孔结构对泡沫混凝土性能的影响与控制技术.pdf
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1、孔结构对泡沫混凝土性能的影响与控制技术 李相 国等 1 4 1 孔结构对 泡沫混凝土性能的影响与控制技术 李相国, 刘 敏 , 马保 国, 蹇守卫, 苏 雷, 赵志广 ( 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 泡沫混凝 土是我 国水泥基 建筑材料 的重要组成 部分 , 分析 了孔结 构的分 类及 其对 泡沫混凝 土的强度 、 耐久性、 保 温系数等宏观性能的影响 , 发现 泡沫混凝 土的宏观 性能与孔 结构密切相 关。总结 了泡沫混凝 土孔结 构的 控制技术, 发现水灰比、 矿物掺合料等的加入都会影响孔的形成。在此基础上, 提 出加强对建立孔结构与
2、宏观性能之 间的理论模型、 孔结构与宏观性能问关系的适用范围、 孔的定量控制等方面的研究。 关键 词 L 结构强度 导热性耐久性控制技术 中图分类号 : T U5 2 8 2 文献标识码 : A I n f l u e nc e o f Po r e S t r u c t u r e o n Fo a m Co n c r e t e a nd Co nt r o l l i ng M e t h o d LI Xi a n g g u o ,LI U Mi n,MA B a o g u o,J I AN S h o u we i ,S U Le i ,Z HAO Z h i g u a n
3、 g ( S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f S i l i c a t e M a t e r i a l s f o r Ar c h i t e c t u r e s ,W u h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,W u h a n 4 3 0 0 7 O ) Ab s t r a c t F o a m c o n c r e t e h a s b e c o me a n i mp o r t a n t c o mp o n e n t o f c e me n t b a s
4、 e d ma t e r i a l s Th e c l a s s i f i c a t i o n o f p o r e s t r u c t u r e ,a n d i t s i n f l u e n c e o n t h e p r o p e r t i e s s u c h a s s t r e n g t h,d u r a b i l i t y ,a n d t h e r ma 1 p r o p e r t i e s a r e d e s c r i b e d Al s o t h e me t h o d o f c o n t r o l
5、l i n g p o r e s t r u c t u r e i s s h o we d , d i s c o v e r i n g t h a t a d d i n g w e r a t i o a n d mi n e r a l w i l l a f f e c t t h e f o r ma t i o n o f p o r e s t r u c t u r e Ba s e d o n t h a t ,d e e p e r r e s e a r c h i n t h e t h e o r e t i c a l mo d e l s o f p o
6、r e s t r u c t u r e a n d ma c r o p r o - p e r t i e s ,t h e a p p l i c a b i l i t y o f p o r e s t r u c t u r e a n d ma c r o p r o p e r t i e s ,t h e d e f i n i t e q u a n t i t y c o n t r o l o f p o r e s t r u c t u r e a r e p r o p o s e d Ke y wo r d s p o r e s t r u c t u r
