輕質骨料對泡沫混凝土性能的影響及其內養護機制

熊遠亮,劉 超,鄧智聰,陳 春,張亞梅

(1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇省土木工程材料重點實驗室，南京 211189；2.煙臺大學土木工程學院，煙臺 264005)

0 引 言

泡沫混凝土作為一種多孔輕質混凝土材料，具有密度低、導熱系數低及耐火性能好等優點[1-4]，在建筑業中的應用越來越廣泛。此外，泡沫混凝土具有隔音性能好、強度高等優點[5]。然而，泡沫混凝土也存在干燥收縮大及開裂風險高等缺點，限制了泡沫混凝土的應用[6]。

內養護是一種維持水泥基材料內部濕度、促進水泥基材料水化、改善水泥基材料收縮性能的有效方法[7-8]。目前，常用的內養護材料主要有輕質骨料[9]、空心微珠[10]、超吸水樹脂[11]、破碎的混凝土細骨料和木纖維[12]等。輕質骨料具有吸水及釋水的特性，是一種常用的內養護材料。輕質骨料能夠吸收水泥基體中的水分，并在水泥水化過程中逐漸釋放，調節水泥基材料的內部濕度[13-14]，且輕質骨料能夠約束基體的變形，降低泡沫混凝土的干燥收縮。輕質骨料的內養護效果與其孔結構密切相關，在較高濕度條件下，孔徑越大，釋水能力越強，內養護效果越好[15-17]。泡沫混凝土體系具有大量的氣孔及游離水導致其干燥收縮大，約為普通混凝土的4～10倍[18]，因此諸多學者將輕質骨料引入泡沫混凝土中改善其收縮性能[19-22]。Rajabipour等[21]研究發現輕質骨料能夠降低泡沫混凝土的干燥收縮，改善其抗裂性能。Babu[22]研究表明，摻入適量輕質骨料可降低泡沫混凝土的干燥收縮，提高泡沫混凝土的開裂應力，使泡沫混凝土的開裂齡期從1 d提高至約60 d。盡管目前針對輕質骨料對泡沫混凝土的影響展開了諸多研究，但關于輕質骨料在泡沫混凝土中的內養護機制尚未闡明。

本文采用輕質骨料(頁巖陶粒和粉煤灰陶粒)制備泡沫混凝土，研究輕質骨料對泡沫混凝土抗壓強度、干燥收縮、內部濕度及孔結構的影響。通過研究輕質骨料孔分布規律與泡沫混凝土內部濕度的對應關系，探究輕質骨料在泡沫混凝土中的內養護機制。

1 實 驗

1.1 原材料

采用密度為3.150 g/cm3、比表面積為360 m2/kg的P·II 52.5水泥，其主要化學組成如表1所示。采用如皋漢府建筑科技有限公司提供的煤渣作為細骨料，其表觀密度為1 510 kg/m3，吸水率為13.30%，顆粒級配如圖1所示。泡沫混凝土的水膠比為0.5，體系中有充足的自由水，故采用干燥狀態的頁巖陶粒(shale ceramsite, CSLA)和粉煤灰陶粒(fly ash ceramsite, SFCP)制備泡沫混凝土，CSLA和SFCP的物理性能見表2，顆粒級配如圖2所示，外觀照片及顆粒形貌如圖3、圖4所示。將納米改性合成發泡劑(NA-SS)[23-25]與水按質量比1 ∶300混合配制發泡液。

表1 水泥的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of cement

圖1 細骨料粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of fine aggregates

圖2 粗骨料粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of coarse aggregates

表2 粗骨料的物理性能Table 2 Physical properties of coarse aggregates

圖3 粗骨料的外觀照片Fig.3 Appearance images of coarse aggregates

圖4 粗骨料的SEM照片Fig.4 SEM images of coarse aggregates

1.2 制備方法

按照表3材料配比，制備目標密度為1 000 kg/m3的泡沫混凝土。采用摻量分別為0%、20%及40%(質量分數，下同)的CSLA及SFCP制備泡沫混凝土，具體過程為：首先將水泥與水按照1 ∶2(質量比)的比例混合攪拌30 s，然后加入輕質骨料攪拌1 min，同時，將發泡液置于發泡機發泡；然后將制備的泡沫引入水泥基體中，以60～120 r/min的轉速攪拌3 min，制成泡沫混凝土漿體。

