蔡軍, 匡渝陽

(1.青海省公路局, 青海 西寧 810008；2.浙江交工新材料有限公司；3.浙江大盈建設(shè)有限公司)

隨著泡沫混凝土的發(fā)展及制備工藝逐漸提高，泡沫混凝土在工程中的應(yīng)用愈發(fā)普遍。由于泡沫混凝土具有質(zhì)量輕、較好強(qiáng)度、環(huán)保及保溫等特點(diǎn)，不僅可以作為建筑材料及保溫材料，也可很好地應(yīng)用在路基材料中。外界環(huán)境條件、制備材料及制備工藝對(duì)泡沫混凝土的特性均具有較大影響，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。Valore等從泡沫混凝土的制備工藝、材料組分等角度對(duì)泡沫混凝土物理特性影響進(jìn)行了研究；張磊蕾利用42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥和蛋白質(zhì)發(fā)泡劑對(duì)不同密度的泡沫混凝土進(jìn)行制作，研究其不同密度下的強(qiáng)度特性，并擬合了密度與強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線；歐楚萍等采用SZ61體視顯微鏡對(duì)泡沫混凝土樣品孔隙進(jìn)行采集，并使用Image-Pro plus進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)分析了孔隙大小、圓度、表面積大小及分維度數(shù)對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度特性的影響。泡沫混凝土中存在的孔隙特性不僅對(duì)泡沫混凝土的重度具有較大影響，也會(huì)對(duì)其強(qiáng)度力學(xué)特性有所影響。眾多學(xué)者在宏觀上從多角度對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行了研究，然而對(duì)泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)研究方面卻很少。該文利用掃描電鏡對(duì)循環(huán)凍融下的標(biāo)準(zhǔn)泡沫混凝土試件進(jìn)行掃描處理，并借助Image軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行處理分析，研究泡沫混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)特性對(duì)其力學(xué)性能的影響。除此之外，還采用丟球算法對(duì)泡沫混凝土的微觀氣泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以此來研究泡沫混凝土微觀氣孔結(jié)構(gòu)對(duì)彈性模量的影響規(guī)律。

1 泡沫混凝土試驗(yàn)試件制作及凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.1 試件制作

試驗(yàn)以某高速公路為工程依托，場地淺部厚為20～30 m、呈松散～稍密狀粉土及粉砂層；中部為厚度10～20 m低強(qiáng)度流塑狀的淤泥質(zhì)土；底部則為較厚的粉砂及粉質(zhì)砂土，該層位土層較為穩(wěn)定。依托工程MK2+152～MK2+232主線段采用泡沫混凝土進(jìn)行路基置換，以此改善路基的承載能力及各項(xiàng)性能指標(biāo)。試件的制作，采用與實(shí)際工程相同的試驗(yàn)原材料，即42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，HT復(fù)合發(fā)泡劑，其泡沫混凝土的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。試件采用100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體模具進(jìn)行制作，首先對(duì)試驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行清潔并涂刷脫模劑，然后將泡沫混凝土澆筑在試驗(yàn)?zāi)＞咧校瑵仓^程中在側(cè)面進(jìn)行輕輕敲擊，以保證試件密實(shí)，待試件澆筑完成30 h后脫模，并放置在標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 1 m3泡沫混凝土的配比

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

為研究泡沫混凝土在凍融循環(huán)條件下的微觀結(jié)構(gòu)特征，將完成28 d養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)試件放置在循環(huán)凍融試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行循環(huán)凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)組，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠，減少試驗(yàn)偶然誤差，每個(gè)試驗(yàn)組同時(shí)放置5個(gè)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)共使用20個(gè)試件，凍融循環(huán)方案如表2所示。凍融循環(huán)方式共分為慢速凍融和3次循環(huán)凍融兩種。慢速凍融是將試件環(huán)境溫度從20 ℃緩慢降至0 ℃，再降至-20 ℃，其凍融時(shí)間為8 h；3次循環(huán)凍融是指將試件反復(fù)凍融循環(huán)至-60、-20 ℃，其凍融時(shí)間間隔為4 h。對(duì)完成凍融循環(huán)的試件進(jìn)行切片處理，選取質(zhì)地均勻的切片進(jìn)行掃描電鏡處理。

