泡沫混凝土是按照特定的配合比制備膠凝材料漿體,同時將發泡劑溶液用特定設備(如高壓發泡機)制備成泡沫,再加入制備好的膠凝材料漿體中,經攪拌、澆筑、養護而成的一種輕質多孔建筑材料 ,其區別于普通混凝土大的特點就是孔隙結構發達。泡沫混凝土性能受到漿體的性質和氣孔的構造的影響。從宏觀上看,水泥、水、外加劑、發泡劑等基體材料的特性都影響著泡沫混凝土的性能(如抗壓強度、導熱系數等) 。從細觀上看,結構決定性能,泡沫混凝土宏觀性能歸根結底是由其內部結構所決定,孔結構通過孔結構參數(如孔隙率、平均孔徑等)表達 ,故研究孔結構形成原理及孔結構參數的測定方法是研究細觀結構與宏觀性能關系的必經途徑。
1 孔結構形成原理及測定方法
1. 1 孔結構形成原理
氣孔結構是泡沫混凝土的重要結構,這種結構是由泡沫混凝土中的泡沫形成的,在攪拌完成后,泡沫經過一系列反應后形成孔結構。膠凝材料在水化過程中會附著在泡沫的表層,從而在氣泡周圍形成外膜層;此時原來雙相結構的氣泡就轉變成三相結構;同時水化過程的化學產物會將外膜層水分子之間的空隙填滿,這些填補空隙的產物對氣泡起到了加固作用,使強度得到增強�；炷了饔卯a生的熱量會不斷的蒸發膜層當中的水分,同時水分也是水化過程所需要的反應物,所以在水化過程中孔結構中的水分會變得越來越少直至消耗完全;在水分消失的過程中,原本的液膜就會被水化產物慢慢取代形成一層包裹氣體的薄膜凝膠層。水化反應會不斷充實這一凝膠層,促進氣孔結構在混凝土內部的形成,并在反應結束后形成完整的孔結構。
1. 2 孔結構參數測定方法
常見的孔結構參數包括孔隙率、平均孔徑、孔徑分布、圓度值等�？紫堵适侵覆牧蟽炔靠紫扼w積占材料總體積的百分率,孔隙率整體反應了內部孔隙的多少,側面反應了材料的密實度。平均孔 徑 是 指 平 均 直 徑, 國 內 外 主 要 采 用Soroushian 提出的公式進行計算：
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式中: AAV 為單位面積內氣孔的面積;NAV 為單位面積內氣孔的數量�？讖椒植�( pore size distribution)是指材料中存在的各級孔徑按數量或體積計算的百分率,孔徑分布反應了孔的分布情況以及孔的均勻情況。目前對于圓度值的概念還沒有統一的說法,主要有四種:
1)指包容同一橫剖面實際輪廓且半徑差為最小的兩同心圓間的半徑之差,圓度越接近 0 則形狀越接近圓,此說法多用于地質學。
2)在規定方向上孔兩個極值之比 ,圓度值越接近 1,形狀越接近圓。
3)指橫截面接近理論圓的程度。圓度值(R)的取值范圍為 0 ~ 1,數值越接近于 1,表示截面的形狀越接近于理論圓。泡沫混凝土孔隙截面的圓度值,可以在一定程度上表示其孔隙在形狀上接近于球體的程度。
R =4A/πL2 (2)
式中: A 為每個氣孔的面積;L 為每個氣孔的最長半徑。
4)指一個形狀因子 S,表征氣孔變形程度的參數,值為 1 時為球形,值越高越偏離球形[14] :
S = P2/4πA (3)