7、e ,s t r e n g t h,t h e rm a l c o n d u c t i v i t y ,d u r a b i l i t y,c o n t r o l l i n g me t h o d 0 引言 泡沫混凝土是将发泡剂引入砂浆 , 经成型和养护形成的 含大量封闭气孑 L 的轻质混凝土。由于它具有流动性大( 工作 性好) 、 质量轻 、 保温隔热性能好等优点 , 已广泛应用于墙体 保温隔热系统、 管线 回填、 路基处理等领域 。由于各个领域 对泡沫混凝土的性能要求不同, 通过改变孔 的引入量可以制 得不同密度( 1 6 0 1 6 0 0 k g m3 ) 的泡沫
8、混凝土。泡沫 昆凝土 可 以充当建筑中的承重、 保温 、 隔断和填充材料, 有着巨大的 经济意义和良好的发展前景 。 尽管 目前开展了大量的研究工作 , 在泡沫混凝土的实际 应用中取得了不少的研究成果 , 但对 于泡 沫混凝 土孔的调 控 、 微观结构与宏观性能间的关系等研究还存在很 多不足。 为此, 本文综述了孔结构对泡沫混凝土性能的影响, 总结了 孔结构对强度 、 耐久性、 保温性能等方面的影响, 并提出应加 强对建立孔结构与宏观性能之间的理论模型、 孔结构与宏观 性能间关系的适用范围、 孔的定量控制等方面的研究。 1 孔结构 的分 类 关于普通水泥基材料孔结构的研究 , 国内外均有相关成
9、 果 。如 日本近腾连一和大门正机等L 1 经过研究和总结, 将水 泥基体的孔结构分为凝胶微晶 内孔 ( 小 于 6 A, 孑 L 内为层级 水) 、 凝胶微晶间孔( 孔径为 6 1 6 A, 与 P o we r s提出的凝胶 孔相符, 孔内的水包括结构水 、 非蒸发水, 可在 干燥下溢 出) 、 过渡孔( 孔径为 1 6 I O 0 0 A, 与 P o we r s的毛细孑 L 相符, 影响可逆干缩) 和毛细孑 L ( 孔半径大于 2 0 0 0 A) 。其 中, 凝胶 孔是 c _ H凝胶内存在 的孔, 毛细孑 L 是水泥一 水体系中没有 被水化物填充的原来充水 的空间。吴中伟 院士_
10、 2 按孑 L 径尺 寸对混凝土强度 的影响, 把水泥 孔径分成 了无害孔 ( 小 于 0 0 2 t m) 、 少害孔 ( 0 0 2 0 1 , m) 、 有害孔 ( O 1 0 2 , m) 和 多害孔 ( 大于 0 2 F m) , 并指出改善水泥混凝土宏观性能的方 法是减少 0 1 m 以上的有害孔 、 增加 0 0 5 m以下的少害或 无害孔 。 由于泡沫混凝土引入了大量气泡 , 与普通 的水泥混凝土 的孔结构有着明显的区别 , 对孔尺寸 的划分也有所不同。泡 沫混凝土中除了凝胶孔 、 毛细T L # I- , 还有引入的人工孔 , 在泡 沫混凝土中分别对应的被称作凝胶间孔、 颗粒
11、 间孔和宏孔 。 宏孔一般较大, 直径在 5 0 5 0 0 8 m 之间 3 , 宏孔之间由一些 砂浆壁将其隔开 , 大量凝胶孔充斥其中, 这些凝胶孔直径大 多小于 5 0 n m。另外在 5 O 5 0 m之间也存在较少的孑 L , 即颗 粒间孔。凝胶间孔对混凝土强度、 耐久性等宏观性能基本没 有影响, 颗粒间孔和宏孔才对混凝土宏观性能起决定性的作 *国家科技支撑计划基金( 2 0 1 1 B A J 0 4 B 0 2 ) ; 中央高校基本科研业务费专项资金( 2 0 1 l - YB - 0 3 ) 李相国: 男, 1 9 7 6年生, 副教授T e l : 0 2 7 8 7 6 6
12、 1 5 6 7 E - ma i l : l x g g r o u p 1 6 3 c o m 孔结构对泡沫混凝土性能的影响与控制技术 李相国等 1 4 3 ( b ) 对扁圆的孔 : En t r a i n e d ( 2 0一 s i n 2 0 ) r v 0 i N 一 对扁长的孔 : N 一 I 一芝 c s 1 s n 2 。 0 1 n 、I l + 一 s s i i 的 n 0 ,) 图 2 水在基体( a ) 和泡沫混凝土( b ) 中的吸附速率示意图 F i g 2 T h e s o r p t i o n o f b a s i c mi x( a ) a n
