孔隙特征對泡沫混凝土基本性能的影響研究

歐楚萍隋玉武王冠通劉述張文生

(山東建筑大學 材料科學與工程學院， 山東 濟南250101)

0 引言

泡沫混凝土是建筑項目中使用較多的工程建筑材料[1]，較多應用于生產輕質砌塊，也可直接應用于屋面體系。 由于輕質、保溫隔熱、耐火隔音、密度小、施工方便，同時還能利用建設廢棄物、工業廢棄物、棄土淤泥等材料，泡沫混凝土有著廣闊的應用前景[2-7]。 由于泡沫混凝土引入了泡沫，硬化后存在大量孔隙導致其強度較低，還容易出現早期塌模、干縮開裂等問題，影響了泡沫混凝土的施工，因此，亟需改善泡沫混凝土的性能[3-5]。

泡沫混凝土的基本性能受多種因素影響，多數學者著重對泡沫混凝土的成分、制備工藝、發泡劑和穩泡劑等性能進行研究，取得了較好的成果。Valore 等[8]研究了泡沫混凝土的材料組分、制備方式對泡沫混凝土物理性能的影響。 Narayanan 等[9]以十二烷基硫酸鈉為發泡劑，制備泡沫混凝土并研究了促進劑對其強度的影響。 李良均等[10]成功研究出泡沫輕質混凝土材料，并作為油氣管道的回填材料。 泡沫混凝土的性能也與內部孔隙特征密不可分[11-13]，張旭等[14]認為泡沫混凝土氣孔壁厚和密實度主要影響其強度。 張冷慶等[15]發現泡沫混凝土的氣孔孔徑影響氣孔孔徑分形維數，孔徑增大，分形維數會先變大后變小。 影響泡沫混凝土孔結構的因素較多，泡沫混凝土中取代水泥的粉煤灰和礦粉量、粉煤灰等級、泡沫混凝土容重、水膠比都會影響泡沫混凝土孔結構[16-19]。 總體來看，研究內部孔隙特征對泡沫混凝土基本性能影響的文獻較少。

文章利用Image-Pro plus 6.0 軟件分析了9 種泡沫混凝土內部孔隙孔徑大小、表面積、圓度以及分形維數，研究了其對泡沫混凝土表觀密度和28 d 抗壓強度的影響，計算了孔隙特征對28 d 強度的相關度，為制備高強泡沫混凝土提供了參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

使用泡沫混凝土的膠砂試件為樣品，所用材料為:普通硅酸鹽水泥(P.O 52.5) 、發泡劑(濃縮型活性動物蛋白高效水泥發泡劑，鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產，基本特征見表1)、硅灰(顆粒大于800 目)、II 級粉煤灰、普通自來水、穩泡劑(硬脂酸鈣，天津市北辰方正試劑廠生產)。

表1 高效動物蛋白發泡劑基本特征表

1.2 試驗方法

按計量稱取水泥、粉煤灰、硅灰、穩泡劑，放入攪拌鍋中，加水攪拌。 稱取動物蛋白發泡劑及水，用器皿將動物蛋白發泡劑和水混合后通過發泡機進行發泡，將制備好的泡沫倒入粉體漿料攪拌鍋，快速攪拌2 min，停止30 s 后，再慢速攪拌2 min。 將攪拌鍋里拌好的混凝土倒入40 mm×40 mm×160 mm 鋼制模具中，3 d 后拆模，試塊放入恒溫箱養護，28 d 后取出進行表觀密度、強度測試和圓孔觀察分析。 樣品制備參數見表2。

表2 試驗樣品水膠比、流動度及部分組分摻量表

1.3 試驗測試指標

試驗測試了膠砂試件的抗壓強度和表觀密度，利用SZ61 體視顯微鏡觀察泡沫混凝土樣品孔隙并拍攝圖片，再利用軟件Image-Pro plus 6.0 直接分析出圖片中孔隙特征，選擇具有代表性的，如較小的、較大的、均勻的以及一些較特殊的孔進行標記，從而得到孔的直徑、比表面積、圓度以及分形維數，如圖1 所示，每組試樣選擇了約280 個孔隙進行觀察和計算，為了減少誤差，得出的值再計算平均值，所測參數的計算公式和意義見表3。

