吳亞飛,劉德仁,2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

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早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)分析

吳亞飛1,劉德仁1,2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

通過對(duì)濕密度分別為500 kg/m3、800 kg/m3、1000 kg/m3的輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土試樣進(jìn)行了室內(nèi)無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn),分析了氯化鈣和硫酸鈉兩種早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度的影響；借助光學(xué)顯微技術(shù)并通過圖像分析軟件,從微觀角度解釋了氯化鈣、硫酸鈉早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度形成的影響。結(jié)果表明：兩種早強(qiáng)劑均可使輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度有較大幅度提高,特別是3 d、7 d、14 d抗壓強(qiáng)度提高幅度分別至少在44.3%、25.4%和11.2%,但對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度提高不明顯；兩種早強(qiáng)劑均可使輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)顯著提高,硫酸鈉早強(qiáng)劑提高效果更為明顯。

早強(qiáng)劑； 輕質(zhì)泡沫混凝土； 抗壓強(qiáng)度； 微觀結(jié)構(gòu)； 養(yǎng)護(hù)齡期

1 引 言

輕質(zhì)泡沫混凝土作為土木工程領(lǐng)域近年開發(fā)的一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)土工材料[1],是在水泥、骨料、外摻料、改性劑和水等制成的漿料中摻入發(fā)泡劑,通過化學(xué)反應(yīng)生成氣體使?jié){料膨脹,經(jīng)硬化形成多孔結(jié)構(gòu)所制成的輕質(zhì)材料,因其輕質(zhì)高強(qiáng)、流動(dòng)性好、直立性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[2-5],在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用,如軟弱地基處理、土坡穩(wěn)定、陡坡地區(qū)施工、碼頭隔墻、管道填埋[6],也可用于沿海地基填充,橋臺(tái)臺(tái)背回填,減小橋頭不均勻沉降[7-9]等等。

輕質(zhì)泡沫混凝土從澆筑完成到凝結(jié)硬化至預(yù)期強(qiáng)度需要一段較長的時(shí)間,無疑很大程度上拖慢了施工進(jìn)度。為提高泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度、縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間、加快施工進(jìn)度,在泡沫混凝土中添加早強(qiáng)劑就顯得尤為必要。為此,相關(guān)學(xué)者做了大量試驗(yàn),研究了在泡沫混凝土中摻加早強(qiáng)劑對(duì)其物理力學(xué)性能影響：邵洪江等[10]研究了在粉煤灰泡沫混凝土中摻加氯化鈣早強(qiáng)劑對(duì)其容重、體積吸水率和早期抗壓強(qiáng)度的影響；謝慧東等[11]研究了3種早強(qiáng)劑(氯化鈣、硫酸鈉、碳酸鈉)對(duì)化學(xué)發(fā)泡混凝土發(fā)泡倍數(shù)、漿體穩(wěn)定性、抗壓強(qiáng)度、表觀密度和體積吸水率的影響；俞心剛等[12]研究了兩種早強(qiáng)劑(硫酸鈉和硫酸鈣)對(duì)煤矸石-粉煤灰泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、體積吸水率及微觀孔結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于目前在實(shí)際工程有較多應(yīng)用的早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度影響的研究卻相對(duì)較少。因此,本文對(duì)摻加不同早強(qiáng)劑(氯化鈣和硫酸鈉)、濕密度分別為500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3的輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土試樣進(jìn)行了室內(nèi)無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn),并利用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)直接掃描其新鮮斷面、圖像分析技術(shù)對(duì)比分析其微觀結(jié)構(gòu),研究了不同齡期下、兩種早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土無側(cè)限早期抗壓強(qiáng)度的影響。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

制備輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土試樣所需材料：水泥為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5級(jí),甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司；發(fā)泡劑HTW-1型(出口型)復(fù)合發(fā)泡劑,河南華泰建材開發(fā)有限公司；水為蘭州自來水；兩種早強(qiáng)劑分別為氯化鈣早強(qiáng)劑和硫酸鈉早強(qiáng)劑。