表3 泡沫混凝土配合比Table 3 Mix proportion of foamed concrete

1.3 性能測試方法

采用磷酸氫二鈉、氯化銨、溴化鈉、碳酸鉀與醋酸鉀飽和鹽溶液調節不同濕度，研究飽和吸水輕質骨料在不同濕度條件下的含水率，分析輕質骨料在泡沫混凝土內部濕度降低時的釋水能力。

采用掃描電子顯微鏡(FEI公司，型號FEIInspect F50及EDS能譜儀)觀察輕質骨料的微觀結構。采用全自動壓汞儀(MIP, Micrometritics公司，型號 Auto pore IV 9520)測試輕質骨料的孔分布。測試過程中，汞在壓力的作用下被壓入材料的孔中，記錄此時的壓力和相應的體積。多周期MIP技術具有兩個周期的進汞/出汞過程，在第一個進汞/出汞周期后，所有墨水瓶孔均被填充，通過第二個進汞/出汞周期可以獲得體系內孔類型及孔分布[13-14]。本文采用二次進汞試驗來分析輕質骨料的孔類型及孔徑分布。

泡沫混凝土抗壓強度測試方法依據標準《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)。采用兩端預埋銅棒的40 mm×40 mm×160 mm試件進行泡沫混凝土干燥收縮測試，試件每組3塊。拆模后置于(20±2) ℃恒溫水槽中，水面高出試件3 cm，放置72 h后取出測量其初始長度。然后置于恒溫(20±1) ℃、恒濕(43±2)%環境下，測量其在不同齡期的長度，讀數重復3次，測試過程參考標準《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2020)。

內部濕度測試采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的泡沫混凝土試件，將試件置于恒溫(20±1) ℃、恒濕(43±2)%環境下，使用Toprie傳感器TP2307測試泡沫混凝土內部濕度，傳感器埋入深度為50 mm，由T700多路數據記錄儀采集數據。

采用X-CT(Y. CT PRECISION S)表征養護28 d后硬化泡沫混凝土試件(尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)的微觀孔結構，分辨率約為100 μm。

2 結果與討論

2.1 輕質骨料對泡沫混凝土性能的影響

干燥狀態的輕質骨料對泡沫混凝土抗壓強度的影響如圖5所示。由圖可知，CSLA摻量為0%、20%及40%時，泡沫混凝土的28 d抗壓強度分別為5.9 MPa、5.4 MPa及5.1 MPa。而摻入20%及40%SFCP時，泡沫混凝土的28 d抗壓強度分別為5.3 MPa及4.9 MPa。這表明隨著輕質骨料摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度逐漸降低。

圖5 輕質骨料對泡沫混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Effect of lightweight aggregate on compressive strength of foamed concrete

干燥狀態的輕質骨料對泡沫混凝土干燥收縮的影響如圖6所示。由圖可知，CSLA摻量分別為0%、20%及40%時，泡沫混凝土的90 d干燥收縮分別為1 322 με、930 με和719 με，而SFCP摻量分別為20%及40%時，泡沫混凝土的90 d干燥收縮分別為1 130 με和830 με。隨著輕質骨料摻量的增加，泡沫混凝土的干燥收縮性能逐漸降低，且其最大減縮量達36.5%。輕質骨料能夠約束泡沫混凝土基體的變形，且在內部濕度的驅動下，輕質骨料能為基體水化提供水分，延緩基體孔隙的內部干燥，減少微裂縫的形成，降低泡沫混凝土的干燥收縮。在不同輕質骨料條件下，泡沫混凝土的抗壓強度相近，但相比于SFCP，摻入CSLA時強度更小[26-27]，對基體約束效果相對較差，但對泡沫混凝土干燥收縮的改善效果更好。

圖6 輕質骨料對泡沫混凝土干燥收縮的影響Fig.6 Effect of lightweight aggregate on drying shrinkage of foamed concrete

2.2 輕質骨料對泡沫混凝土微結構的影響

CSLA泡沫混凝土SEM-EDS測試結果如圖7所示。由圖可知，干燥狀態的輕質骨料的摻入使泡沫混凝土內部缺陷明顯增多。CSLA與SFCP的彈性模量存在較大差異[28]，且均明顯大于泡沫混凝土的彈性模量[29]，而CSLA與SFCP制備的泡沫混凝土抗壓強度相近，故泡沫混凝土抗壓強度降低主要由輕質骨料在泡沫混凝土中引入的內部缺陷決定。骨料與基體之間存在明顯的界面缺陷，這與文獻[30]結果一致，且骨料周圍的基體中也存在明顯的缺陷，這是由于干燥狀態的輕質骨料在水泥基體中會經歷吸水及釋水等過程，這解釋了泡沫混凝土中摻入輕質骨料后強度降低的原因。采用X-CT測試摻入0%、20%及40%CSLA的泡沫混凝土的孔分布，如圖8、圖9所示。CSLA摻量分別為0%、20%及40%時，泡沫混凝土孔徑在0～600 μm的孔分別占總量的34.0%、29.6%及27.3%。CSLA摻入后，0～600 μm的小孔數量明顯減小，相應的大孔數量明顯增多。骨料吸水及釋水會在基體中遺留孔隙，且骨料摻入會引入界面缺陷[31-33]，使泡沫混凝土中大于1 000 μm的大孔數量明顯增多。

