泡沫混凝土孔結構對抗壓強度的影響研究

戴雨辰 ，高培偉 ，林輝 ，朱玉翔 ，吳春曉 ，耿飛 ，宿靜

（1.南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016；2.無錫市墻材革新和散裝水泥辦公室，江蘇 無錫 214001 3.山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

泡沫混凝土作為一種輕質、多孔材料，以其較低的密度、適宜的強度和出色的保溫吸聲性能被廣泛應用于道路回填、基礎墊層和建筑隔墻中[1-5]，這些特性主要由其內部的孔結構決定[6-8]。影響泡沫混凝土性能的因素很多，如外加劑、密度、孔隙率及摻合料等[9-10]，對泡沫混凝土強度的調控主要從泡沫混凝土孔結構及孔壁強度等方面進行[11-12]；對泡沫混凝土孔結構的影響因素主要有水膠比、外加劑及攪拌工藝等[13-15]。本文針對4種不同中密度泡沫混凝土（600～900 kg/m3），根據前期大量試驗優化配比制備同一密度等級下5種不同水膠比的泡沫混凝土試件，以水膠比為變量，研究平均孔徑、孔隙率及抗壓強度的變化規律，分析其相互作用關系，通過對同一級別泡沫混凝土孔隙率與抗壓強度關系進行擬合，建立其相互關系，為泡沫混凝土在實際工程中的應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥：P·Ⅱ42.5水泥，上海產，符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；粉煤灰：Ⅱ級，上海產，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求；發泡劑：FC-1型，自制，稀釋40倍時的發泡倍數為35.7，1 h沉降距為6.7 mm，1 h泌水率為15.7%；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑。

1.2 試驗方案及方法

為提高泡沫混凝土在實際工程應用中的經濟性以及可操作性，滿足結構填充材料的需要，在泡沫混凝土漿體中適當摻入一定量的非活性材料，通過控制單位體積泡沫混凝土原料的總質量，計算不同水膠比下各類原料的摻量，試件干密度及水膠比如表1所示。

表1 試件干密度及水膠比

在漿料完成拌和后，澆筑在邊長100 mm的立方體模具中振動成型；試件在室內養護（24±2）h后拆模，并在標準養護箱內養護28 d，測試抗壓強度。

泡沫混凝土孔隙率e直接采用質量-體積法測得，按式（1）計算：

式中：ρ——試件的干密度，kg/m3；

ρ0——試件的實密度，kg/m3。

將養護28 d后的泡沫混混凝土試件制成切片，通過supereyes電子顯微鏡采集孔隙圖片并用Image-J軟件進行分析，計算平均孔徑。

2 試驗結果與討論

2.1 水膠比對泡沫混凝土平均孔徑的影響

圖1是600～900級泡沫混凝土在不同水膠比下的平均孔徑。

圖1 水膠比對泡沫混凝土平均孔徑的影響

由圖1可見：隨水膠比的增大，不同密度等級泡沫混凝土的平均孔徑呈增大趨勢。水膠比為0.65時，600級泡沫混凝土的平均孔徑為354 μm，比水膠比為0.40時的平均孔徑302 μm增大了17.22%；700、800、900級泡沫混凝土在水膠比為0.40～0.65時的增幅分別為18.28%、19.30%和31.58%。水膠比為 0.50～0.60時，600、700、800、900 級泡沫混凝土平均孔徑的增長最為顯著。

隨著水膠比的增大，膠凝材料的粘結性能下降，對氣泡的包裹能力減弱，大量氣泡相互融合連通，平均孔徑呈現上升趨勢[13]，水膠比為0.50～0.60時表現最為明顯；進一步增大水膠比，氣泡受限于膠凝材料間的摩擦力，孔徑增長幅度相對減小。對于同一水膠比下不同密度等級的泡沫混凝土，平均孔徑隨密度等級的增大而呈現下降趨勢，這是由于隨著密度等級增加，膠凝材料在基質中的比重增大，氣泡穿越孔壁進行融合阻力增大，平均孔徑降低。

2.2 水膠比對泡沫混凝土孔隙率及抗壓強度的影響（見圖2）

圖2 水膠比對不同密度等級泡沫混凝孔隙率及抗壓強度的影響

由圖2可見：總體來說，在試驗范圍內泡沫混凝土孔隙率隨水膠比增大呈現下降趨勢，抗壓強度則呈現先上升后下降的趨勢。

（1）600級泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為70.5%和66.8%。這是由于隨水膠比增大，膠凝材料的粘聚性下降，氣泡之間相互融合合并減少了基質中氣泡的總體積；大量離子的流動使水泥等膠凝材料的水化反應更加充分，水化產物使孔壁厚度得到提高，填充了孔壁之間的間隙，使孔隙率呈現下降趨勢。圖2（a）中最小抗壓強度為0.70 MPa，最大抗壓強度為1.38 MPa，增長97.14%，水膠比超過0.55后，抗壓強度增長較為緩慢。

（2）700級泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為64.3%和59.8%，最大抗壓強度為1.71 MPa，此時對應水膠比為0.50，進一步增大水膠比，抗壓強度呈現下降趨勢。

（3）800級泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為58.8%和56.7%，最大抗壓強度為2.21 MPa，此時對應水膠比為0.55，進一步增大水膠比，抗壓強度下降至2.10 MPa。

（4）900級泡沫混凝土最大與最小孔隙率分別為54.0%和53.5%，最大抗壓強度為2.73 MPa，此時對應的水膠比為0.55，較水膠比為0.40的抗壓強度提高49.19%，變化趨勢與800級相近。