2.2 試樣制備

按照設(shè)計(jì)配合比要求分別稱取水泥、外加劑,將二者均勻混合,然后按照水固比為0.65的設(shè)計(jì)要求稱取水、水泥,均勻攪拌后立即加入制備好的泡沫,不斷攪拌直至達(dá)到規(guī)定要求。將調(diào)制好的泡沫混凝土漿液澆筑到尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的模具中。另為得到標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣,澆筑時(shí)漿液要溢出模具表面一定高度。澆筑完成后,需均勻振搗(人工、機(jī)械均可)使?jié){液均勻填充到模具中(注意避免漿液中存在過大氣泡),表面立即用一層保鮮膜覆蓋以達(dá)到保濕、防止水分蒸發(fā)從而引起試塊開裂。試樣靜置于試驗(yàn)室中24 h后去除模具頂面多余的泡沫混凝土,脫模后立即送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期。

2.3 試驗(yàn)方法

為研究早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度的影響,本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了摻加兩種早強(qiáng)劑：氯化鈣、硫酸鈉早強(qiáng)劑,劑量均為水泥用量的2.0%,相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明摻加氯化鈣和硫酸鈉早強(qiáng)劑劑量為水泥用量的2.0%左右最為合理[13]；三種設(shè)計(jì)濕密度,分別為500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3。對(duì)每一種設(shè)計(jì)濕密度都制備有三組試樣：一組摻加氯化鈣早強(qiáng)劑的試樣、一組摻加硫酸鈉早強(qiáng)劑的試樣和一組不摻加任何早強(qiáng)劑的空白對(duì)照試樣,并分別對(duì)3 d、7 d、14 d、28 d齡期的試樣進(jìn)行無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)[14],其中每組無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)有5個(gè)試樣,取其平均值作為結(jié)果(為盡量減小外部環(huán)境差異對(duì)試樣數(shù)據(jù)的影響,對(duì)同一濕密度的試樣一次性澆筑完成,且對(duì)不同濕密度試樣在同一條件下養(yǎng)護(hù))。另利用100倍光學(xué)顯微掃描技術(shù)分別掃描選定試樣的新鮮斷面,并結(jié)合圖像分析技術(shù)來觀察、分析其微觀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度影響分析

圖1分別為3 d、7 d、14 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期與不同濕密度未摻加早強(qiáng)劑、摻加氯化鈣早強(qiáng)劑、硫酸鈉早強(qiáng)劑試樣的早期抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。

圖1中得出的結(jié)論如下：摻加硫酸鈉早強(qiáng)劑的輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土試樣其3 d抗壓強(qiáng)度較未摻加早強(qiáng)劑試樣的抗壓強(qiáng)度提高幅度平均可達(dá)47.0%左右,最高可達(dá)55.1%；7 d抗壓強(qiáng)度較未摻加早強(qiáng)劑的試樣提高幅度平均為25.6%,最高可達(dá)30.0%；14 d抗壓強(qiáng)度較未摻加早強(qiáng)劑的試樣提高幅度平均為10.5%,最高可達(dá)12.4%?？梢?硫酸鈉早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土的早期強(qiáng)度提高很大,特別是3 d抗壓強(qiáng)度,因?yàn)樗嗨缙谶^程中,硫酸鈉能較快的與水化產(chǎn)物Ca(OH)2作用生成硫酸鈣,這種反應(yīng)生成的硫酸鈣比生產(chǎn)水泥時(shí)摻入的石膏細(xì)度更大、活性更好,與水泥中的鋁酸鈣反應(yīng)速度也快得多,因此早期生成大量的鈣礬石。鈣礬石的大量形成消耗了很多氫氧化鈣,使得溶液中的氫氧化鈣濃度降低,并且大量的鈣礬石晶體交錯(cuò)搭接,水化硅酸鈣凝膠填充其間,提高了泡沫混凝土的早期抗壓強(qiáng)度[15]。

