早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期抗壓強度影響試驗分析

吳亞飛,劉德仁,2

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,蘭州 730070)

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早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期抗壓強度影響試驗分析

吳亞飛1,劉德仁1,2

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,蘭州 730070)

通過對濕密度分別為500 kg/m3、800 kg/m3、1000 kg/m3的輕質復合發泡泡沫混凝土試樣進行了室內無側限單軸壓縮試驗,分析了氯化鈣和硫酸鈉兩種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期抗壓強度的影響；借助光學顯微技術并通過圖像分析軟件,從微觀角度解釋了氯化鈣、硫酸鈉早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期抗壓強度形成的影響。結果表明：兩種早強劑均可使輕質復合發泡泡沫混凝土早期抗壓強度有較大幅度提高,特別是3 d、7 d、14 d抗壓強度提高幅度分別至少在44.3%、25.4%和11.2%,但對28 d抗壓強度提高不明顯；兩種早強劑均可使輕質復合發泡泡沫混凝土的微觀結構指標顯著提高,硫酸鈉早強劑提高效果更為明顯。

早強劑； 輕質泡沫混凝土； 抗壓強度； 微觀結構； 養護齡期

1 引 言

輕質泡沫混凝土作為土木工程領域近年開發的一種新型輕質高強土工材料[1],是在水泥、骨料、外摻料、改性劑和水等制成的漿料中摻入發泡劑,通過化學反應生成氣體使漿料膨脹,經硬化形成多孔結構所制成的輕質材料,因其輕質高強、流動性好、直立性強、性能穩定、對環境影響小等優點[2-5],在巖土工程中得到了廣泛應用,如軟弱地基處理、土坡穩定、陡坡地區施工、碼頭隔墻、管道填埋[6],也可用于沿海地基填充,橋臺臺背回填,減小橋頭不均勻沉降[7-9]等等。

輕質泡沫混凝土從澆筑完成到凝結硬化至預期強度需要一段較長的時間,無疑很大程度上拖慢了施工進度。為提高泡沫混凝土早期抗壓強度、縮短養護時間、加快施工進度,在泡沫混凝土中添加早強劑就顯得尤為必要。為此,相關學者做了大量試驗,研究了在泡沫混凝土中摻加早強劑對其物理力學性能影響：邵洪江等[10]研究了在粉煤灰泡沫混凝土中摻加氯化鈣早強劑對其容重、體積吸水率和早期抗壓強度的影響；謝慧東等[11]研究了3種早強劑(氯化鈣、硫酸鈉、碳酸鈉)對化學發泡混凝土發泡倍數、漿體穩定性、抗壓強度、表觀密度和體積吸水率的影響；俞心剛等[12]研究了兩種早強劑(硫酸鈉和硫酸鈣)對煤矸石-粉煤灰泡沫混凝土抗壓強度、體積吸水率及微觀孔結構的影響。對于目前在實際工程有較多應用的早強劑對輕質復合發泡劑泡沫混凝土早期抗壓強度影響的研究卻相對較少。因此,本文對摻加不同早強劑(氯化鈣和硫酸鈉)、濕密度分別為500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3的輕質復合發泡泡沫混凝土試樣進行了室內無側限單軸壓縮試驗,并利用計算機斷層成像技術(CT)直接掃描其新鮮斷面、圖像分析技術對比分析其微觀結構,研究了不同齡期下、兩種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土無側限早期抗壓強度的影響。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

制備輕質復合發泡泡沫混凝土試樣所需材料：水泥為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5級,甘肅祁連山水泥集團股份有限公司；發泡劑HTW-1型(出口型)復合發泡劑,河南華泰建材開發有限公司；水為蘭州自來水；兩種早強劑分別為氯化鈣早強劑和硫酸鈉早強劑。

2.2 試樣制備

按照設計配合比要求分別稱取水泥、外加劑,將二者均勻混合,然后按照水固比為0.65的設計要求稱取水、水泥,均勻攪拌后立即加入制備好的泡沫,不斷攪拌直至達到規定要求。將調制好的泡沫混凝土漿液澆筑到尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的模具中。另為得到標準尺寸試樣,澆筑時漿液要溢出模具表面一定高度。澆筑完成后,需均勻振搗(人工、機械均可)使漿液均勻填充到模具中(注意避免漿液中存在過大氣泡),表面立即用一層保鮮膜覆蓋以達到保濕、防止水分蒸發從而引起試塊開裂。試樣靜置于試驗室中24 h后去除模具頂面多余的泡沫混凝土,脫模后立即送入標準養護室養護至試驗規定齡期。