式中: A 為每個氣孔的面積;P 為氣孔投影周長�？捉Y構參數的測定通常采用壓汞法或真空飽和法;在泡沫混凝土中,也經常采用圖像處理法測定孔隙率、平均孔徑等孔結構參數 ,也有一些研究者采用質量 - 體積直接計算法獲得孔隙率。目前,沒有一種方法能準確測定出孔結構參數,在實際應用中,要根據實際情況選取測定方法。壓汞法即通過施加壓力使汞能流入泡沫混凝土的孔結構中,再通過處理得到孔結構參數。經典的瓦什伯恩 Washbur 方程[20] 表示壓力越大汞能被壓入的孔徑就越小,即只要增加施加的壓力,汞就會流入泡沫混凝土中半徑更小的孔。通過測定壓力和汞的體積變化量,通過數學模型得到孔隙率、孔徑大小和孔徑分布等參數。壓汞法的優點為原理簡單、操作方便、測試范圍寬 ( 一般可測量孔直徑范圍為3 nm ~ 360um),廣泛應用于測定多孔材料中的中孔結構;但其存在的缺陷為:試驗所需的樣品尺寸較小,不能很好地反映混凝土的孔結構;且根據其原理可知,使用壓汞法不能檢測出混凝土內部的閉合孔,不能真實地反映混凝土孔結構。質量-體積直接計算法則是利用孔隙率的定義測定的。先用排水法或李氏瓶法測出基料固體的密度,再通過密度體積轉換關系算出孔隙率。質量-體積直接計算法工作量大,時間花費長,且只能得到孔隙率一個孔隙參數,要獲取其它參數還需采用其它方法。
圖像處理法即通過拍照、電鏡掃描(SEM)、X 射線計算機斷層掃描等方法獲取混凝土截面的圖像,利用圖像處理軟件對數字化的圖像信息進行處理,并對獲取的結果進行統計計算,得到試驗樣品的孔結構參數 。圖像法可以得到孔隙率、孔徑分布和氣泡間距系數等孔結構參數,但使用該方法只能獲取平面參數,想要獲取三維參數還需要進一步轉化。圖像處理法較之壓汞法和真空飽和法,操作簡便且數據具有代表性,不受孔徑限制,是目前測定泡沫混凝土孔結構常用的方法。
2 泡沫混凝土細觀結構與宏觀性能關系
目前,國內外對泡沫混凝土基體材料改良的研究比較多,對泡沫混凝土的孔結構研究較少。從根本上說,氣孔結構是泡沫混凝土細觀結構中最重要的研究內容,它決定了泡沫混凝土的受力形式以及能量的傳導方式,從而影響泡沫混凝土的性能如強度、吸水率、導熱系數和耐久性等。
2. 1 孔隙率對宏觀性能的影響
最近幾年,很多學者都希望通過數值方法來尋找孔隙 參 數 與 材 料 特 性 之 間 的 相 互 影 響 規 律。Kearsley 等在研究孔隙率和泡沫混凝土性能的關
系中發現,隨著孔隙率的增大,泡沫混凝土抗壓強度也隨之降低,這說明泡沫混凝土的強度與孔隙率之間存在著內在的一些規律。Thang 等還用離散元法(DEM)擬合出泡沫混凝土的抗壓強度和孔隙率之間的非線性關系。
圖 1 是 Kearsley、朱明、劉軍等研究者關于孔隙率對抗壓強度影響的比較,從圖中可以看出,抗壓強度呈現隨著孔隙率增大而減小的趨勢,這是由于孔隙率增大,泡沫混凝土的密度減小,抗壓強度下降;Kearsley 曲線斜率明顯偏大, 最 大 可 達 到 38MPa,孔隙率從 42%上升到 59%時,抗壓強度下降了78. 9%,可見孔隙率對抗壓強度影響是非常大的,主要原因是 Kearsley 實驗中測的是 365 d 強度,泡沫混凝土密度都在 1 000 ~ 1 500 kg / m3,密度跨度范圍也較大,但整體趨勢與其它研究者結論相近,朱明、劉軍曲線測的都是 28 d 抗壓強度,其密度接近,在800 kg / m3 左右,抗壓強度最大可達到 3. 82 MPa,孔隙率從 58. 4% 上升到 59. 5%,其抗壓強度下降了32. 5%。
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朱明等發現泡沫混凝土的導熱系數和抗壓強度隨著孔隙率的增大而降低,且降低趨勢明顯,孔隙率增加 20%時,導熱系數降低 41. 8%,且兩者之間有很大的指數相關性并得到了指數擬合方程:
k = 0. 848 4e -3. 136φ + 1. 151 5e -24. 35φ (4)
式中: k 為材料的導熱系數;φ 為材料孔隙率。郭曉鈞等發現隨著孔隙率的增加,泡沫混凝土的隔熱性能是在增強的,孔隙率從 55% 上升到70%,導熱系數下降了 51. 4%,可見孔隙率對導熱系數影響也是非常顯著的,但當孔隙率達到 70% 以上,其對導熱系數影響微小。圖 2 是兩人關于孔隙率對導熱系數影響的比較,從圖中可以看出,總體上導熱系數隨著孔隙率增大而減小,這是由于孔隙率增大,比表面積增大,吸附能力變強,導致導熱系數下降。
2. 2 平均孔徑及孔徑分布對宏觀性能的影響
目前,關于平均孔徑及孔徑分布對宏觀性能影響的研究較少,分析已有的研究也可得到一些規律。Nambiar 等學者對孔的形狀尺寸與性能之間的聯系進行了細致的研究,發現在排除孔隙率造成的影響時,孔徑越小強度越高。周順鄂等 結合多種孔特征因素,測試了不同密度時泡沫混凝土的導熱性能,在用多種模型分析所得試驗結果后,提出了一個基于泡沫混凝土的新型導熱系數方程式:
λ = 0. 848 4e -3. 136V + 0. 151 5e -24. 35V (5)
式中: λ 為材料的導熱系數;V 為材料的氣孔率。并發現孔隙率和其他孔尺寸特征不變時,其導熱系數是隨著孔徑減小而增大的�；诂F有研究,可以發現一個普遍的規律,平均孔徑越大,強度越小,保溫性能越差�？讖椒植几庇^體現孔徑的波動以及分散程度,劉軍等在研究泡沫混凝土抗壓強度與孔隙特征關系時發現當孔徑的分布越接近正態分布時,孔徑的分布就比較合理,170 ~ 410 μm 間
氣孔所占百分比越大時,強度提高越多,同時則泡沫混凝土抗壓強度還與最可幾孔徑(最可能出現的孔徑大小)相關,最可幾孔徑越小強度越大。
2. 3 孔的圓度值對宏觀性能的影響
圓度值表征了孔隙的形狀,孔的形狀越接近圓,對材料的性能越有利。目前對孔的圓度值研究較少。齊瑋建立了泡沫混凝土的抗壓強度、吸水率和導熱系數與孔結構參數的數學模型,隨著孔面積率的增大,泡沫混凝土的抗壓強度呈線性下降,孔面積率和平均孔徑對泡沫混凝土吸水率的影響并不顯著,最可幾孔徑和最可幾圓度對吸水率影響較大;而孔面積率對泡沫混凝土導熱系數有顯著的影響。劉軍等發現泡沫混凝土的抗壓強度隨著孔的最可幾圓度的減小而增大,當孔隙率為 69% ~ 71%時,圓度在 1. 15 ~ 1. 45 的孔所占的百分比越大時,對抗壓強度越有利,但整體來說圓度分布對強度的影響規律性并不明顯。泡沫混凝土性能是與整個細觀孔結構有關,不僅僅是與某個參數有聯系,在實際應用中要綜合考慮孔結構這一整體對泡沫混凝土性能的影響。
3 結束語
泡沫混凝土擁有多種優良性能,近年來被普遍運用,但在其理論研究和實際應用中依舊存在著一些問題。在目前所得成果里可以發現,孔隙率對泡沫混凝土性能的影響最大,其他因素的影響較小。雖然如今對于孔隙結構與泡沫混凝土的性能之間的關系的研究已經有了一定的進展,但大多數還是僅局限于單個因素對泡沫混凝土性能的影響,如何綜合考慮各因素對導熱系數以及抗壓強度等宏觀性能的影響,從而建立擬合程度很高的孔隙結構特征與導熱系數、孔隙結構特征與抗壓強度的數學模型是研究的難點,探索一種更能反映實際情況的模型正在研究當中。
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