摻加氯化鈣早強(qiáng)劑試樣其早期抗壓強(qiáng)度提高幅度也較大：3 d抗壓強(qiáng)度較未摻加早強(qiáng)劑的試樣提高幅度平均可達(dá)41.5%,最高可達(dá)46.2%；7 d抗壓強(qiáng)度較未摻加早強(qiáng)劑的試樣提高幅度平均可達(dá)25.3%,最高可達(dá)33.3%；14 d抗壓強(qiáng)度較未摻加早強(qiáng)劑的試樣提高幅度平均可達(dá)11.9%,最高可達(dá)13.6%；28 d抗壓強(qiáng)度較未摻加早強(qiáng)劑的試樣最多僅提高4.5%,影響不大。氯化鈣早強(qiáng)劑的早強(qiáng)作用主要是因?yàn)樗磻?yīng)時(shí)它能夠與水泥中的鋁酸三鈣反應(yīng),生成不溶于水的水化氯鋁酸鈣,另外,氯化鈣還能與水泥水化反應(yīng)生成難溶于水的氧氯化鈣；大量水化產(chǎn)物的生成,增大了水泥漿中的固相比例,有利于水泥石結(jié)構(gòu)的形成,進(jìn)而提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。

圖1 各濕密度輕質(zhì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度分別與3 d、7 d、14 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖 (a)ρw=500 kg·m-3;(b)ρw=800 kg·m-3;(c)ρw=1000 kg·m-3Fig.1 Compressive strength of lightweight foam concrete with different wet densities at different curing ages

3.2 微觀結(jié)構(gòu)角度分析早強(qiáng)劑對(duì)其早期抗壓強(qiáng)度的影響

泡沫混凝土獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)(內(nèi)部孔隙的大小、多少、形貌及其分布)對(duì)其諸多性能具有十分重要的影響,一般而言,泡沫混凝土中孔分布越均勻、孔徑越小,其抗壓強(qiáng)度越好[16]。從剖面觀察,泡沫混凝土可以看作是無數(shù)大小不一的氣孔和氣孔壁構(gòu)成的復(fù)合體,復(fù)合體的分布、大小和形狀決定了泡沫混凝土的性能[17]。Kcarslcy[18]等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過驗(yàn)證可以較好地證實(shí)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)關(guān)系密切；Kumar[19]等的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙率小于一定值后,孔隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系模型尚未得到解決。分析摻加與不摻加早強(qiáng)劑輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)對(duì)其早期抗壓強(qiáng)度的影響有多個(gè)指標(biāo),如孔隙率、平均孔徑及其分布、單位面積氣孔個(gè)數(shù)、平均形狀因子等[20]。本文結(jié)合圖像掃描技術(shù)及圖像分析技術(shù)從其微觀孔結(jié)構(gòu)的平均孔徑、平均形狀因子及單位面積氣孔個(gè)數(shù)方面分析了微觀孔結(jié)構(gòu)對(duì)摻加早強(qiáng)劑試樣7 d抗壓強(qiáng)度的影響。

圖2為不同早強(qiáng)劑、500 kg/m3濕密度、7天養(yǎng)護(hù)齡期情況下3組試樣相同部位(已在試樣中間部位做好刻度標(biāo)記,如同中所示)圖像掃描圖樣,圖3為摻加氯化鈣早強(qiáng)劑、7 d養(yǎng)護(hù)齡期、不同濕密度情況下相同部位圖像掃描圖樣。

由圖2可知：摻加早強(qiáng)劑的2組試樣較未摻加早強(qiáng)劑試樣其氣孔孔壁更完整,氣孔破壁現(xiàn)象很少,氣孔孔徑也相對(duì)減小,雖有個(gè)別氣孔較大,但較少出現(xiàn)孔破壁現(xiàn)象；2組摻加早強(qiáng)劑試樣相比,摻加氯化鈣早強(qiáng)劑組試樣氣孔分布更加均勻、孔形也更加均勻,這也說明500 kg/m3濕密度、7 d養(yǎng)護(hù)齡期情況下,氯化鈣早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土7 d抗壓強(qiáng)度提升效果較摻加硫酸鈣早強(qiáng)劑組試樣更明顯。