13、d f o a m c o n c r e t e mi x ( b) 2 2 2 孔 结构 对泡 沫混凝 土抗 冻性 的影响 对普通混凝土而言, 混凝土的冻融破坏一般是毛细孔内 的水结冰膨胀 , 使得混凝土内部产生微裂纹扩展而破坏。与 普通混凝土中充满毛细孔水不同, 泡沫混凝 土由于孔径大, 充斥其中的都是 自由水或吸附水。泡沫混凝土 的冻融破 坏 机理与普通混凝土也有差异 , 除了普通混凝土的结冰膨胀破 坏外 , 在饱和的表面和不饱和的内部之间有一个差动力使得 泡沫混凝土破坏_ 1 。Ti k a l s k y a等_ 1 的研究表明, 泡沫混凝 土密度越小 , 即宏孔越多时, 抗冻融循
14、环能力反而变强 , 且吸 水量 、 吸水速率和渗透深度都对泡沫混凝土 的抗冻性有影 响。这是因为泡沫产生 的孑 L 隙会给冰冻时膨胀的体积一个 缓冲的空间, 当水在结冰前不 能充满整个孔 隙时 , 甚至会使 冻融循环的影响忽略不计。 2 3 孔结构对泡沫混凝土保温性能的影响 保温性能是泡沫混凝 土的重要指标, 受到基体材料 、 孔 结构等各方面因素的影响。采用保温性能好 的基体材料, 会 在很大程度上增强保温砂浆的保温性。同时, 泡沫混凝土的 多孔结构也使其拥有 良好 的保 温隔热性能。其热传导能力 只有普通混凝土的 5 3 O , 当泡沫混凝土的干密度降至 6 0 0 1 6 0 0 k g
15、 m。 时 , 导热系数降至0 1 O 7 w ( mK) D s 。 在泡沫混凝土的导热性能方面, 有关干密度与导热系数关系 的经验数据很多, 但对于从微观结构出发的热传导 的理论模 型研究还较少 。 ( 1 ) C a mp b e l l Al l e n模 型_ 1 。C a mp b e l l - Al l e n提 出了通 过混凝土微观结构预测其热传导性能的理论模型, 该模型 由 欧姆定律导出, 只是将其 中的相关参数变成 了固体和孔 的导 热系数 、 固体和孔各 自占的体积等。具体如式( 1 ) 所示 : 是= 愚 ( 2 M 一 ) k k ( 1- M ) 2 ( 1 )
16、十 庀 Ll一 式中: M:1 一 。 ; 尼为最终泡沫混凝 土的导热系数 , k 为固 体的导热系数 , k 为空气的导热系数。 ( 2 ) Z i mme r ma n模型 。此模型不仅考虑了泡沫 昆凝 土的孔隙率, 还考虑了孔的形状等因素 。具体如式( 2 ) 所示: 鱼 一 二 二 r 9 、 k ( 1一 户) ( 1一 , )+ 其中: 卢= + ( 3 ) 3 2 + ( r 一 1 ) N。1+ ( r 一 1 ) ( 1一 N ) 式中: r k a k , N则由孔的形状因子确定。定义 a 为孑 L 的 不规则轴 比上规则轴 , 这样 , 当 a 一1 时 , 为一立方体的
17、 圆; a l 时 , 为一扁长的孔。 ( 4) ( 5 ) 泡沫混凝土的导热性 能在干燥状态 和饱和水状态有很 大的差异 , 对混凝土的导热性能必须要在相同的条件下 比较 才有意义 。My d i n 1 8 观察 到孔隙率增加 , 混凝土的导热性能 会成 比例下降。 M I K h a n 1 9 对孔结构与材料的导热性能进 行了研究, 发现在饱和水状态下 , 孑 L 结构与导热性能的关系 与 C a m p b e l l - Al l e n 模型吻合得很好, 但在考虑孔形状等因素 后模型的偏差反而更大, 说明还有待建立更为精确 的孑 L 结构 与导热性能模型。 3 孔结构的控制技术
18、泡沫混凝土的发泡手段主要有两种 , 分为物理发泡方式 和化学发泡方式。物理发泡是指搅拌器高速搅拌切割空气 , 包裹空气形成泡沫, 再通过松香皂、 动物蛋 白等发泡剂在泡 沫表面形成憎水基 团向外、 憎油基团向内的稳定气泡, 从而 在混凝土内形成泡沫 的方式。化学发泡是加入化学物质在 混凝土内直接化学反应产生气泡 , 常见 的化学物质为铝粉。 通过改变发泡剂的种类和掺量 , 或加入矿物掺合料等手段可 以在一定程度上控制孔结构的孑 L 径和分布。 A J u s t _ 2 叩通过控制铝粉 的加入量和改变铝粉的粒径来 控制混凝土的孔 隙率和孔径分布 , 同时也证明 , 当泡沫混凝 土的水灰 比减小
19、时 , 由于稠度减小, 产生的小泡沫结合成大 泡沫的量减少 , 能够减4 qL 径。L a u k a i t i s等J 2 研究表 明, 加 入纤维可以在砂浆内部起到类似于晶核的作用, 在纤维表面 形成水化硅酸盐的晶核 中心, 促进 c _ H凝胶 的生成 , 从而 细化孔隙。 矿物掺合料也会对孔径及分 布造成影响。P r i n y a等 认为可以通过加入粉煤灰从一定程度上控制水 泥浆的孔径, 由于粉煤灰的微集料效应和火山灰反应 , 粉煤灰可以与水泥 浆中的 C a ( O H) 反应生成 C - S - H凝胶, 使得水泥浆 的毛细 孑 L 细化。N a r a y a n a n 2
