流态轻集料微孔混凝土的试验研究

收稿日期：2009-11-30；修订日期：2010-01-29基金项目：甘肃省科技重大专项关键技术子项（092GKDA037）第一作者：王洪镇（1967—），男，河北隆尧人，西北民族大学教授级高级工程师，硕士．E-mail ：lzhfkjwhz@126．com 文章编号：1007-9629（2011）02-0263-06流态轻集料微孔混凝土的试验研究王洪镇1，杨俊晓2（1．西北民族大学土木工程学院，甘肃兰州730124；2．兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050）摘要：利用复合快硬水泥、水渣等轻集料和高效微泡剂等外加剂，配制出了高性能的新型轻质混凝土；通过对原材料和混凝土的试验分析及与普通轻集料混凝土、泡沫混凝土的性能比较，结合微观机理的分析研究，阐述了该新型混凝土的性能特征．关键词：流态轻集料微孔混凝土；引气发泡剂；复合快硬水泥；轻集料混凝土；泡沫混凝土中图分类号：TU528．2文献标志码：Adoi ：10．3969/j．issn．1007-9629．2011．02．023Experimental Research of Fluid Lightweight Aggregate Micro Foam ConcreteWANG Hong-zhen 1，YANG Jun-xiao 2（1．School of Civil Engineering ，Northwest University for Nationalities ，Lanzhou 730124，China ；2．School of Civil Engineering ，Lanzhou University of Technology ，Lanzhou 730050，China ）Abstract ：The combined rapid hardening cement ，water quenched slag ，lightweight materials and efficient micro-bubble additive were used to prepare a new type of high-performance lightweight concrete．Through the analysis of the test results of raw materials and concrete and by comparison with ordinary light aggregate concrete and foam concrete performance ，with the aid of the analysis of the micro-mechanism studies ，the performance characteristics of the new type of concrete was elucidated．Key words ：fluid lightweight aggregate micro foam concrete ；efficient micro-bubble additive ；combined rapid hard-ening cement ；light aggregate concrete ；foam concrete 流态轻集料微孔混凝土是以快硬水泥为胶凝材料，以短纤维为增强材料，采用各种粗细天然或人造轻质骨料、水和外加剂体系制备成坍落度≥（20ʃ2）cm 的流态料浆并在料浆中引入直径小于1mm 的微小泡沫，经混合搅拌、浇注成型、自然或蒸汽养护而制成的一种轻质混凝土．这种混凝土与普通轻集料混凝土的主要区别在于其水泥石基体也是微孔结构；与普通泡沫混凝土的主要区别在于其具有轻集料骨架结构．因此，这种混凝土同时具有轻集料混凝土和泡沫混凝土的特点，其密度小、强度高、工作性和抗裂性好、热工性和耐久性卓越，是一种新品种混凝土．1流态轻集料微孔混凝土试验研究1．1原材料选用及试验（1）胶凝材料．流态轻集料微孔混凝土浆料是一种大水灰比的流态料自密实浆体，采用普通硅酸盐水泥时，其完全水化的理论水灰比为0．277左右，剩余的自由水量大，因而干缩较大；采用快硬硫铝酸盐水泥时，其完全水化的理论水灰比为0．447左右，剩余自由水较少，干缩小，同时该种水泥凝结快、早期强度高，有利微孔的稳定形成，故一般应选用快硬硫铝酸盐水泥．但由于该水泥抗碳化能力较差，表面易起粉，一般要与普通硅酸盐水泥和矿渣粉复配成快硬型复合水泥使用．本试验采用自主研发的HF 早强快硬复合水264建筑材料学报第14卷泥，已获国家发明专利（ZL200510096428．1）．HF-32．5型水泥的物理力学性能检测结果见表1，符合兰州海锋建材科技有限公司企业标准Q/HF01—2006《早强快硬复合水泥》的要求．表1HF-32．5型早强快硬复合水泥性能检测结果Table1Test results of HF-32．