王亞威

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

泡沫輕質(zhì)混凝土是由水泥、水、集料和外加劑按比例混合攪拌形成漿體，然后再與由發(fā)泡劑水溶液制成的細(xì)小泡沫充分混合均勻，在施工現(xiàn)場(chǎng)或工廠經(jīng)澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種多孔材料[1]。由于該材料具有自重輕、流動(dòng)性好、施工方便、性能穩(wěn)定、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，近些年在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。但是，由于泡沫輕質(zhì)混凝土在我國(guó)推廣使用的時(shí)間并不長(zhǎng)，目前關(guān)于耐久性方面的研究較少，而滲透性是決定其耐久性的一個(gè)重要因素。泡沫輕質(zhì)混凝土作為一種多孔混凝土，孔隙率高，與普通混凝土相比，水分更易滲透到內(nèi)部，引起結(jié)構(gòu)物性能的劣化，非常有必要對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土的滲透性進(jìn)行研究。

本文以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，采用物理發(fā)泡技術(shù)預(yù)制泡沫制備泡沫輕質(zhì)混凝土，通過(guò)改進(jìn)的滲透試驗(yàn)方法，研究了密度與泡沫輕質(zhì)混凝土滲透性能的相關(guān)性，并探討了水灰比和玻璃纖維、粉煤灰、硅粉等外加劑單摻時(shí)對(duì)不同密度等級(jí)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律和改善效果，以期為工程建設(shè)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，四川拉法基集團(tuán)；發(fā)泡劑：HTW-Ⅰ型復(fù)合發(fā)泡劑，淺白色透明液體，pH值7.1，揮發(fā)性有機(jī)化合物含量15 g/L，密度1.13 kg/L，發(fā)泡倍數(shù)≥50倍，游離甲醛含量0.3 g/kg，河南華泰開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)；短切耐堿玻璃纖維：密度 2.50～2.78 g/cm3，直徑 11～13 μm，長(zhǎng)度 6 mm，抗拉強(qiáng)度2000 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率2.5%，拉伸模量75 GPa，鹽城市愛(ài)麗維纖維制品有限公司生產(chǎn)；粉煤灰：Ⅰ級(jí)磨細(xì)粉煤灰，細(xì)度7.3%，需水量比86%，三氧化硫含量2.7%，堿含量0.83%，燒失量2.3%，活性指數(shù)116%，含水率0.07%，四川鐵潤(rùn)商貿(mào)有限公司提供；硅粉：Ⅰ級(jí)，SiO2含量95.5%，總堿量0.3%，燒失量2.5%，活性指數(shù)116%，含水量0.5%，成都東藍(lán)星科技發(fā)展有限公司提供；水：自來(lái)水。

試驗(yàn)設(shè)備：混凝土抗?jié)B儀，發(fā)泡機(jī)，攪拌機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)采用物理發(fā)泡技術(shù)預(yù)制泡沫的方法制備泡沫輕質(zhì)混凝土，為了節(jié)約水泥用量，粉煤灰、硅粉和玻璃纖維均采用等量替代水泥的方式摻入。具體制備工藝為：首先按照發(fā)泡劑的稀釋比例配制發(fā)泡劑溶液[m（發(fā)泡劑）∶m（水）=1∶60]，用發(fā)泡機(jī)調(diào)試出密度為30 kg/m3的均勻細(xì)小泡沫；按照配合比要求分別稱取水泥、水和相應(yīng)的礦物摻合料（粉煤灰、硅粉）和玻璃纖維，礦物摻合料要先和水泥干拌均勻后再加水?dāng)嚢?，而玻璃纖維要先和水混合均勻后再倒入水泥中攪拌，攪拌過(guò)程中注意把粘附在容器側(cè)壁和底面的水泥顆粒和外加劑刮到容器里繼續(xù)攪拌，以免影響試驗(yàn)結(jié)果；水泥漿攪拌均勻后，立即加入發(fā)泡裝置制備好的新鮮泡沫，攪拌均勻，然后將泡沫輕質(zhì)混凝土料漿澆筑到相應(yīng)的的模具中。考慮到泡沫輕質(zhì)混凝土澆筑完成后會(huì)有一定的沉陷（尤其是低密度的泡沫輕質(zhì)混凝土），為了得到標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣，澆筑時(shí)漿液要溢出模具頂面一定高度。1個(gè)試樣一次性澆筑完成，澆筑完成后，需人工輕輕（切不可用力震動(dòng)，否則，會(huì)導(dǎo)致泡沫溢出，料漿離析）振搗均勻，使?jié){液均勻填充到模具的各個(gè)角落，并避免漿液中存在過(guò)大的空氣泡，然后在表面覆蓋一層塑料薄膜。試件靜置于實(shí)驗(yàn)室中24 h后刮除模具頂面多余的泡沫輕質(zhì)混凝土，脫模，并送入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，抗?jié)B試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)齡期一般為28 d，由于本試驗(yàn)部分試樣中摻有粉煤灰等礦物摻合料，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，養(yǎng)護(hù)齡期為90 d。