2.3 試驗方法

為研究早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期抗壓強度的影響,本次試驗設計了摻加兩種早強劑：氯化鈣、硫酸鈉早強劑,劑量均為水泥用量的2.0%,相關研究數據表明摻加氯化鈣和硫酸鈉早強劑劑量為水泥用量的2.0%左右最為合理[13]；三種設計濕密度,分別為500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3。對每一種設計濕密度都制備有三組試樣：一組摻加氯化鈣早強劑的試樣、一組摻加硫酸鈉早強劑的試樣和一組不摻加任何早強劑的空白對照試樣,并分別對3 d、7 d、14 d、28 d齡期的試樣進行無側限單軸壓縮試驗[14],其中每組無側限單軸壓縮試驗有5個試樣,取其平均值作為結果(為盡量減小外部環境差異對試樣數據的影響,對同一濕密度的試樣一次性澆筑完成,且對不同濕密度試樣在同一條件下養護)。另利用100倍光學顯微掃描技術分別掃描選定試樣的新鮮斷面,并結合圖像分析技術來觀察、分析其微觀結構。

3 結果與討論

3.1 早強劑對輕質復合發泡劑泡沫混凝土早期抗壓強度影響分析

圖1分別為3 d、7 d、14 d、28 d養護齡期與不同濕密度未摻加早強劑、摻加氯化鈣早強劑、硫酸鈉早強劑試樣的早期抗壓強度關系曲線圖。

圖1中得出的結論如下：摻加硫酸鈉早強劑的輕質復合發泡泡沫混凝土試樣其3 d抗壓強度較未摻加早強劑試樣的抗壓強度提高幅度平均可達47.0%左右,最高可達55.1%；7 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高幅度平均為25.6%,最高可達30.0%；14 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高幅度平均為10.5%,最高可達12.4%。可見,硫酸鈉早強劑對輕質泡沫混凝土的早期強度提高很大,特別是3 d抗壓強度,因為水泥水化早期過程中,硫酸鈉能較快的與水化產物Ca(OH)2作用生成硫酸鈣,這種反應生成的硫酸鈣比生產水泥時摻入的石膏細度更大、活性更好,與水泥中的鋁酸鈣反應速度也快得多,因此早期生成大量的鈣礬石。鈣礬石的大量形成消耗了很多氫氧化鈣,使得溶液中的氫氧化鈣濃度降低,并且大量的鈣礬石晶體交錯搭接,水化硅酸鈣凝膠填充其間,提高了泡沫混凝土的早期抗壓強度[15]。

摻加氯化鈣早強劑試樣其早期抗壓強度提高幅度也較大：3 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高幅度平均可達41.5%,最高可達46.2%；7 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高幅度平均可達25.3%,最高可達33.3%；14 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣提高幅度平均可達11.9%,最高可達13.6%；28 d抗壓強度較未摻加早強劑的試樣最多僅提高4.5%,影響不大。氯化鈣早強劑的早強作用主要是因為水化反應時它能夠與水泥中的鋁酸三鈣反應,生成不溶于水的水化氯鋁酸鈣,另外,氯化鈣還能與水泥水化反應生成難溶于水的氧氯化鈣；大量水化產物的生成,增大了水泥漿中的固相比例,有利于水泥石結構的形成,進而提高混凝土的早期抗壓強度。

圖1 各濕密度輕質泡沫混凝土抗壓強度分別與3 d、7 d、14 d、28 d養護齡期的關系圖 (a)ρw=500 kg·m-3;(b)ρw=800 kg·m-3;(c)ρw=1000 kg·m-3Fig.1 Compressive strength of lightweight foam concrete with different wet densities at different curing ages