5early-strength and rapid hardening composite cementsCement typeSetting time/minInitial FinalInvariabilityFlexural strength/MPa1d3d28dCompressive strength/MPa1d3d28dHF-32．5cement2590Qualified4．05．55．828．735．343．2 Requirement ofQ/HF01—200625180Qualified≥4．0≥5．0≥5．5≥26．0≥32．5≥38．0（2）矿物掺和料．采用硅灰、粉煤灰、矿渣微粉可增强复合胶凝材料的安定性，从而提高轻集料微孔混凝土的耐久性．粉煤灰：采用兰州西固热电厂优质粉煤灰，满足GB1596—91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对Ⅱ级灰的要求．硅灰：采用西北铁合金厂产品，其主要化学成分见表2，密度2．2g/cm3，比表面积20000m2/kg，松散密度200 500kg/m3．硅灰的适宜掺量一般为水泥用量的8% 15%，过多或过少对混凝土强度和耐久性能的提高都不显著也不经济［1-2］．表2西铁硅灰的主要化学成分Table2Chemical composition（by mass）of silica fume%SiO2Al2O3Fe2O3Na2O TiO2CaO MgO IL88．070．370．681．380．010．582．742．73（3）轻集料．可选用天然轻砂、陶粒、高炉水渣、炉渣、废砖渣、废EPS破碎颗粒和膨胀珍珠岩配合使用．骨料为自然级配，并要求粒形好和级配合理．同时考虑用于生产节能墙材制品时的壁厚限制，应控制轻集料最大粒径小于10mm．在实际生产中，笔者采用钢厂粒化高炉水渣和废砖渣作为轻集料，并均取得了良好的效果．本次试验所采用的粒化高炉水渣轻集料由酒钢集团榆中钢厂提供．粒化高炉水渣轻集料的物理性能依照GB/T17431．1—1998《轻集料及其试验方法》并参照GB14684—2001《建筑用砂》的有关规定进行测定，结果见表3．试验结果表明：粒化高炉水渣轻集料符合粗砂轻集料级配要求，10mm以上颗粒较少，筒压强度高．表3粒化高炉水渣轻集料的物理性能检测结果Table3Physical properties of fine aggregateFineness modulus Dry bulk density/（kg·m－3）Absorption（by mass）/%Cylinder compressivestrength/MPaCumulative sieve size distribution（by mass）/%9．54．752．361．180．60．30．15Remain3．13115012．54．330．271．018．9739．5571．495．698．5899．54（4）外加剂系统．为形成均匀微孔结构和获得坍落度为（20ʃ2）cm的流态混凝土，使用高起泡稳泡性的引气发泡剂和高效减水剂，是获得高性能流态轻集料微孔混凝土的关键．这就要求外加剂体系针对流态轻集料微孔混凝土特点，具备高效减水促流、抗裂减缩、起泡稳泡和增强水泥石与集料黏结力的性能．工业化的生产工艺条件对轻集料微孔混凝土拌和物的流动性和稳定性都提出了非常高的要求．本文针对轻集料微孔混凝土易分层离析的特点，在使用市售FDN10高效减水剂的同时，采用了自主研发的流态轻集料微孔混凝土专用HFPM引气发泡剂．对不同引气发泡剂进行了起泡高度、气泡直径、气泡形态、消泡时间等性能的测试和观察．试验方法为：将引气发泡剂按要求制成待测溶液，在50mL玻璃量筒中倒入60mm高度的待测溶液，塞住塞子，用力上下摇动20次后，迅速测定其泡沫高度，并用秒表记录消泡时间．消泡时间应是细小气泡消失或转变为粗大且长时间不消的大气泡前的时间．试验结果见表4．（5）增强纤维．在轻集料微孔混凝土中掺加一定数量的纤维，形成三维网络结构，不仅可以起到增强、增韧的作用，而且还可以有效防止轻集料的上浮，提高混凝土的稳定性．因此掺加纤维能够有效控制轻集料的自由运动，从而减小混凝土的分层离析程度，改善混凝土的各项性能［3-4］．试验采用兰州海锋公司HFPP聚丙烯纤维和兰维公司聚丙烯睛纤维两种纤维．它们的物理力学性能见表5．选用的纤维经采用自行研制的高效分第2期王洪镇，等：流态轻集料微孔混凝土的试验研究265表4不同引气发泡剂的主要技术性能指标Table4Main technical performance indicators of micro-bubble agentItem HFPM-1（liquid）HFPM-2（powder）Beijing PM（liquid）Beijing PM（powder）America（liquid）Japan（powder）Foam height/mm18．618．615．711．216．817．5 Antifoamingtime/min464017153635 Foam diameter Minute Thin Thin Big Thin Thin 表5纤维的主要技术参数Table5Main technical parameters of fiberFiber Length/mmDiameter/μmDensity/（kg·m－3）Strength/MPaElasticmodulus/GPaPolypropylene（HFPP）1990．