1.3 試驗(yàn)方法

為了詳細(xì)探討泡沫輕質(zhì)混凝土滲透性能與密度的關(guān)系，本文設(shè)計(jì)了 7組密度，分別為 400、500、600、700、800、900和1000 kg/m3；以及在保證密度為700 kg/m3不變的條件下，調(diào)整水灰比依次為0.4、0.5、0.6和0.7，研究水灰比對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土滲透性能的影響；為了研究玻璃纖維、粉煤灰和硅粉對(duì)其抗?jié)B性能的改善效果，試驗(yàn)優(yōu)選3種不同的密度，分別為400、700和1000 kg/m3，采用等量替代水泥的方法制備泡沫輕質(zhì)混凝土試樣，其中粉煤灰摻量分別為水泥質(zhì)量的0、5%、10%、20%、30%、50%；硅粉摻量分別為水泥質(zhì)量的0、2.5%、5%、7.5%、10%、15%；玻璃纖維摻量分別為水泥質(zhì)量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

目前我國(guó)對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性的試驗(yàn)方法尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，普通混凝土的抗?jié)B透試驗(yàn)一般采用逐級(jí)加壓法或滲水高度法。由于泡沫輕質(zhì)混凝土在生產(chǎn)過(guò)程中引入了大量泡沫，凝結(jié)硬化后含有大量氣孔，孔隙率很高，滲透性比一般的普通混凝土要大很多，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)密度較低的泡沫輕質(zhì)混凝土在較小的水壓力0.1 MPa下，僅幾個(gè)小時(shí)甚至幾十分鐘表面就已經(jīng)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，而逐級(jí)加壓法要求水壓力從0.1 MPa開(kāi)始，每隔8 h增加0.1 MPa的水壓力，泡沫輕質(zhì)混凝土由于滲透性大，其滲透試驗(yàn)如果按照此方法，那么第1次加壓的8 h內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)表面滲水的現(xiàn)象，根本無(wú)法評(píng)價(jià)其滲透性的大小。滲水高度法同樣要求在恒定水壓力（0.1～2.0 MPa）下，加壓24 h后劈開(kāi)試件測(cè)量試件的滲水高度，而泡沫輕質(zhì)混凝土試件在24 h內(nèi)同樣都會(huì)出現(xiàn)表面滲水的現(xiàn)象，也無(wú)法對(duì)其滲透性能的大小進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，有必要在普通混凝土抗?jié)B試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之能準(zhǔn)確反映泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能。

經(jīng)過(guò)多次的探索試驗(yàn)，確定泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性試驗(yàn)原則上仍采用“滲水高度法”，以試件在0.1 MPa恒定水壓力下完全滲透所需時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)泡沫輕質(zhì)混凝土的滲透性。試件為上部直徑175 mm，下部直徑185 mm，高150 mm的圓臺(tái)形，每組6個(gè)試件。達(dá)到規(guī)定的養(yǎng)護(hù)齡期后，用鋼挫將圓臺(tái)上下面的水泥凈漿挫干凈，使之露出孔隙結(jié)構(gòu)，然后用石蠟將側(cè)面密封，將試件壓入抗?jié)B試模中進(jìn)行試驗(yàn)，保證水壓力恒定為0.1 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中注意觀察試樣表面，記錄每個(gè)試件表面出現(xiàn)滲水的時(shí)間，直到6個(gè)試件全部滲透即停止試驗(yàn)，最后用6個(gè)試件完全滲透的平均滲透時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 密度對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性的影響（見(jiàn)圖 1）