由圖3 摻加氯化鈣早強(qiáng)劑、7 d養(yǎng)護(hù)齡期、不同濕密度情況下,可知濕密度為800 kg/m3試樣氣孔分布較為加均勻,這也反映了7 d養(yǎng)護(hù)齡期下濕密度為800 kg/m3試樣抗壓強(qiáng)度提高幅度最大；但是其出現(xiàn)孔破壁現(xiàn)象較濕密度為1000 kg/m3組試樣增多。

圖2 不同早強(qiáng)劑、500 kg·m-3濕密度、7 d養(yǎng)護(hù)齡期情況下3組試樣相同部位掃描圖樣 (a)未摻加早強(qiáng)劑試樣掃描圖樣;(b)摻加硫酸鈉早強(qiáng)劑試樣掃描圖樣;(c)摻加氯化鈣早強(qiáng)劑試樣掃描圖樣Fig.2 SEM images of different specimens of the same parts with different early strength agents,wet density of 500 kg·m-3 and 7 days curing ages

圖3 摻加氯化鈣早強(qiáng)劑、7 d養(yǎng)護(hù)齡期、不同濕密度情況下相同部掃描圖樣 (a)濕密度為500 kg·m-3;(b)濕密度為800 kg·m-3;(c)濕密度為1000 kg·m-3Fig.3 SEM images of the same parts under different wet density of the mixed calcium chloride E.S.A and 7 d curing age

表1為500 kg/m3濕密度、7 d養(yǎng)護(hù)齡期情況下未摻早強(qiáng)劑、摻加硫酸鈉早強(qiáng)劑和摻加氯化鈣早強(qiáng)劑的3組輕質(zhì)泡沫混凝土試樣由圖像分析得到的3項(xiàng)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)。分析表中平均孔徑數(shù)據(jù)可知摻加氯化鈣早強(qiáng)劑的兩組試樣平均孔徑均減小至100 μm(作為區(qū)分大小孔的指標(biāo))以下,說明大孔數(shù)目總體在減少,而小孔數(shù)目在增多,使得平均孔徑減小至100 μm一下；由單位面積氣孔數(shù)可知摻加早強(qiáng)劑的兩組試樣較未摻加早強(qiáng)劑的試樣提高幅度平均在19.8%,最高可提高23.3%,提高效果明顯；從平均形狀因子來講其數(shù)值越接近1表明氣孔形狀越接近球形,摻加早強(qiáng)劑的兩組試樣其數(shù)值較未摻加早強(qiáng)劑的試樣平均形狀因子更接近1,即更接近球形。

表1 摻氯化鈣早強(qiáng)劑、養(yǎng)護(hù)7 d、不同濕密度情況下3組試樣相關(guān)指標(biāo)(早強(qiáng)劑摻量為2%)Tab.1 The relative indexes of 3 groups of specimens under different wet density with calcium chloride E.S.A and 7 days curing ages

表2為500 kg/m3濕密度、7 d養(yǎng)護(hù)齡期情況下未摻早強(qiáng)劑、摻加硫酸鈉早強(qiáng)劑和摻加氯化鈣早強(qiáng)劑的3組輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑泡沫混凝土試樣相關(guān)指標(biāo)。分析表2中平均孔徑數(shù)據(jù)可知摻加早強(qiáng)劑的兩組試樣平均孔徑均較未摻加早強(qiáng)劑試樣分別降低了2.43%和2.26%；由單位面積氣孔數(shù)可知摻加早強(qiáng)劑的兩組試樣較未摻加早強(qiáng)劑的試樣提高幅度為29.17%和20.24%,提高效果明顯；從平均形狀因子來講摻加早強(qiáng)劑的兩組試樣其數(shù)值較未摻加早強(qiáng)劑試樣的平均形狀因子更接近1,即更接近球形。

表2 不同早強(qiáng)劑、養(yǎng)護(hù)7 d、濕密度為500 kg·m-3情況下3組試樣相關(guān)指標(biāo)(早強(qiáng)劑摻量為2%)Tab.2 The relative indexes of 3 groups of specimens with different E.S.As,wet density of 500 kg·m-3 and 7 days curing age

