫轻质混凝土孔结构参数,并探讨了这些因素对其密度和抗压强度的影响,研究表明孔径和孔间距是影响其强度和密度的主要因素; 孔径越小强度越高,而孔隙形状对泡沫轻质混凝土性能影响不大。
                             目前国内外对泡沫轻质混凝土的研究主要针对改善基体材料和配合比,研究集中于孔结构与宏观性能的关系,对于泡沫轻质混凝土微观结构和力学性能间的关系研究还不多;孔结构是泡沫轻质混凝土微观结构中最重要的部分,对泡沫轻质混凝土力学与变形性能影响较大。本文通过对比2 种密度的泡沫轻质混凝土,研究不同水胶比轻质混凝土微观结构及抗压强度变化规律,建立其相关性,为其在工程中的应用提供理论依据。
                          1 试验原材料和方法

                          试验采用42.5MPa普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰,水泥和粉煤灰的各项指标与技术参数均符合国家标准要求;使用的发泡剂为本课题组自行研制的发泡剂,稀释约40倍,1h泌水率约5%~15%,1h沉降距为4~7mm;减水剂为聚羧酸类,减水率约为32%。泡沫轻质混凝土配合比设计是通过控制单位体积轻质混凝土原材料总质量算出不同水胶比时各原料的掺量,2种不同的泡沫轻质混凝土密度和水胶比见表1。泡沫轻质混凝土按一定比例混合搅拌后,立即浇筑到100×100×100mm3 的试模中,振动成型后放在养护室内养护1d后拆模,拆模后的试块放在标准养护室内养护28d后测试抗压强度,同时测试和分析孔结构。

                          把养护28d后的泡沫轻质混凝土试件切片,通过光学显微镜采集表面特征,使用相关软件分析计算泡沫轻质混凝土的平均孔径,采用质量体积法测试轻质混凝土孔隙率,孔隙率=(ρρ0)/ρ。其中:ρ为试件干密度,ρ0为试件实密度。
                          2 结果与讨论
                          2.1 不同密度等级泡沫轻质混凝土的抗压强度研究
                             表22种不同密度等级泡沫轻质混凝土的抗压强度随水胶比变化的示意图,图1是其变化规律。

                          由表2可见,水胶比一定,泡沫轻质混凝土的抗压强度随密度等级的增加逐渐增加;如水胶比为0.4的泡沫轻质混凝土,600kg/cm3和800kg/cm3泡沫轻质混凝土的抗压强度分别为0.7MPa1.6MPa,增加128.6%。不同密度等级泡沫轻质混凝土抗压强度随水胶比变化规律如图1所示,密度为800kg/cm3的泡沫轻质混凝土,当水胶比为0.4、0.50.6时,泡沫轻质混凝土抗压强度为1.6MPa、2.1MPa和2.2MPa;对于同一密度等级泡沫轻质混凝土,水胶比从0.4增大到0.5,抗压强度增加了31.3%,增加较大;水胶比从0.5增大到0.6,抗压强度增加了4.8%,增加不大。水胶比增加,泡沫轻质混凝土中胶凝材料的粘聚性能降低,泡沫轻质混凝土中泡沫与泡沫间因相互融合,减少了基质中的泡沫体积;泡沫流动使泡沫轻质混凝土中胶凝材料水化反应逐渐增加,水化产物不断填充孔壁间的间隙,使泡沫轻质混凝土中的孔隙率逐渐减少,强度逐渐提高;如水胶比再增大,水与胶凝材料接触面积虽有所增大,但孔径也增大,使泡沫轻质混凝土中气孔在基质中分布不均匀,易出现应力集中的现象,降低了泡沫轻质混凝土的抗压强度。
                          2.2 不同密度等级泡沫轻质混凝土的孔径和孔隙率
                          32种不同密度等级泡沫轻质混凝土的平均孔径和孔隙率随水胶比变化的测试结果。

