泡沫混凝土的孔壁厚度計算及粉煤灰摻量對孔壁厚度的影響

石川 陳陽

（廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司第五檢測部）

0 引言

泡沫混凝土內部有大量互不連通的封閉氣孔，使其具有優良的保溫隔熱性能[1-2]。但因存在強度低、易開裂吸水等問題，使其在節能建筑工程中的應用受到限制。粉煤灰[3]中含有一定的輕質空心微珠和潛在的火山灰活性，添加到水泥中可進一步提高混凝土的保溫性能和輕質性能，同時可以改善泡沫混凝土的孔結構以及孔分布[4-5]，并可降低泡沫混凝土制品的生產成本。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥是泡沫混凝土強度的主要來源，一般來說，水泥品種不同，泡沫混凝土的強度也有差別，對于低密度的泡沫混凝土而言，水泥的強度等級要求較高。本研究中采用的水泥為珠江水泥廠生產的P·II 42.5水泥，其化學組成見表1，基本性能見表2。

表1 水泥的化學組成(%)

表2 水泥的基本性能

1.1.2 粉煤灰

粉煤灰是一種人工火山灰質材料，自身僅具有較低的膠凝活性。其礦物組成主要是石英、莫來石、赤鐵礦、磁鐵礦和玻璃體以及未燃盡的碳粒，其中玻璃體能在常溫下與石灰或水泥水化時生成的氫氧化鈣發生火山灰反應，生成具有膠凝性的水化產物。粉煤灰的化學組成為 ：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3，此外還有可能有P2O5、MnO等。

本研究采用的粉煤灰為II級灰，其化學組成見表3，其它技術指標見表4。

表3 粉煤灰的化學組成(%)

表4 粉煤灰技術指標

1.1.3 發泡劑

發泡劑是一類表面活性劑或者表面活性物質，其水溶液在通過外界作用引入空氣并產生大量泡沫。泡沫混凝土所用的泡沫應盡量細小、均勻、穩定，發泡劑的質量是關鍵。

泡沫[11-12]是泡沫混凝土的核心部分，泡沫混凝土保溫隔熱性的好壞、強度、吸水率等方面的穩定程度主要取決于氣孔的形貌、尺寸以及孔壁厚度等，而影響這些因素的關鍵就是發泡劑所發出泡沫的穩定性，泡沫是否穩定又取決于發泡劑質量的好壞。本研究所用發泡劑主要是蛋白質類發泡劑：河南華泰公司生產H型國產發泡劑，棕褐色液體，微臭。其技術指標為：發泡倍數大于20，沉降距不大于10mm，1h泌水量不大于80ml。

1.1.4 減水劑

減水劑是一種高分子表面活性劑。用于水泥中，這些高分子物質吸附在水泥顆粒表面、降低水泥顆粒的表面能，形成帶負電的強電場。包裹大量自由水的水泥絮狀粒子因為靜電斥力被分散開來，釋放出包裹水，從而使新拌混凝土漿體的流動性得到了提高。

流動度不變，隨著水膠比的降低，混凝土力學性能提高。因此，為了提高泡沫混凝土強度，本實驗選取了較低的水灰比，也對減水劑進行了選擇。本研究中所用的減水劑為江門強力建材有限公司生產的萘系減水劑，其固含量為32.77%。

1.2 儀器設備

1.2.1 HT-10型發泡機

該發泡機（圖1），由河南華泰建材公司生產，其技術參數見表5。

表5 發泡機的主要技術參數

圖1 發泡機實物圖

1.2.2 其它設備

UTM5105電子萬能試驗機、30L攪拌機、電子秤、直尺、燒杯、游標卡尺、烘箱、砂漿攪拌機等。

1.3 試樣制備

將粉料加入攪拌機，攪拌2min，混合均勻后，加入水和外加劑（W/B=0.4，外加劑摻量1.0%），繼續攪拌3min，制得所需水泥漿體。然后，將發泡劑與水按1:15稀釋，攪拌均勻后注入HT-10型發泡機中制備所需泡沫。

將泡沫通過發泡管直接泵入正在攪拌的漿體中，攪拌5～6min，待泡沫與水泥漿混合均勻后，將帶有泡沫的水泥漿體灌入模具中。靜置1～2h后，將試件表面刮平，在室溫下養護48h后拆模，拆模后立即送入養護室，溫度（20±5）℃，濕度65%～90%，養護至試驗齡期。