（5）抗壓強度在低水膠比時隨水膠比的增大呈上升趨勢，這是由于隨水膠比增大，孔隙率降低，膠凝材料水化反應加劇，抗壓強度及孔壁厚度得到提高；進一步增大水膠比，孔隙率雖降低，但孔徑的增大使氣孔在基質中分布不均勻，易出現應力集中現象，降低了泡沫混凝土整體的抗壓強度。600、700、800、900級泡沫混凝土在水膠比由0.40增至0.60時，孔隙率分別降低5.24%、6.99%、3.57%和0.93%，表明隨干密度的增大，泡沫混凝土孔隙率減小幅度逐步降低，這是由于基料密度增大使氣泡在基質內的遷移受阻，孔隙率的變化趨于穩定。因此水膠比的變化直接影響泡沫混凝土的孔結構，孔結構又作用于抗壓強度。

2.3 孔隙率與抗壓強度的相關性

根據不同孔隙率（x）下泡沫混凝土的抗壓強度（y）對其進行擬合，結果發現，600～900級泡沫混凝土回歸方程參數可以用二次函數式（2）表示：

孔隙率與抗壓強度擬合曲線見圖3，回歸方程參數見表2。

圖3 泡沫混凝土孔隙率與抗壓強度的擬合曲線

表2 泡沫混凝土孔隙率與抗壓強度回歸方程參數

由表2可見，二次回歸方程的相關系數較高，這表明泡沫混凝土孔隙率與抗壓強度間相關性較好，用二次函數擬合孔隙率與抗壓強度之間的關系有利于計算泡沫混凝土抗壓強度的峰值，確定最佳配比。

2.4 氣孔形態分析

圖4為600級泡沫混凝土在不同水膠比下的氣孔形貌。

圖4 600級泡沫混凝土氣孔形貌掃描照片

由圖4可見，在水膠比為0.50時，氣孔分布較為密集，相對孔徑較小、氣孔分布較為均勻，氣孔與氣孔間界限明顯，無明顯的合并趨勢；在水膠比為0.60時，泡沫混凝土氣孔的平均孔徑明顯增大，氣孔間界限較為模糊并有相互合并的趨勢，孔徑的分布相對不均勻，易產生應力集中現象。

3 結語

（1）水膠比增大，泡沫混凝土的平均孔徑呈增大趨勢、漿料內部氣泡總體減少，泡沫混凝土的孔隙率降低。

（2）在試驗范圍內，泡沫混凝土抗壓強度隨水膠比增大先提高后降低，這是由于孔徑的增大會產生應力集中效應，降低抗壓強度，也說明孔結構是決定泡沫混凝土抗壓強度的關鍵因素。

（3）泡沫混凝土的孔隙率與抗壓強度呈二次函數關系，且相關性較好，可用于推測抗壓強度峰值。

（4）通過分析泡沫混凝土微觀結構形貌發現，水膠比為0.50～0.55時的孔結構比較合理，抗壓強度也最高。

[1] 李文博.泡沫混凝土技術現狀及其發展動態分析[J].價值工程，2009，16（4）：97-99.

[2] Zuhua Zhang，John L，Andrew Reid.Mechanical，thermal insulation，thermal resistance and acoustic absorption properties of geopolymer foam concrete[J].Cement&Concrete Composites，2015，62：97-105.

[3] WangYC.Thermaland mechanicalpropertiesoflightweight foamed concrete at elevated temperatures[J].Magazine of Concrete Research，2012，64（3）：213-224.

[4] Abdul Munir，Abdullah.Utilization of palm oil fuel ash（POFA）in producing lightweight foamed concretefornon-structural building material[J].Science Direct，2015，125：739-746.

[5] 田雨澤，劉繼紅，胡軍一，等.現澆泡沫混凝土自保溫復合墻體的工程應用研究[J].新型建筑材料，2014（12）：23-26.

[6] 管文.孔結構對泡沫混凝土性能影響的研究[J].墻材革新與建筑節能，2014（4）：23-26.

[7] Gao Peiwei，LU Xiaolin.Microstructure and pore structure of concrete mixed with superfine phosphorous slag and superplasticizer[J].Construction and Building Materials，2008，22（5）：837-840.

[8] 耿飛，尹萬云，習雨同，等.泡沫混凝土孔結構的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2017，36（3）：526-532.

[9] TT Nguyen，HH Bui，TD Ngo，et al.Experimental and numerical investigation of influence of air-voids on the compressive behaviour of foamed concrete[J].Materials&Design，2017，130：103-119.

[10] Keun-Hyeok Yang，Kyung-Ho Lee.Tests on a Alkali-activated slag foamed concrete with various water-binder ratios and substitution levels of fly ash[J].Journal of Building Construction and Planning Research，2013（1）：8-14.

[11] Sun Yafei，Gao Peiwei.Thermal conductivity and mechanical properties of porous concrete materials[J].Material Letter，2017，209：349-352.

[12] 李森蘭，王建平，路長發，等.發泡劑與其泡沫混凝土抗壓強度的關系探析[J].混凝土，2009（11）：78-80.

[13] Zhong Weiliu，Kang Zhao，Chi Hu.Effect of water-cement ratio on pore structure and strength of foam concrete[J].Advances in Materials Science and Engineering，2016（5）：1-9.

[14] Sang G C，Zhu Y Y，Yang G，et al.Influence of water-cement ratio on property of light weight cement based foam material[J].JournalofMaterialsScienceand Engineering，2015（3）：339-342.

[15] 李相國，劉敏，馬保國.孔結構對泡沫混凝土性能的影響與控制技術[J].材料導報，2012，26（4）：141-145.