泡沫混凝土干密度试验研究.pdf

2 0 1 2 年 第 6 期 (总 第 2 7 2 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 O 1 2 ( T o t a l No 2 7 2) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRE TI CAL RE S EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 6 0 0 1 泡沫混凝土干密度试验研究 马保国，赵志广，蹇守卫，苏雷，刘敏 ( 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 试验制备了以硫铝酸盐水泥为基础的泡沫混凝土， 用光学数字显微镜和图像分析软件( I m a g e P r o p l u s 6 O ) 计算孔径， 并测定了孔 隙率， 研究了水胶比、 发泡剂掺量及搅拌时间对试样性能的影响， 重点采用正交试验分析了3 个因素对干密度的影响。 结果表明： 3 个因素 对干密度的影响程度大小顺序为： 发泡剂掺量 搅拌时间水胶比； 较好的组合是 A 3 B 3 C 3 ， 试块干密度为2 2 1 k g m 抗压强度为0 2 3 M P a 、 吸水率为 2 8 ； 干密度随着孔径的增大而降低， 而孔隙率却恰恰相反； 干密度与孔隙率之间呈线性关系， 即p 0 = 2 3 1 7 - 2 3 P ， 随孔隙率的增大 而降低 。 关键词： 泡沫混凝土；正交试验 ；干密度 ； 孔径；孔隙率 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 0 1 0 3 E xp er i men t a l s t u dy on dr y den s i t y of f oame d c onc r e t e Ba o- g u o， Z HAOZh i g u a n g， J I AN S h o u - we i ， SULe i ， LI UMi n ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f S i l i c a t eMa t e r i a l s f o r A r c h i t e c t u r e s ， Wu h a nUn i v e r s i t yo f T e c l mo l o g y ， Wu h a n4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) A bs t r a c t ： F o a me d c o n c r e t e Wa S p r e p a r e d b a s e d o n s u l f u r a himi n a t e c e me n t ， o p t i c a l d i g i t a l mi c r o s c o p y a n d i ma g e a n a l y s i s s o R ware( I ma g e - P r o p l u s 6 0 ) Was u s e d t o c a l c u l a t e t h e p o r e s i z e ， p o r o s i ty wa s me asu r e d ， i t res e a r c h e d t h e in fl u e n c e o f wa t e r - c e me n t r a t ， p r o p o r t i o n o f f o a mi n g a - g e n t andmi x i n gt i me o np r o p e r t i e s andp u t e mp h asi s o n a n a l y z i n gthe i r i n fl u e n c e o nd r yd e n s i tywi mo r t h o g o n a l t e s t T h eres u l t s s h o wtha t the o r - d e r o f the i r i n fl u e n c e t h e e e nt o f t h e d r y d en s i ty： p r o p o r t i o n o f f o a mi n g a g en t mi x i n g t i me wa t e r - c e me n t r a t i o ； b e t t e r c o mp o s i t i o n o f the t e s t i s A3 B 3 C 3 ， d r yd e n s i ty i s 2 2 1 k g m3 c o mp r e s s i v e s t r e n g t hi s 0 2 3 MrP a ， wa t e r a b s o r p t i o ni s 2 8 ； d r yd en s i ty d e c r e a s e s wi th the i n c rea s eo f p o re s i z e， a n dp o r e r a t e o nthe c o n t r a r y ， the re i