912763．793 PAN（Lan-PAN）6131．18＞91017．100散剂处理后，具有很好的分散性，可均匀分散于轻集料微孔混凝土中．1．2流态轻集料微孔混凝土性能试验为了比较流态轻集料微孔混凝土（H-1，H-2，H-3）与普通轻集料混凝土（P-1，P-2）、泡沫混凝土（F-1，F-2，F-3）的性能区别，控制混凝土干密度为600 1000kg/m3，按表6所示的配合比进行了混凝土物理力学性能的测试，结果见表7．高效减水剂FDN10的掺量为1．0%（质量分数）．试验结果表明：与无轻集料的纯微孔泡沫混凝土（F-1，F-2，F-3）相比，粒化高炉矿渣轻集料微孔混凝土（H-1，H-2，H-3）的抗压强度显著提高，干缩显著减小；与不引入微孔泡沫的纯轻集料混凝土（P-1，P-2）相比，粒化高炉矿渣轻集料微孔混凝土坍落度大，工作性能更好，在一定微孔泡沫量范围内其抗压强度提高、抗冻性增强、热工性能显著提高、具有更好的耐久性；引气剂用量过多对混凝土密度降低作用有限，并会显著降低其抗压强度，增加成本．故引气量应小于0．3m3/m3．表6混凝土配合比Table6Mix proportion of concreteNumberMix proportion/（kg·m－3）Cement Fiber Perlite SlagSilica fume（by mass）/%Fly ash（by mass）/%Micro-bubbleagent/（m3·m－3）mw/mbP-1400125500．60 P-2400124705100．65 H-14000．9125000．20．60 H-24000．9124205100．20．75 H-34000．9124205100．20．90 F-15500．9125450．30．60 F-25200．9125500．30．75 F-35200．9125500．30．90表7混凝土物理力学性能测试结果Table7Physical and mechanical properties of concreteNumberSlumpflow/cmCompressivestrength/MPa14d28dThermalconductivity/（W·m－1·K－1）Shrink rate/（mm·m－1）AntifreezeCyclenumberMassloss/%Relative dynamic modulusof the elasticity/%P-118．03．53．80．470．203003．8766．34 P-218．53．33．50．600．253003．8267．28 H-119．54．04．00．230．213002．7669．47 H-220．03．83．90．200．23H-321．02．93．00．180．25F-122．53．33．50．160．353003．0667．74 F-223．02．52．50．170．42F-324．02．32．30．140．451．3水胶比特性试验流态轻集料微孔混凝土表现出不同于普通混凝土的水胶比特性．流态轻集料微孔混凝土水胶比为0．60 0．90时，有效水灰比越高，混凝土强度越高．266建筑材料学报第14卷超过这一区间，有效水灰比越高，混凝土强度降低．原因可能是适宜的水灰比有利于流态轻集料微孔混凝土形成均匀密实的结构，而水灰比过大则易导致其泌水、离析、分层等．试验混凝土中泡沫用量为0．20m 3/m 3，胶凝材料总量为550kg /m 3，粉煤灰掺量为73kg /m 3，集料体积分数为0．40%，FDN10的掺量为1．0%，该种混凝土的水灰比与其抗压强度的关系见图1．图1流态轻集料微孔混凝土水灰比与抗压强度关系Fig．1Relationship between water-cement ratio andcompressive strength试验结果表明：流态轻集料微孔混凝土的抗压强度与水灰比（考虑轻集料自身吸水影响后）的关系受轻集料吸水性的影响，在一定范围内遵循水灰比法则规律，即有效水灰比越低，其强度越高，但不如普通混凝土变化幅度大．因此不应一味降低水灰比，以免影响混凝土的工作性能．1．4纤维对混凝土干缩性能的影响试样组成为胶凝材料450kg /m 3，粉煤灰掺量67．5kg /m 3，其他材料用量与H-2相同，在其中分别掺加了1kg /m 3的HFPP 和兰维聚丙烯晴纤维，与不掺纤维的混凝土进行干缩影响比较试验，结果见图2．图2纤维对流态轻集料微孔混凝土干缩性能的影响Fig．2Effect of fiber on fluid lightweight aggregatemicro foam concrete shrinkage由图2可见，掺加纤维能够显著降低轻集料微孔混凝土的收缩率，尤其是早期收缩率．但两种纤维对于降低轻集料微孔混凝土长期收缩的作用效果不同，其中，聚丙烯纤维弹性模量较小，对减小混凝土长期收缩的作用不明显，而高弹性模量的兰维聚丙烯晴纤维降低收缩的作用相当明显，其180d 干缩值降为200ˑ10－6．