圖1 利用軟件Image-Pro plus 6.0 分析圖片中孔隙特征圖

表3 泡沫混凝土孔隙平均直徑、表面積、圓度和分形維數計算與表征表

1.4 皮爾遜相關值

皮爾遜相關值表示兩組數據之間是否有簡單線性相關性，其計算公式由式(1)表示為

式中:ρX，Y為X、Y兩組數據的皮爾遜相關系數，其值介于-1 和＋1 之間，正值表明正相關，負值表明負相關，其中0.8～1.0 表示極強相關、0.6 ～0.8 表示強相關、0.4～0.6 表示中等程度相關、0.2 ～0.4 表示弱相關、0.0～0.2 表示極弱相關或無相關；X為自變量數據中的某個數值；-X為自變量數據的算術平均數；Y為因變量數據中的某個數值；-Y為因變量數據的算術平均數。

兩組數據之間是否真相關還需要顯著性(雙尾)值，當值＜0.05，說明兩組數據真相關，否則這個相關性不準確。 對于大量數值需要利用軟件計算皮爾遜相關值，如SPSS 軟件。

2 結果與分析

2.1 孔直徑、表面積、圓度及分形維數對表觀密度的影響

在水泥、粉煤灰、發泡劑等制備材料摻量相同的情況下，相同和不同水膠比W/B對泡沫混凝土內部孔隙特征存在不同影響，孔隙直徑、表面積、圓度及分形維數對表觀密度的影響如圖2 所示。

圖2 不同水膠比(W/B)下泡沫混凝土孔直徑、表面積、圓度和分形維數對表觀密度的影響圖

由圖2(a)～(c)可以看出，不論水膠比的大小，隨著孔直徑、表面積、圓度和分形維數增大，泡沫混凝土的表觀密度都減小，并且孔的特征值變化很小就能引起表觀密度較大的變化。 如當W/B＝0.4，孔直徑為0.189153 mm 時，對應的表觀密度為896 kg/m3，孔直徑為0.194001 mm 時，對應的表觀密度為824 kg/m3，孔直徑為0.201437 mm 時，對應的表觀密度為748 kg/m3。 孔直徑相差約為0.01 mm，表觀密度相差148 kg/m3。 由圖2 還可以看出，W/B從0.3 增加到0.35，再增加到0.4，泡沫混凝土中孔隙直徑、表面積和圓度變小，但是孔隙的分形維數變大，因此水膠比會影響泡沫混凝土內部孔隙的特征。

2.2 孔直徑、面積、圓度及分形維數對強度的影響

在水泥、粉煤灰、發泡劑等制備材料相同的情況下，相同或不同水膠比制備的泡沫混凝土內部孔隙結構不完全相同，內部的孔隙直徑、表面積、圓度以及分形維數對泡沫混凝土28 d 抗壓強度的影響如圖3 所示。 不論水膠比的大小，隨著孔直徑、表面積、圓度和分形維數的增大，泡沫混凝土的28 d 抗壓強度減小。W/B從0.3 增加到0.35，再增加到0.4，泡沫混凝土的孔直徑、表面積和圓度都減小，但是孔的分形維數增大。 實驗中，W/B＝0.4 時，泡沫混凝土的28 d 抗壓強度普遍較高，因為水膠比增大使混凝土流動性增加，結構更加密實。 從設計目標來說，要確保泡沫混凝土28 d 強度＞3 MPa。 水膠比過大會增加后期的收縮，因此配合比中水膠比不應＞0.4。

圖3 不同水膠比(W/B)泡沫混凝土孔直徑、表面積、圓度和分形維數對28 d 抗壓強度的影響圖

2.3 泡沫混凝土孔特征對28 d 強度的線性相關性

在忽略水膠比對泡沫混凝土性質影響的前提下，利用SPSS 軟件分析泡沫混凝土孔特征對28 d抗壓強度的線性影響，計算后得到的相關性指數見表4。 孔的圓度的顯著性值為0.012，其值明顯＜0.05，說明泡沫混凝土孔特征的4 組成分中，只有孔的圓度與泡沫混凝土28 d 強度之間真正相關，皮爾遜相關系數是-0.787，說明二者屬于負的強相關。由圖3(c)也可以看出，孔圓度對泡沫混凝土28 d 強度的影響接近線性關系。

表4 孔直徑、孔表面積、孔圓度和孔分形維數與28 d 抗壓強度相關性分析表

3 結論

通過上述研究，得到以下結論:

(1) 隨著泡沫混凝土孔隙的直徑、表面積、圓度和分形維數的增加，泡沫混凝土的表觀密度和28 d抗壓強度降低，即相同水膠比情況下，孔隙越大，圓度越好，孔隙的相似性越好，泡沫混凝土的基本性能越差。

(2) 水膠比對泡沫混凝土的孔隙特征有影響，水膠比為0.4 時的孔隙直徑、表面積和圓度最小，但是分形維數要大，制備的泡沫混凝土的28 d 強度最高，基本性能好。

(3) 孔隙的圓度與泡沫混凝土28 d 強度有強的負相關性。