s l i n e a r rel a t i o n s h i p( p o = 2 3 1 7 - 2 3 P) b e t we en d r yd ens i t ya n d p o r o s i t y， d r yd e n s i tyd e c r e a s e s wi ththe i n c r e a s e o f po r o s i t y r e d u c t i o n K e y wo r d s ： f o a mi n g c o n c r e t e ； o r t h o g o n a l t e s t ； d r y d e n s i ty； p o r e s i z e ； p o r o s i t y 0 引言 建筑节能是缓解能源紧张的一项重要举措， 泡沫混凝土作 为一种安全 、 有效的建筑节能材料具有质轻、 保温性能好、 施工 简单 、 耐火性、 隔音性和抗震性优良等优点， 近几年得到快速发 展， 并广泛应用。 泡沫混凝土是采用发泡剂通过机械方法制出气 泡( 预发泡) ， 再将泡沫加入胶凝材料浆体中， 或直接将发泡剂 引入胶凝材料浆体， 搅拌制成泡沫料浆 ， 然后成型或现浇 ， 经养 护所形成的多孔轻质材料 1 - 4 。 干密度是泡沫混凝土的重要性能 指标， 也是决定其应用的关键因素， 多孔性材料的密度必然与 孔隙率和孔径有关， 但有关这方面的研究报道较少。 1 原材料与试验方法 1 1 原材料 水泥： 湖北华新水泥厂生产的低碱度 4 2 5 R级硫铝酸盐水泥。 硅灰： 选用挪威埃肯公司生产的中密质硅灰， 其平均粒径 为 O 1 5 ix m， 比表面积为 2 3 x 1 0 4 mZ k g ， 密度为 2 2 6 g c m3 。 早强剂： 九水硅酸钠， 国药集团化学试剂有限公司。 发泡剂： 自制 K C 1 6系列蛋白类复配发泡剂。 水 ： 自来水。 1 2试 验 方 法 按设定的配合 比， 先将水泥、 硅灰、 水等预搅拌 1 mi n至均 匀， 再加入发泡剂搅拌至规定的时间， 制成均匀流态泡沫料浆， 浇 筑成 7 0 7 mm x 7 0 7 mmx 7 0 , 7 n L r n试块， 每个配合比成型 6 块试件。 试件在( 2 O 3 ) ， 相对湿度大于 9 0 * 0 的条件下养护 3 d 后脱模 ， 在( 2 0 2 ) ， 相对湿度大于 9 0 的养护室内养护至2 8 d 龄期。 参照 J C T 2 6 6 2 O l I 泡沫混凝土 中干密度的规定测试 试样的干密度、 抗压强度、 吸水率； 将干密度测试完的试块参照 G B T2 0 8 - - - 1 9 9 4 测试样品的真密度P ， 根据干密度P 。 计 事 孔隙率P o ) = ( p _ p 0 ) x 1 0 0 ( p ) ( 1 ) 孔径的测定 ： 取 9组试样的中各一块用于孔径的测定 ， 将 试块从浇筑面至底面剖开， 如图 1 所示， 用 HI R OX公司生产的 K H 7 7 0 0光学数字显微镜 5 0 、 1 0 0倍的镜头直接观察并照相， 分别在 A、 B两个剖面处均匀地各取 5 个点， 每个试样测定 1 0个 点并拍照用于孔径分析。 用 P h o t o s h o p图像处理软件对照片进 行黑自二值化处理， 图2是其中2个泡沫混凝土试样的显微照 片和二值化图像的示例， 用 I ma g e - P r o p l u s 6 0 图像分析软件对 二值化图像进行分析， 利用 m e a s u r o 功能计算孔的 F e r e t 值， 将其 收稿 日期 ：2 O l 1 - 1 2 1 0 基金项目：国家“ 十二五” 科技支撑计划( 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资助( 2 0 1 1 - Y B 0 3 ) 表 3干密度正 交试验结果方差分析 2 1 3 优化试验 根据极差分析结果可以看出， A， 、 B ， 、 C ， 分别为 A、 B、 C因素 的优水平， 则A C 为本试验的最优水平组合， 即水胶比为 0 5 ， 发泡剂掺量为 9 ， 搅拌时间为 7 mi n ， 试块的干密度为 2 2 1 k g m 、 抗压强度为 0 2 3 MP a 、 吸水率为 2 8 。 因为干密度太小， 则强度 很低， 考虑到泡沫混凝土的耐久性和施工性对强度的要求， 所以 此最优组合可以满足要求。 2 2 影响 因素水平分析与讨论 根据表 3中试样干密度的结果作干密度随水胶比、 发泡剂掺 量和搅拌时间变化曲线， 如图 3 所示。 由图3可以看出随着水胶比 的增大， 泡沫混凝土的干密度逐渐降低， 这是由于其他参数一 定时， 水泥颗粒的分散及水化所需用水基本一定， 水胶比的增大一 方面可以降低浆体的稠度， 降低发泡所需要克服的功； 另一方面可 以保证发泡剂发泡所需的用水 ， 增大泡沫产生量 ； 发泡剂掺量 在 5 - 7 之间时， 干密度急剧降低， 掺量 7 时逐渐降低， 当掺 暑 、 趟 柱 吕 、 曲 、 稍 H _ 发泡 剂掺 量 ， (b ) 搅拌时间 mi n ( c ) 图 3 干密度随影响因素 的变化 量为 9 时， 泡沫混凝土的干密度2 2 1 k g m3 o 发泡剂加入量越大， 产生的泡沫量越大， 混凝土的气孔率相应的增大， 干密度会降低； 随着搅拌时间的延长， 泡沫混凝土的干密度逐渐降低， 这是因为本 试验中通过搅拌引入空气是发泡剂产生泡沫的必要条件之一， 搅 拌时间的合理延长有利于引入适量的气体， 增大泡沫量。 