圖1 泡沫輕質(zhì)混凝土滲透時(shí)間與密度的關(guān)系

由圖1可以看出：泡沫輕質(zhì)混凝土的滲透時(shí)間隨密度的增大而延長(zhǎng)，且在密度低于600 kg/m3時(shí)，滲透時(shí)間隨密度增大的幅度不大，密度大于600 kg/m3后，滲透時(shí)間隨密度迅速延長(zhǎng)，且基本呈線性增長(zhǎng)。在本試驗(yàn)條件下，密度為400、500、600、700、800、900 和 1000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土在 0.1 MPa 水壓下的滲透時(shí)間分別為 0.51、0.72、1.28、2.62、4.57、6.13和 8.21 h。

這主要是因?yàn)榈兔芏鹊呐菽p質(zhì)混凝土在制備過(guò)程中加入的泡沫較多，水泥含量低，凝結(jié)硬化速度慢，泡沫容易變形破裂，凝結(jié)硬化后孔隙率高，且大孔和連通孔隙較多，另外，在保證流動(dòng)性一定的條件下，低密度泡沫輕質(zhì)混凝土的水灰比相對(duì)比高密度的要大，多余的水分凝結(jié)硬化過(guò)程中蒸發(fā)留下泌水通道，密實(shí)度降低，外界水分容易進(jìn)入，相應(yīng)的抗?jié)B性能就差。隨著密度的增大，泡沫摻量減小，水灰比也相對(duì)減小，孔隙率降低，孔徑逐漸細(xì)化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越密實(shí)，抗?jié)B性能得到提高。

2.2 水灰比對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 水灰比對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土滲透時(shí)間的影響

由圖2可以看出：泡沫輕質(zhì)混凝土的滲透時(shí)間隨水灰比的增大呈現(xiàn)出先延長(zhǎng)后縮短的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)樗冶容^?。?.4）時(shí)，水泥漿體的均勻性不好，出現(xiàn)大量水泥顆粒凝聚成團(tuán)的現(xiàn)象，由于料漿的粘稠度太大，漿體與泡沫的摩擦力很大，攪拌過(guò)程中會(huì)引起泡沫的變形破裂，導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)混凝土試樣內(nèi)部缺陷增加，連通孔隙較多，抗?jié)B性能差。隨著水灰比的增大，料漿的流動(dòng)性和均勻性得到改善，抗?jié)B性得到提高，完全滲透所需時(shí)間變長(zhǎng)，但隨著水灰比的進(jìn)一步增大，包圍水泥顆粒的水層較厚，未參與水化反應(yīng)的水量增多，這些水分蒸發(fā)后在泡沫輕質(zhì)混凝土內(nèi)部形成的相互連通的孔隙，抗?jié)B性隨之降低。

2.3 玻璃纖維摻量對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性能的影響（見(jiàn)圖3）

圖3 玻璃纖維對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土滲透時(shí)間的影響

由圖3可以看出：對(duì)于密度為400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，摻入玻璃纖維對(duì)抗?jié)B性雖有提高，但效果并不明顯，這是因?yàn)榈兔芏鹊呐菽p質(zhì)混凝土泡沫含量多且內(nèi)部孔隙大，連通的孔隙較多，在一定水壓力作用下很容易被滲透，纖維的改善效果并不明顯；而對(duì)于密度為700和1000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，摻入玻璃纖維后能顯著提高抗?jié)B性能，隨著玻璃纖維摻量的增加，泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能逐漸提高，且存在最優(yōu)摻量。密度為700 kg/m3的泡沫混凝土，玻纖摻量為0.6%時(shí)抗?jié)B性能最好，比未摻時(shí)提高20.4%；密度為1000 kg/m3的泡沫混凝土，玻纖摻量0.8%時(shí)抗?jié)B性能最好，比未摻時(shí)提高26.8%。