1.4 孔壁厚度計算

本研究通過在10倍顯微鏡下觀察泡沫混凝土試塊橫截面的氣孔結構，每個樣的氣孔統計取10～15張圖片的平均值，用IPP軟件統計出平均孔徑D以及氣孔總數n，再計算相應的孔壁厚度h。

孔壁厚度的計算是基于以下幾點假設：①泡沫混凝土中的氣孔均為等直徑、球狀氣孔并緊密堆積；②各個氣孔具有相同厚度的孔壁；③氣孔之間的間隙由混凝土基質組成。其計算模型假設如圖2所示。

圖2 氣孔模型圖

單個氣孔面積和單位面積（1m2）泡沫混凝土內氣孔數由式⑴、式⑵算得：

單個氣孔孔壁的面積和單位面積泡沫混凝土中氣孔孔壁面積之和由式⑶、式⑷算得：

基質部分的面積可由邊長為（D+2h）的等邊三角形算出，式⑸：

顯微鏡的圖片尺寸為10mm×10mm，從圖2可以看出，每三個氣孔共一份基質，而與基質相接觸的部分只占氣孔的1/6，因此每個氣孔占有1/2的基質。由于St+Sp+Sm=100以及Sp=p，結合式⑷、式⑸可推出式⑹：

化簡后得到式⑺，帶入相應的D和n去掉負值即可解得h，即孔壁厚度：

式中：

π——圓周率常數；

p——單位面積泡沫混凝土的孔隙率；

Sp——單位面積泡沫混凝土氣孔的總面積(m2)；

D——氣孔平均直徑（mm）；

S0——單個氣孔的面積(m2)；

n——單位體積泡沫混凝土內的氣孔數；

St0——單個氣孔孔壁的面積(m2)；

St——單位面積泡沫混凝土內孔壁的總面積(m2)；

Sm0——單個基質部分面積(m2)。

2 結果與分析

將泡沫混凝土試塊橫截面在10倍顯微鏡下觀察，對圖片進行灰度處理后見圖3。

圖3 不同粉煤灰摻量泡沫混凝土截面圖（×10）

粉煤灰摻量10%～30%時，泡沫混凝土內部平均孔徑隨之減小、圓度隨之提高，平均孔徑減小，說明泡沫混凝土密實性或內部氣泡均勻性得到提高。這是因為粉煤灰呈球狀，具有滾球效應，代替水泥內摻后能調整漿體的流動性，從而改進孔的分布、尺寸以及形貌。粉煤灰摻量超過30%后，泡沫混凝土孔徑增大，主要由于漿體流動性過大，稠度太低，連通孔變多，氣孔尺寸變大，形貌變得不規則，分布不均勻。

用IPP軟件對截面圖上的孔進行分析、統計，將統計出的孔總數n和氣孔等效直徑D帶入式⑺中求出平均孔壁厚度，結果見圖4所示。

從圖4可以看出，粉煤灰摻量大于30%時，孔壁厚度均大于0.17mm，摻量低于30%時，孔壁厚度均小于0.14mm。因此粉煤灰摻量大于30%時可以改善孔壁厚度。粉煤灰摻量為10%時，其孔數有所減少，孔徑有所增大，對應的孔隙率稍有增加；減少了水泥卻增加了孔壁厚度，孔壁厚度對強度有所補償，因此強度變化不大。當粉煤灰摻量為20%時，粉煤灰對孔徑的改善較為明顯，孔數增多，孔徑變小，然而孔壁厚度也有所降低，帶來的直觀結果就是強度的下降。摻量到30%時，孔壁厚度增加15%左右，此時孔數有所下降，孔徑有所增加。這是由于粉煤灰呈球狀和微集料效應使得漿體的流動度增大、稠度降低，對泡沫的穩定較差，因此孔數大致呈降低的趨勢，漿體對孔的束縛力變小，使得平均孔徑呈增大趨勢。平均孔壁厚度在粉煤灰摻量到達30%前，基本接近且不足0.140mm，在達到30%摻量時發生突變，達到0.200m，且隨后趨于穩定。

圖4 粉煤灰摻量對氣孔影響

3 結論