尽管干密度随水胶比、 发泡剂掺量和搅拌时间都会降低 ， 但 降低的幅度却不同， 说明对于密度的影响程度不同。 2 3 千密度与孔隙率、 孔径的关 系分析与讨论 泡沫混凝土的干密度、 孔隙率及孑 L 径之间的关系如图 4 所 示。 可以看出随着孔径的增大， 孔隙率逐渐增大， 孔径 1 2 0仙 m时， 孔隙率和干 密度随着孔径增大而变化的趋势变缓 ， 值得注意的是孔径在 1 2 0 左右时， 孔隙率在 8 5 茔右， 此时干密度为 3 5 0 k m3 左右。 鼍 髓 招 H - 量 芒 越 档 H - 孔 径 I m ( c ) 图 4 孔隙率、 孔径和干密度之间的关系 发泡剂经搅拌在浆体中形成微小气泡 ， 气泡经气一 液、 气一 液一 固、 气一 固界面 3个转变过程 ， 最终随着浆体的硬化雨成为 混凝土中的气孔 ， 孔径的大小直接反应了浆体中气泡的大小【 l】 。 当浆体的密度较大时， 气泡的液膜中的液体密度增大 ， 表面张 力越大， 气泡形成时克服阻力所做的功越大 ， 气泡越小， 所以孔 径越小 ， 孔隙率也会降低 ， 干密度相应的增大， 反之干密度降低。 下转第 6页 3 O 0 O O 0 O 0 O 0 O 0 0 加 如 一 g， 暑 邑、 船 如 如 如 如 如 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 0 O O 0 O O 0 0 0 O 0 砌 如 表 4 不 同应变速率下混凝土的弹性模量 兰 ：1 0 + 0 0 5 3 8 l g 三 d _I R Z = 0 9 4 9 8 ( 3 ) E o 8O 式中： 日、 混凝土的动态和准静态抗拉弹性模量， MP a ； 、 混凝土动态和准静态应变速率， 8 。 2 4 应变速率对混凝土的泊松比的影响 计算分析混凝土的动态抗拉试验数据， 得出不同应变速率 下混凝土的泊松比， 见表 5 。 表 5 不 同应变速率下混凝土的泊松 比 从表 5的数据可知， 应变速率对混凝土的泊松比没有显 著的影响， 不同应变速率下， 混凝土的泊松 比介于 0 1 6 -4 ) 2 6 之间， 数据离散性较大。 平均值介于 0 1 9 - - 0 2 2之间。 可以选用 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2规定的 0 2 。 3结论 ( 1 ) 应变速率对混凝土的抗拉强度具有显著的影响， 混凝 土的抗拉强度会随着应变速率的增加而显著增大。 相对于准静态 抗拉强度( 应变速率为 l x l 0 - 5 s 时的抗拉强度) ， 应变率为 l x l 0 r 4 、 l x l 0 、 1 x l O Ws 时， 混凝土的抗拉强度分别提高了 8 7 、 1 4 7 、 2 1 0 。 ( 2 ) 应变速率对混凝土的抗拉峰值应变具有显著的影响， 相对于准静态峰值应变， 当应变速率分别为 l x l 0 -4 、 l x l 、 l x l 0 s 上接第 3页 由图4 可看出， 孔隙率与干密度之间呈线性关系， 利用 o r i g i n 进行线性拟合可知二者的关系为： p o = 2 3 1 7 2 3 P， 且 R_Z = 0 9 9 8 7 ， 说明孔隙率与干密度之间存在很好的线性相关性 ， 因此也可以 得出， 本试验研究的 3 个因素对孔隙率的影响大小顺序为与干 密度相同， 即： 发泡剂掺量 搅拌时间 水胶比。 3结论 ( 1 ) 正交试验结果显示， 3个因素对干密度的影响程度大小 顺序为： 发泡剂掺量 搅拌时间 水胶比。 ( 2 ) 本试验较好的组合是A3 B 3 C 3 ， 试块的干密度为2 2 1 k g ms 、 抗压强度为 0 2 3 MP a 、 吸水率为 2 8 。 ( 3 ) 密度随着孔径的增大而降低， 而孔隙率却恰恰相反； 干 密度与孔隙率之间呈线性关系， 即p o = 2 3 1 7 2 3 P ， 随孔隙率的增 大而降低。 参考文献 ： 1 】闰振甲， 何艳君泡沫混凝土实用生产技术【 M 】 E 京： 化学工业出版 6 时， 混凝土的峰值应变分别提高了 7 6 、 1 6 5 、 2 7 4 。 ( 3 ) 混凝土的弹性模量随应变速率的增大而增大， 相对于应 变速率为 l x l s 时的弹性模量值 ， 当应变速率为 l x l 0 r 4 、 l x l 0 r 3 、 l x l O Ws 时， 混凝土的弹性模量分别提高了4 5 、 9 3 、 1 7 4 。 ( 4 ) 应变速率对混凝土的泊松比没有明显的规律性影响。 ( 5 ) 混凝土的抗拉强度 、 峰值应变、 弹性模量与应变率之间 的相关关系。 可分别用式( 1 ) ( 3 ) 表示。 参考文献： 【 l 】I 尚仁杰 混凝土动态本构行为研究【 D 】 大连： 大连理工大学 ， 1 9 9 4 2 肖诗云， 林皋， 王哲。 