泡沫輕質(zhì)混凝土中摻入玻璃纖維后，成束的纖維短絲在攪拌過(guò)程中受到水泥漿體的沖擊摩擦作用會(huì)分散開(kāi)來(lái)，均勻分散的玻璃纖維對(duì)泡沫具有一定的保護(hù)作用，能夠提高泡沫輕質(zhì)混凝土料漿的穩(wěn)定性，有效防止離析塌膜，從而改善硬化后孔的形貌。另外，玻璃纖維與水泥基之間具有良好的粘結(jié)力，纖維的彈性模量高于泡沫輕質(zhì)混凝土基體的彈性模量，可提高凝結(jié)硬化初期復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度，三維亂相分布的玻璃纖維能夠提高泡沫輕質(zhì)混凝土抵抗收縮開(kāi)裂的能力，可有效抑制泡沫輕質(zhì)混凝土早期收縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，避免了連通毛細(xì)孔的形成，降低泡沫輕質(zhì)混凝土的孔隙率[7-8]。同時(shí)，纖維可以擠壓泡沫輕質(zhì)混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管，甚至將其阻塞，使得基體的失水面積減小，水分遷移困難，提高了泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性。但纖維摻量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致纖維在料漿內(nèi)不能均勻分散，出現(xiàn)大量纏繞成團(tuán)現(xiàn)象，造成泡沫輕質(zhì)混凝土密實(shí)度下降，內(nèi)部缺陷增多，抗?jié)B性能下降。密度為1000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土料漿內(nèi)水泥含量比密度為700 kg/m3的多，攪拌過(guò)程中摩擦力更大，能夠使更多的纖維均勻分散開(kāi)來(lái)，玻纖的最優(yōu)摻量相對(duì)較大，對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性能的提高效果也較為明顯。

2.4 粉煤灰摻量對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性能的影響（見(jiàn)圖 4）

圖4 粉煤灰摻量對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土滲透時(shí)間的影響

由圖4可以看出：對(duì)于密度為400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，摻加粉煤灰對(duì)其滲透時(shí)間有減小趨勢(shì)，但并不顯著。對(duì)于密度為700 kg/m3和1000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，粉煤灰在一定摻量范圍內(nèi)，粉煤灰能有效提高泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能，密度為700 kg/m3的在摻量為20%時(shí)滲透時(shí)間比未摻時(shí)延長(zhǎng)31.3%，密度為1000 kg/m3的在摻量為30%時(shí)比未摻時(shí)延長(zhǎng)35.7%，但摻量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致抗?jié)B性能的降低。

粉煤灰是一種表面光滑的球形玻璃微珠，具有良好的滾珠軸承作用，能夠改善拌合物的流動(dòng)性和保水性，防止新拌料漿分層離析。另外，粉煤灰顆粒比水泥顆粒細(xì)小，能夠很好地填充于水泥顆粒之間，使得泡沫輕質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)致密化，增大了滲透阻力。此外，粉煤灰含有大量的活性SiO2和Al2O3，這些活性成分在凝結(jié)硬化后期，能夠與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成物能有效填充較大的毛細(xì)孔隙，使得毛細(xì)孔隙率降低，孔徑得到細(xì)化。在一定摻量范圍內(nèi)，粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、微集料填充作用和火山灰活性的共同作用下，泡沫輕質(zhì)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)得到改善和密實(shí)度增加，抗?jié)B性能提高[9]。但粉煤灰替代水泥用量過(guò)大時(shí)，一方面，水泥用量的減少使得初期水化速度降低，水化產(chǎn)物減少，對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土的孔結(jié)構(gòu)起粗化的作用；另一方面，粉煤灰的摻入具有一定的緩凝作用，摻量過(guò)多時(shí)導(dǎo)致料漿的凝結(jié)硬化時(shí)間和泡沫穩(wěn)定時(shí)間不協(xié)調(diào)，泡沫易變形破裂，連通孔隙增多，從而引起孔隙結(jié)構(gòu)的劣化，抗?jié)B性能下降。