總體來講,摻入早強(qiáng)劑能夠顯著提高試樣早期抗壓強(qiáng)度,特別是7 d抗壓強(qiáng)度：一方面,早強(qiáng)劑可加快水泥漿體硬化凝結(jié)速度、盡快形成支撐骨架；另一方面,早強(qiáng)劑可減少漿體中泡沫一系列遷移、合并、破裂,提高試樣的孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；同時(shí)也能夠降低試樣中較大氣孔的平均孔徑和所占體積百分比,改善氣孔結(jié)構(gòu)。早強(qiáng)劑穩(wěn)泡作用可提高體系中氣泡膜的強(qiáng)度,減少泡沫在混合攪拌和水泥水化早期的合并與破裂,增大了氣泡的穩(wěn)定性、減少了氣泡劣化,對(duì)強(qiáng)度發(fā)展十分有利；另其早強(qiáng)作用也可降低試樣中氣泡平均形狀因子,即試樣中氣泡越來越接近球形,同時(shí)也降低了氣泡可以遷移、合并的時(shí)間,使氣泡也盡可能保持最初形成時(shí)的球形。

4 結(jié) 論

本文分別對(duì)濕密度為500 kg/m3、800 kg/m3和1000 kg/m3、摻加兩種不同早強(qiáng)劑的輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑泡沫混凝土試樣進(jìn)行了室內(nèi)無側(cè)限單軸壓縮實(shí)驗(yàn)并結(jié)合光學(xué)顯微技術(shù)及圖像分析技術(shù),分析了兩種早強(qiáng)劑對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土各個(gè)齡期抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)論如下：

(1) 摻入的兩種早強(qiáng)劑均可顯著提高輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑泡沫混凝土的早期抗壓強(qiáng)度：摻入硫酸鈉早強(qiáng)劑的3種濕密度輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑泡沫混凝土試樣的早期抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增大,其3 d、7 d、14 d抗壓強(qiáng)度提高幅度平均分別為47.0%、25.6%和10.5%；氯化鈣早強(qiáng)劑可使其3 d、7 d、14 d抗壓強(qiáng)度提高幅度平均分別為41.5%、25.3%和11.9%;

(2)兩種早強(qiáng)劑均可使輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡泡沫混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度提高35.0%以上,但是對(duì)輕質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度影響不大,相反,摻入硫酸鈉早強(qiáng)劑試樣28 d抗壓強(qiáng)度有降低趨勢(shì);

(3) 摻入早強(qiáng)劑的2組試樣其體積平均孔徑減小,平均形狀因子、破壁現(xiàn)象均減少,單位面積氣孔數(shù)有所增加,這也從微觀結(jié)構(gòu)角度反映了摻加早強(qiáng)劑可提高泡沫混凝土早期抗壓強(qiáng)度這一事實(shí)。

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Experimental Analysis on Effects of Early Strength Agent on Compressive Strength of Composite Foamed Lightweight Concrete

WUYa-fei1,LIUDe-ren1,2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Key Laboratory of Road and Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,Lanzhou 730070,China)

Unconfined uniaxial compression test was performed on composite foamed lightweight concrete specimen with wet density of 500 kg/m3, 800 kg/m3and 1000 kg/m3to analyze the effects of two kinds of early strength agent,calcium chloride and sodium sulfate,on the early compressive strength of lightweight composite foamed concrete. Otherwise the Optical microscopy technology and image analysis technology were applied to discuss the effects of calcium chloride and sodium sulfate on the early compressive strength from the micro perspective. The results illustrate that both types of early strength agents affect the early compressive strength obviously. Especially the 3 d, 7 d, 14 d compressive strength increase by at least 44.3%, 25.4% and 11.2%, and the sodium sulfate performs better. The incorporation of early strength agents could make its micro pore structure index improved significantly from the micro perspective,especially the sodium sulfate.

early strength agent;foamed lightweight concrete;compressive strength;micro-structure;curing time

蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院校青年基金(2103031)

吳亞飛(1990-)，男，碩士研究生.主要從事路基方向研究.

U416

A

1001-1625(2016)09-2781-06