圖7 CSLA泡沫混凝土的微結構及EDS能譜Fig.7 Microstructure and EDS spectrum of CSLA foamed concrete

圖8 CSLA泡沫混凝土的X-CT二維圖Fig.8 2D images of CSLA foamed concrete obtained by X-CT

圖9 CSLA泡沫混凝土孔徑分布Fig.9 Pore size distribution of CSLA foamed concrete

2.3 輕質骨料內養護機制

2.3.1 泡沫混凝土內部濕度

干燥狀態的輕質骨料對泡沫混凝土內部濕度的影響如圖10所示。干燥狀態的輕質骨料能夠預吸收泡沫混凝土體系中的水分，隨著水泥水化的進行，水分逐漸被釋放，此過程延緩了泡沫混凝土的內部干燥，使泡沫混凝土的內部濕度保持在較高水平。相比于SFCP，CSLA對泡沫混凝土內部濕度的延緩效果更好，這解釋了CSLA比SFCP對泡沫混凝土干燥收縮改善效果更好的原因。

圖10 輕質骨料對泡沫混凝土內部濕度的影響Fig.10 Effect of lightweight aggregate on internal humidity of foamed concrete

2.3.2 不同濕度條件下飽和吸水輕質骨料含水率

在干燥過程中輕質骨料的釋水可通過飽和吸水的輕質骨料在不同濕度條件下的含水率來表征。就輕質骨料的內養護而言，輕質骨料內部吸收的水在濕度降低時會及時釋放。

分別采用磷酸氫二鈉、氯化銨、溴化鈉、碳酸鉀與醋酸鉀飽和鹽溶液將密閉環境濕度分別調節為98%、79%、58%、42%和20%，飽和吸水的輕質骨料在不同濕度條件下的含水率如圖11所示。由圖可知，在濕度降低時，CSLA和SFCP均可釋水。在相同濕度條件下，CSLA的含水率更低，表明其釋水量更大，內養護潛力更好，這解釋了CSLA比SFCP對泡沫混凝土內部濕度延緩效果更好的原因。

圖11 輕質骨料在不同濕度條件下的含水率Fig.11 Water content of lightweight aggregate at different humidity conditions

2.3.3 輕質骨料孔分布壓汞測試結果

通過多周期MIP技術測得的CSLA和SFCP的孔隙率分別為42.65%和27.58%，累計孔體積如圖12所示。由圖可知，CSLA的孔隙率明顯高于SFCP。由于CSLA二次進汞量非常少，大部分的孔形成墨水瓶孔。Lura等[14]研究表明，多孔骨料中具有內養護效果的特征孔徑為大于100 nm的墨水瓶孔。而CSLA含有大量100～3 000 nm的墨水瓶孔，表明CSLA具有優異的內養護效果。盡管SFCP具有較高的孔隙率，但其絕大部分孔的孔徑小于100 nm，內養護效果相對較差，這解釋了CSLA內養護效果優于SFCP的原因。

圖12 輕質骨料累計孔體積Fig.12 Cumulative pore volume of lightweight aggregate

3 結 論

(1)干燥狀態的輕質骨料能夠調節泡沫混凝土的內部濕度，約束基體的變形，使泡沫混凝土的干燥收縮最大降低約36.5%。

(2)干燥狀態的輕質骨料會在泡沫混凝土中經歷吸水及釋水過程，從而在基體中引入缺陷，且輕質骨料會在泡沫混凝土中引入界面缺陷，導致其抗壓強度降低。

(3)干燥狀態的輕質骨料的摻入使泡沫混凝土小孔數量減少，大于1 000 μm的大孔數量明顯增多。

(4)輕質骨料中大于100 nm的墨水瓶孔是內養護效果的控制因素，大于100 nm的墨水瓶孔數量越多，輕質骨料釋水能力越強，內養護效果越好，其制備的泡沫混凝土干燥收縮越小。