3.2 微觀結構角度分析早強劑對其早期抗壓強度的影響

泡沫混凝土獨特的孔結構(內部孔隙的大小、多少、形貌及其分布)對其諸多性能具有十分重要的影響,一般而言,泡沫混凝土中孔分布越均勻、孔徑越小,其抗壓強度越好[16]。從剖面觀察,泡沫混凝土可以看作是無數大小不一的氣孔和氣孔壁構成的復合體,復合體的分布、大小和形狀決定了泡沫混凝土的性能[17]。Kcarslcy[18]等的實驗數據經過驗證可以較好地證實泡沫混凝土的抗壓強度與孔結構關系密切；Kumar[19]等的研究發現當孔隙率小于一定值后,孔隙率與抗壓強度關系模型尚未得到解決。分析摻加與不摻加早強劑輕質復合發泡泡沫混凝土微觀孔結構對其早期抗壓強度的影響有多個指標,如孔隙率、平均孔徑及其分布、單位面積氣孔個數、平均形狀因子等[20]。本文結合圖像掃描技術及圖像分析技術從其微觀孔結構的平均孔徑、平均形狀因子及單位面積氣孔個數方面分析了微觀孔結構對摻加早強劑試樣7 d抗壓強度的影響。

圖2為不同早強劑、500 kg/m3濕密度、7天養護齡期情況下3組試樣相同部位(已在試樣中間部位做好刻度標記,如同中所示)圖像掃描圖樣,圖3為摻加氯化鈣早強劑、7 d養護齡期、不同濕密度情況下相同部位圖像掃描圖樣。

由圖2可知：摻加早強劑的2組試樣較未摻加早強劑試樣其氣孔孔壁更完整,氣孔破壁現象很少,氣孔孔徑也相對減小,雖有個別氣孔較大,但較少出現孔破壁現象；2組摻加早強劑試樣相比,摻加氯化鈣早強劑組試樣氣孔分布更加均勻、孔形也更加均勻,這也說明500 kg/m3濕密度、7 d養護齡期情況下,氯化鈣早強劑對輕質泡沫混凝土7 d抗壓強度提升效果較摻加硫酸鈣早強劑組試樣更明顯。

由圖3 摻加氯化鈣早強劑、7 d養護齡期、不同濕密度情況下,可知濕密度為800 kg/m3試樣氣孔分布較為加均勻,這也反映了7 d養護齡期下濕密度為800 kg/m3試樣抗壓強度提高幅度最大；但是其出現孔破壁現象較濕密度為1000 kg/m3組試樣增多。

圖2 不同早強劑、500 kg·m-3濕密度、7 d養護齡期情況下3組試樣相同部位掃描圖樣 (a)未摻加早強劑試樣掃描圖樣;(b)摻加硫酸鈉早強劑試樣掃描圖樣;(c)摻加氯化鈣早強劑試樣掃描圖樣Fig.2 SEM images of different specimens of the same parts with different early strength agents,wet density of 500 kg·m-3 and 7 days curing ages

圖3 摻加氯化鈣早強劑、7 d養護齡期、不同濕密度情況下相同部掃描圖樣 (a)濕密度為500 kg·m-3;(b)濕密度為800 kg·m-3;(c)濕密度為1000 kg·m-3Fig.3 SEM images of the same parts under different wet density of the mixed calcium chloride E.S.A and 7 d curing age

表1為500 kg/m3濕密度、7 d養護齡期情況下未摻早強劑、摻加硫酸鈉早強劑和摻加氯化鈣早強劑的3組輕質泡沫混凝土試樣由圖像分析得到的3項微觀結構相關指標。分析表中平均孔徑數據可知摻加氯化鈣早強劑的兩組試樣平均孔徑均減小至100 μm(作為區分大小孔的指標)以下,說明大孔數目總體在減少,而小孔數目在增多,使得平均孔徑減小至100 μm一下；由單位面積氣孔數可知摻加早強劑的兩組試樣較未摻加早強劑的試樣提高幅度平均在19.8%,最高可提高23.3%,提高效果明顯；從平均形狀因子來講其數值越接近1表明氣孔形狀越接近球形,摻加早強劑的兩組試樣其數值較未摻加早強劑的試樣平均形狀因子更接近1,即更接近球形。

表1 摻氯化鈣早強劑、養護7 d、不同濕密度情況下3組試樣相關指標(早強劑摻量為2%)Tab.1 The relative indexes of 3 groups of specimens under different wet density with calcium chloride E.S.A and 7 days curing ages