20、 3 3 研究 了粉煤灰对加气混凝土孔结构的 影响, 也证明加入粉煤灰可 以细化加气后混凝 土的孔隙, 使 孔径减小。 加入外加剂也会对孔结构造成影响, 马保 国等 研究了 纤维素醚对砂浆孔结构的影响, 发现纤维素醚的加入使得砂 浆内稠度上升, 减小 了小气泡合并生成大气泡 的量, 也起 到 了细化孔隙的作用 。 4 存在的问题 4 1 孔结构与泡沫混凝土的关系模型 传统的孔结构模型为了简化建立过程, 一般或是假设整 个基体在混凝土内部呈现连续变化 , 或是假设一定体积分数 的组分有着固定( 平均) 的性质 , 而这也给考虑孔结构分布等 造成了困难 。前文提到的模型也大多为经验模型 , 不能从
21、机 1 4 4 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 2 年 4月( 上) 第 2 6卷第 4期 理的角度对混凝土建模并对性质进行预测 。 把分形概念引入到多孔材料取得了一定成果。Xi u l a n Hu a i 等 副 利用分形概念分析 了孔结构对多孑 L 材料热导率 的 影响, 考虑了孑 L 径 和孔分布等 因素 , 与实验结果较符合 。金 珊珊等ll2 5 _ 对孔结构与混凝土的分形模型进行 了探讨 , 认为分 形模型应用在混凝土材料中有一定的成效 , 但不能进行定量 分析。在这一方面还急需进一步研究。 4 2 孔结构与泡沫混凝土关 系的适用范围 前文综述了孔结构与泡沫混凝土宏观性能的关
22、系, 但在 这些文献中泡沫混凝土的密度多在 6 0 0 k g m。以上。随着泡 沫混凝土向轻质化与更高保温性能的发展, 超轻密度的泡沫 混凝土( 小于 4 0 0 k g m。 ) 也成为 了发展的必然趋势 。对于超 轻密度的泡沫混凝土是否仍然遵循现有的性能发展规律、 是 否会有不同于普通泡沫混凝土的性质也是亟待解决的问题。 4 3 孔的定量控制 前文已提及的孔 的控制技术主要有 3种 : ( 1 ) 通过控 制 水灰比引入水, 形成毛细孔而产生孔隙; ( 2 ) 通过调整加入发 泡剂的量或掺量来改变产生的气体量而控制孑 L 隙 ; ( 3 ) 通过 加入矿物外加物或外加剂细化孔隙。但这 3
23、种形式只能控 N# L 的含量或定性地控制孔径 , 而不能定量地得到理想 的孔 隙率和孔径分布。加入筛网进行孔径 的选择可能会从一定 程度上解决这方面的问题 , 对此尚需开展研究工作以得到设 定孔径且一致的孔 。 5 结语 国内外开展了大量有关泡沫混凝土性能的研究 , 但很多 都局限于宏观与宏 观的关系( 如密度与强度、 密度 与导热系 数) , 而对泡沫混凝 土的孔结构与强度、 耐久性、 保温 系数等 的关系研究不多。到 目前为止 , 并没有一种从机理 出发的模 型准确预测宏观性能, 也没有对超轻泡沫混凝土的性能可能 与普通泡沫混凝土的性能不同进行分析, 特别是在定量控制 孔的结构与粒径方面
24、的相关理论 和技术存在较大难点。本 文的主要结论如下: ( 1 ) 与普通混凝土在孔分类方面的主要区别是除了凝胶 孔与毛细孑 L 外 , 泡沫混凝土还增加 了直径在 5 0 5 0 0 F m之间 的人_T孔( 宏孔) 。 ( 2 ) 孔隙率与泡沫混凝土的强度之间的预测公式与实际 符合得很好。气孔 的形状因子对泡沫混凝土 的强度基本没 有影响 , 而平均孔间距对混凝土强度影响很 大, 基本呈线性 关系。对泡沫混凝土渗透性的评价方式并没有统一 , 孔隙率 的增加会增加泡沫混凝土的水蒸气渗透量 , 但会减少吸水率 和吸附速率。泡沫混凝土由于大量气孔 的缓冲作用, 抗冻性 加强。孑 L 隙率与保温性
25、能之间的关系与预测公式比较符合。 ( 3 ) 通过改变水灰比和铝粉的粒径等可以改变孔结构尺 寸和分布。另外 , 加入纤维、 矿物掺合料和纤维素醚等都可 以细化孔隙, 实现对孑 L 结构的控制 。 参考文献 1 邓雯琴纤维混凝土的孑 L 结构特征与耐久性分析E M 大 连 : 大连交通大学 出版社 , 2 0 1 0 2 吴中伟, 廉惠珍高性能混凝土 M 北京: 中国铁道 出版 社 ,1 9 9 9 3 Na r a y a n a n N , Ra ma mu r t h y K S t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f a e r a t
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