2.5 硅粉摻量對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性能的影響（見(jiàn)圖5）

圖5 硅粉摻量對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土滲透時(shí)間的影響

由圖5可以看出，對(duì)于密度為400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，硅粉摻量小于5%時(shí)，滲透時(shí)間比未摻時(shí)稍有延長(zhǎng)，但幅度不大，這與玻璃纖維摻量對(duì)低密度的泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性的影響相似，主要是因?yàn)榈兔芏扰菽p質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能本來(lái)就差，硅粉的改善效果并不明顯。而對(duì)于密度為700 kg/m3和1000 kg/m3泡沫輕質(zhì)混凝土，硅粉可明顯提高其抗?jié)B性能，且隨著硅粉摻量的增加，滲透時(shí)間呈現(xiàn)先延長(zhǎng)后縮短的現(xiàn)象，摻5.0%硅粉時(shí)泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性最好，此時(shí)密度為700 kg/m3和1000 kg/m3的泡沫混凝土滲透時(shí)間分別為3.28 h和10.79 h，比不摻時(shí)提高25.2%和31.4%。當(dāng)摻量超過(guò)10%時(shí)，硅粉對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性產(chǎn)生不利影響，滲透時(shí)間比未摻硅粉時(shí)縮短。

硅粉在小摻量范圍內(nèi)取代部分水泥時(shí)，能有效提高泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性。這主要是因?yàn)楣璺垲w粒極細(xì)，比表面積大，能夠顯著提高料漿的黏聚性和保水性，且球狀顆粒的硅粉能很好地填充到水泥顆粒之間，使得結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。另外，硅粉中無(wú)定型SiO2含量高達(dá)90%以上，具有極強(qiáng)的火山灰活性，二次水化反應(yīng)生成大量的水化硅酸鈣凝膠體，能夠填入到細(xì)小的縫隙中去，堵塞毛細(xì)管通道，細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)[10]。因此，在小摻量范圍內(nèi)，硅粉的微填充作用和火山灰效應(yīng)的雙重作用下，泡沫輕質(zhì)混凝土的流動(dòng)性和穩(wěn)定性得到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，孔隙結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，抗?jié)B性能提高；但隨著硅灰摻量的增加，早期水化反應(yīng)過(guò)快，導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)混凝土早期收縮增大，易引起開(kāi)裂。另外，由于硅粉的顆粒比水泥顆粒小很多，吸附了大量水分，相應(yīng)的水泥顆粒所吸附的水分減少，大量水泥顆粒凝聚成團(tuán)，料漿的流動(dòng)性降低，摩擦力增大，容易導(dǎo)致泡沫變形破裂，硬化后結(jié)構(gòu)不密實(shí)，泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能降低。

3 結(jié) 論

（1）泡沫輕質(zhì)混凝土的滲透時(shí)間隨著其密度的增大而延長(zhǎng)，且密度低于600 kg/m3時(shí)，滲透時(shí)間隨密度增大而延長(zhǎng)的幅度不大，密度大于600 kg/m3時(shí)，滲透時(shí)間迅速延長(zhǎng)。隨著水灰比的增大，抗?jié)B性呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。

（2）對(duì)于密度為400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，由于自身孔隙率高，內(nèi)部孔隙大，且連通的孔隙較多，在一定水壓力作用下很容易被滲透，礦物摻合料和玻纖對(duì)其抗?jié)B性能的改善效果不明顯。

（3）玻璃纖維能顯著提升高密度泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能，對(duì)于密度700 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，摻量為0.6%時(shí)抗?jié)B性能最佳，比未摻時(shí)提高20.4%；密度1000 kg/m3的摻量為0.8%時(shí)抗?jié)B性能最佳，比未摻時(shí)提高26.8%。

（4）粉煤灰具有良好的形態(tài)效應(yīng)、微集料填充作用和火山灰效應(yīng)，在一定摻量?jī)?nèi)能夠改善泡沫輕質(zhì)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效提高密度為700 kg/m3和1000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性能；硅粉在較小摻量范圍內(nèi)對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗?jié)B性是有利的，但過(guò)量的硅粉使得泡沫輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性反而比未摻時(shí)降低。

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