表2為500 kg/m3濕密度、7 d養護齡期情況下未摻早強劑、摻加硫酸鈉早強劑和摻加氯化鈣早強劑的3組輕質復合發泡劑泡沫混凝土試樣相關指標。分析表2中平均孔徑數據可知摻加早強劑的兩組試樣平均孔徑均較未摻加早強劑試樣分別降低了2.43%和2.26%；由單位面積氣孔數可知摻加早強劑的兩組試樣較未摻加早強劑的試樣提高幅度為29.17%和20.24%,提高效果明顯；從平均形狀因子來講摻加早強劑的兩組試樣其數值較未摻加早強劑試樣的平均形狀因子更接近1,即更接近球形。

表2 不同早強劑、養護7 d、濕密度為500 kg·m-3情況下3組試樣相關指標(早強劑摻量為2%)Tab.2 The relative indexes of 3 groups of specimens with different E.S.As,wet density of 500 kg·m-3 and 7 days curing age

總體來講,摻入早強劑能夠顯著提高試樣早期抗壓強度,特別是7 d抗壓強度：一方面,早強劑可加快水泥漿體硬化凝結速度、盡快形成支撐骨架；另一方面,早強劑可減少漿體中泡沫一系列遷移、合并、破裂,提高試樣的孔結構強度；同時也能夠降低試樣中較大氣孔的平均孔徑和所占體積百分比,改善氣孔結構。早強劑穩泡作用可提高體系中氣泡膜的強度,減少泡沫在混合攪拌和水泥水化早期的合并與破裂,增大了氣泡的穩定性、減少了氣泡劣化,對強度發展十分有利；另其早強作用也可降低試樣中氣泡平均形狀因子,即試樣中氣泡越來越接近球形,同時也降低了氣泡可以遷移、合并的時間,使氣泡也盡可能保持最初形成時的球形。

4 結 論

本文分別對濕密度為500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3、摻加兩種不同早強劑的輕質復合發泡劑泡沫混凝土試樣進行了室內無側限單軸壓縮實驗并結合光學顯微技術及圖像分析技術,分析了兩種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土各個齡期抗壓強度的影響,結論如下：

(1) 摻入的兩種早強劑均可顯著提高輕質復合發泡劑泡沫混凝土的早期抗壓強度：摻入硫酸鈉早強劑的3種濕密度輕質復合發泡劑泡沫混凝土試樣的早期抗壓強度均隨著養護齡期的增長而增大,其3 d、7 d、14 d抗壓強度提高幅度平均分別為47.0%、25.6%和10.5%；氯化鈣早強劑可使其3 d、7 d、14 d抗壓強度提高幅度平均分別為41.5%、25.3%和11.9%;

(2)兩種早強劑均可使輕質復合發泡泡沫混凝土的7 d抗壓強度提高35.0%以上,但是對輕質復合發泡劑泡沫混凝土的28 d抗壓強度影響不大,相反,摻入硫酸鈉早強劑試樣28 d抗壓強度有降低趨勢;

(3) 摻入早強劑的2組試樣其體積平均孔徑減小,平均形狀因子、破壁現象均減少,單位面積氣孔數有所增加,這也從微觀結構角度反映了摻加早強劑可提高泡沫混凝土早期抗壓強度這一事實。

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Experimental Analysis on Effects of Early Strength Agent on Compressive Strength of Composite Foamed Lightweight Concrete

WUYa-fei1,LIUDe-ren1,2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Key Laboratory of Road and Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,Lanzhou 730070,China)

Unconfined uniaxial compression test was performed on composite foamed lightweight concrete specimen with wet density of 500 kg/m3, 800 kg/m3and 1000 kg/m3to analyze the effects of two kinds of early strength agent,calcium chloride and sodium sulfate,on the early compressive strength of lightweight composite foamed concrete. Otherwise the Optical microscopy technology and image analysis technology were applied to discuss the effects of calcium chloride and sodium sulfate on the early compressive strength from the micro perspective. The results illustrate that both types of early strength agents affect the early compressive strength obviously. Especially the 3 d, 7 d, 14 d compressive strength increase by at least 44.3%, 25.4% and 11.2%, and the sodium sulfate performs better. The incorporation of early strength agents could make its micro pore structure index improved significantly from the micro perspective,especially the sodium sulfate.

early strength agent;foamed lightweight concrete;compressive strength;micro-structure;curing time

蘭州交通大學土木工程學院校青年基金(2103031)

吳亞飛(1990-)，男，碩士研究生.主要從事路基方向研究.

U416

A

1001-1625(2016)09-2781-06