1．5轻集料微孔混凝土的热工特性研究轻集料微孔混凝土的最大特点是轻质并具有良好的热物理性能．微孔结构对混凝土热工性能的影响十分显著．在混凝土总孔隙率不变的条件下，只需改变微孔结构，就能降低其导热系数．研究表明，在密度相同的情况下，不同骨料品种、不同配比的轻集料微孔混凝土的导热系数可相差10%左右．如图3所示，密度均为700kg /m 3的轻集料微孔混凝土和普通加气混凝土，因前者为独立封闭的微孔结构且直径较后者细小很多，所以具有更好的热工性能．上述两者的导热系数测定值分别为：0．14，0．20W /（m ·K ）．图3密度相同的流态轻集料微孔混凝土和加气混凝土微孔结构对比Fig．3Micro-porous structure of fluid lightweight aggregate micro foam concrete and aerated concrete1．6生产工艺的影响生产工艺对流态轻集料微孔混凝土性能的影响十分显著，可采用空压制泡、无损伤调速搅拌和微震自流平浇注工艺来提高混凝土的微孔形成率和料浆均匀性，从而获得良好性能．2流态轻集料微孔混凝土的特性机理分析通过裂缝宽度测读仪观察（见图4）可知，引气发泡剂可以在流态轻集料微孔混凝土料浆硬化体内部引进相互独立的封闭微孔泡沫，降低混凝土的密度和导热系数；观察扫描电镜照片（见图5）可知，由于所用轻集料的自养护性可以降低集料周围浆体的水灰比，使轻集料与水泥石十分紧密地粘结在一起，从而提高了混凝土的强度．2．1微观孔机理研究分析裂缝宽度测读仪观察表明：流态轻集料微孔混第2期王洪镇，等：流态轻集料微孔混凝土的试验研究267图4流态轻集料微孔混凝土硬化体断面照片Fig．4Hardened cross-section photos of fluid lightweight aggregate micro foam concrete凝土硬化体中存在两种孔系统，一是轻质骨料自身中大小不一，不均匀且连通程度不同的结构气孔，它视轻骨料种类不同而定，表现为轻骨料对混凝土性能的影响；二是在水泥石基体中的微孔系统，它是由泡沫剂引入所产生的直径为0．1 1mm的相互独立的圆形气孔，由于该微孔系统的存在取代了普通轻集料混凝土水泥石中因混凝土和易性差、难成型密实而存在的直径较大且形状不规则的孔，从而改善了水泥石的结构，提高了混凝土的流动性、和易性、可泵性，减少了拌和物的离析和泌水．研究发现微孔孔形、孔径和数量是影响混凝土性能的主要因素．与普通轻集料混凝土相比，引入占混凝土体积10% 15%的微孔时，混凝土各项性能均得到改善；引入占混凝土体积15% 20%的微孔时，虽然混凝土空隙率增加较多，但孔型圆滑受力均匀，孔径多分布在0．2 0．3mm，混凝土强度仍有可能有所增加，原因是：长期以来一直认为的引气就一定降低混凝土强度的观点并不全面，轻集料混凝土的表现更加不同常规；引入微孔超过20%后，由于混凝土空隙率过大，其力学性能显著下降．另外微孔的存在还可阻断混凝土中的毛细孔渗透通道，舒缓冻涨应力，提高混凝土的抗渗性、抗冻性．2．2扫描电镜微观机理研究分析通过JSM-6700F扫描电子显微镜观测分析了流态轻集料微孔混凝土微观结构，如图5所示．从图5可见：混凝土料浆硬化体疏松多孔，轻集料与水泥石十分紧密地粘结在一起．轻集料与水泥石在结构上有非常大的区别，轻集料含有许多孔，其孔径明显比水泥石中孔隙的尺度大，结构较水泥石疏松，所以这两者很易区分．由于矿渣表面粗糙不平，水化产物填充在其中的孔洞或凹陷之处，能够减少轻集料在受力过程中的应力集中现象，有效改善轻集料的受力方式，因此良好的界面结构是轻集料微孔混凝土各种优异宏观性能的内在原因．图5（a）显示的试样界面水泥石结构非常密实，与轻集料紧密地粘结在一起．通过界面增强效应，在轻集料表面形成的高强水泥石能够提高轻集料自身的强度，进而改善混凝土的各方面性能［5-7］．图5界面区水化产物形貌Fig．5Interfacial region morphology of hydration products从图5（b），（c）可看出：界面区水泥浆体水化很充分，絮团状和球粒状的为C-S-H凝胶，由C-S-H凝胶所包裹的集料颗粒能相互吸引，构成空间网架，是决定强度的一个重要因素；薄板和薄片状的为Ca （OH）2，结晶良好，为三方晶系，常呈六方板状自形晶，Ca（OH）2的特点是只在集料颗粒间为水所充填的现有空间生长，为充填空间起着重要作用，而对强度的提高贡献不大；细长针状、棒状的钙矾石晶体相互交织，可大大提高混凝土的强度．3结论流态轻集料微孔混凝土具有不同于普通轻集料混凝土和纯微孔泡沫混凝土的优良特性，与加气混凝土相比，其微孔直径小且为互不贯通的独立结构，热工性能更好．通过微孔的引入，极大地改善了轻集料混凝土的和易性，提高了其热工性能和抗冻耐久268建筑材料学报第14卷性．另一方面，由于增强纤维和合理级配的轻骨料的存在，亦提高了混凝土的强度，减小了其收缩，使之更适合制造轻质保温节能墙材制品．参考文献：［1］TAZAWA E．Autogenous shrinkage of 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