等应变率对混凝土抗拉特性影响【 J 】 大连理工 大学学报， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 6 ) ： 7 2 1 7 2 5 【 3 】闫东明， 林皋， 王哲， 等不同应变速率下混凝土直接拉1 申 试验研究叨 土木工程学报， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 6 ) ： 9 7 1 0 3 【4 】A H MAD S H， S HA H S P B e h a v i 0 r o f h o o p c o n fi n e d c o n c r e t e u n d e r h i g h s t r a i n r a t e s J A C I J ， 1 9 8 5 ， 8 2 ( 5 ) ： 6 3 4 6 4 7 5 】P A U L F M， KE N P V， RO B E R T A C D y n a mi c t e n s i l e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r of c o n c r e t e J A C I J o u rna l ， 1 9 8 5 ， 8 2 ( 4 ) ： 4 8 4 - 4 9 1 【 6 D A VI D E L， R O S S C A s t T a l n r a t e e ff e c t s o n d y n am i c f r a c t u r e a n d s t r e n g t h J J n t e ma t i o n a l J o u r n a l o f I m p a c t E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0( 2 4 ) ： 9 8 5 9 9 8 【 7 】R O S S C A， D A VI D M J ， J OS E P H W T ， e t a1Mo i s t u r e a n d s t r a i n r a t e e ff e - c t s o n c o n c r e t e s t r e n gt h J AC I Ma t e r i als J o u ma l ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 3 ) ： 2 9 3 3 0 0 【 8 】 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 北京： 中国建筑工业 出版社。 2 0 0 2 【 9 1 D L 5 0 7 3 -2 0 0 0 ， 水工建筑物抗震设计规范【 s 】 北京 ： 中国电力出 版社 ， 2 0 0 1 【 1 0 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准【 s 】 ， 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 孙吉书( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 副教授， 博士生， 主要从事建筑材料、 结构工程方面的教学与科研工作。 天津市北辰区双口镇西平道 5 3 4 0 号 河北工业大学土木 工程学院( 3 0 0 4 0 1 ) 1 3 8 2 01 6 7 5 5 9 社 ， 2 0 0 6 【 2 】方永浩， 王锐， 等水泥一 粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的 关系【 J 1 硅酸盐学报， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 4 ) ： 6 2 1 6 2 5 3 】3 K E AR S L E Y A E P， WAI N WRI GH T P J T h e e f f e c t of p o r o s i t y o n t h e s t ren gth o f f o am e d c 0 n e r e t e C e m e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 3 ) ： 2 3 3 - 2 3 9 【 4 】 A K T H A T F K ， E V A N S J R G H i g h p o r o s i t y ( 9 0 ) c e m e n t i t i o u s f o a m C e m e n t a n d C o n c re t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 4 0 ) ： 3 5 2 3 5 8 【 5 李龙珠， 夏勇涛 ， 等 泡沫混凝土的正交试验研究 J 】 硅酸盐通报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 4 9 7 1 4 8 0 ， 【 6 】 李龙珠， 唐惠东， 等 利用正交试验法研究泡沫混凝土制备工艺对其 强度的影响 J 】 混凝土， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 2 3 2 5 作者简介： 马保国( 1 9 5 7 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师。 联系地址： 武汉理工大学材料学院( 4 3 0 0 7 0 ) 联 系电话 ： 0 2 7 8 7 1 6 0 9 5 1