                          由表3可见,水胶比增大,2种不同密度等级的泡沫轻质混凝土的平均孔径均呈上升趋势。600kg/cm3800kg/cm3泡沫轻质混凝土的平均孔径,当水胶比为0.50时比0.40时分别增加了5.6%4.4%,当水胶比为0.60时比0.50时分别增加了9.7%10.9%。泡沫轻质混凝土密度等级增大,其平均孔径下降。水胶比为0.40,密度等级从600kg/cm3增加到800kg/cm3,平均孔径为302μm228μm,降低了24.5%;水胶比为0.50,密度等级从600kg/cm3增加到800kg/cm3,平均孔径为319μm238μm,降低了25.4%;水胶比0.60,密度等级从600kg/cm3增加到800kg/cm3,平均孔径为350μm264μm,降低24.6%;水胶比较大的泡沫轻质混凝土,当密度等级从600kg/cm3增加到800kg/cm3 时,平均孔径下降略有增加。
                          由表3可见,水胶比增大,2种不同密度等级泡沫轻质混凝土的孔隙率略有降低,如600kg/cm3泡沫轻质混凝土水胶比从0.40增大至0.500.60,孔隙率依次为70.5kg/cm3、68.5kg/cm367.5kg/cm3,下降了2.8%4.3%;对相同水胶比泡沫轻质混凝土,泡沫轻质混凝土密度等级从600kg/cm3增加到800kg/cm3,孔隙率降低。如水胶比为0.4的泡沫轻质混凝土,密度等级从600kg/cm3增加到800kg/cm3,孔隙率降低了16.6%。泡沫轻质混凝土水胶比增加,胶凝材料的粘结性逐渐降低,对泡沫的包裹能力也相应减弱,泡沫轻质混凝土中大量泡沫相互融合和连通,平均孔径呈上升趋势,水胶比为0.60时比较明显;如进一步增大泡沫轻质混凝土水胶比,泡沫受限于胶凝材料间摩擦力,孔径增长幅度也会相应减弱。对于相同水胶比的不同密度等级泡沫轻质混凝土,其平均孔径随泡沫轻质混凝土的密度等级增大而减小,这是由于随泡沫轻质混凝土密度等级的增加,胶凝材料在泡沫轻质混凝土中所占比例也相应增加,泡沫在形成和迁移过程中所遇到的阻力也随之增加,其平均孔径也相应减小。
                          2.3 不同密度等级泡沫轻质混凝土的形貌研究
                             图2是水胶比为0.50时的2种不同密度等级泡沫轻质混凝土在相同放大倍数情况下的形貌示意图。

                          由图2可见,在水胶比为0.50时,2种密度等级泡沫轻质混凝土泡沫形貌不同, 密度等级从600kg/cm3增加到800kg/cm3时,可清楚地看到泡沫轻质混凝土中泡沫数量增多、泡沫直径降低。如:图2(a)中600kg/cm3泡沫轻质混凝土的孔径明显大于图2(b)中泡沫孔径,这与图2(a)中得到的平均孔径试验结果基本相符;同时泡沫的数量明显增多,气孔分布比较均匀,泡沫间距和孔径也明显减少,孔隙率下降,与图2(b)中孔隙率试验结果基本一致。孔隙率下降,泡沫轻质混凝土密实度增加,胶凝材料接触面和粘附性也就随之增加,水泥水化反应速率和水化程度也增加,泡沫轻质混凝土的抗压强度也略有增加,结果与图1泡沫轻质混凝土抗压强度的试验结果也基本一致,说明泡沫轻质混凝土孔半径和孔隙率与其抗压强度有一定的相关性。
                          3 结束语
                             本文研究结论如下:
                             (1) 水胶比一定,泡沫轻质混凝土抗压强度随密度等级增加而逐渐增加;水胶比增加,对于同一密度等级泡沫轻质混凝土,水胶比从0.4上升0.5,抗压强度增加较大;水胶比从0.5上升到0.6,抗压强度增加不大。
                             (2) 水胶比增大,不同密度等级的泡沫轻质混凝土的平均孔径增加,水胶比从0.40增加到0.50时相比水胶比从0.50增加到0.60时,泡沫轻质混凝土平均孔径增加较小。
                             (3) 水胶比一定,泡沫轻质混凝土的平均孔径和孔隙率随密度等级的增加而下降,当密度等级从600kg/cm3增大到800kg/cm3时,平均孔径变化约24.5%~25.4%,孔隙率变化约为2.8%~16.6%。
                             (4) 不同密度等级的泡沫轻质混凝土形貌不同,密度等级增加,泡沫轻质混凝土中泡沫直径逐渐降低,说明其孔结构与抗压强度有一定的相关性。

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