表2 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

2 循環(huán)凍融下泡沫混凝土微觀孔隙特性

2.1 循環(huán)凍融下孔隙特征

選取每個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)組的試件切片，首先在掃描電鏡的低倍模式下觀察不同試驗(yàn)組凍融狀態(tài)下的整體形貌，其次尋找特征區(qū)域切換高倍模式進(jìn)行局部放大觀察，并保存掃描電鏡下的觀察圖片。在掃描電鏡放大50倍下，各凍融循環(huán)試驗(yàn)組下的孔隙特征如圖1所示。由圖1可知：泡沫混凝土的內(nèi)部具有較多孔隙存在，隨著凍融循環(huán)條件的不同，其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)不盡相同。由圖1(a)可知，在慢速凍融至0 ℃時(shí)，泡沫混凝土的內(nèi)部孔隙為較均勻規(guī)則的球形，孔隙間幾乎未連接貫通；由圖1(b)可知：在慢速凍融至-20 ℃時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)部的孔隙大小不一，形狀呈現(xiàn)不規(guī)則狀，孔隙間的內(nèi)部連接出現(xiàn)開裂裂縫；由圖1(c)可知：3次循環(huán)凍融至-20 ℃時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙也呈現(xiàn)大小不一的不規(guī)則狀，內(nèi)部孔隙之間的連接缺失較多，連接性較差；由圖1(d)可知：3次循環(huán)凍融至-60 ℃時(shí)，其內(nèi)部孔隙形狀特征與3次循環(huán)凍融至-20 ℃時(shí)基本相同，但其內(nèi)部孔隙的連接性相對(duì)最差，內(nèi)部孔隙之間的連接不僅缺失較多，而且現(xiàn)存的孔隙內(nèi)部連接也存在較多的破裂現(xiàn)象。

圖1 掃描電鏡放大50倍下泡沫混凝土試樣SEM照片

2.2 循環(huán)凍融下孔隙孔洞破壞特征

依據(jù)泡沫混凝土孔隙孔洞破壞的部位，可劃分為孔隙孔洞內(nèi)部連接破壞和孔隙孔洞內(nèi)部貫通破壞兩種形式。泡沫混凝土材料在溫度的變化下會(huì)發(fā)生物理變形，致使其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。當(dāng)對(duì)試件進(jìn)行慢速凍融時(shí)，由于溫度的變化致使其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生貫通破壞，其破壞主要發(fā)生在孔隙的孔壁內(nèi)部薄弱點(diǎn)，且溫度變化較大時(shí)孔隙空洞破壞更為明顯，如圖2所示。

圖2 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙孔洞破壞圖

當(dāng)凍融循環(huán)條件為3次循環(huán)凍融時(shí)，由于在溫度變化和循環(huán)凍融條件的雙重作用下，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不僅會(huì)在孔壁薄弱處發(fā)生破壞，還會(huì)在破壞能量累積的作用下繼續(xù)破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)破壞能量大于泡沫混凝土內(nèi)部孔隙的連接強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔隙內(nèi)部的連接發(fā)生破裂或破壞，進(jìn)而大幅降低泡沫混凝土的強(qiáng)度，如圖3、4所示。由圖3可知：當(dāng)溫度變化幅度較大時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的破壞程度也愈加嚴(yán)重。

圖3 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙破壞

2.3 循環(huán)凍融下孔隙裂縫破壞特征

由圖4可知：當(dāng)對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行3次循環(huán)凍融試驗(yàn)時(shí)，由于溫度和循環(huán)凍融的作用，泡沫混凝土孔隙內(nèi)部連接會(huì)在破壞力的作用下發(fā)生裂縫擴(kuò)展，其裂縫擴(kuò)展過程以3次循壞凍融至-20 ℃的情況為例，如圖5所示。在溫度反復(fù)變化的作用下，泡沫混凝土材料內(nèi)部的物理變形反復(fù)發(fā)生，致使其破壞力積累，在材料較為薄弱的孔隙壁處發(fā)生細(xì)小裂縫，如圖5(a)所示；當(dāng)破壞力逐漸積累增大時(shí)，微裂縫的兩端首先發(fā)生張拉破壞應(yīng)力集中現(xiàn)象，在張拉破壞應(yīng)力的作用下，微裂縫會(huì)逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，如圖5(b)所示；當(dāng)破壞力繼續(xù)積累增大時(shí)，裂縫兩端的張拉破壞應(yīng)力也會(huì)隨之增大，當(dāng)其大于孔隙內(nèi)部的連接力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔隙內(nèi)部的連接發(fā)生破壞，產(chǎn)生貫通裂縫，如圖5(c)所示。

圖4 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙連接處破壞

圖5 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙連接裂縫發(fā)展過程

2.4 基于Iamge軟件的泡沫混凝土孔隙特性分析

Image是一種可對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析的軟件，Imagej軟件可以對(duì)SEM圖像進(jìn)行二值化處理，提取SEM原圖中的黑白圖和輪廓圖。利用該軟件可以泡沫混凝土SEM圖中氣泡尺寸、數(shù)量、所占比例及形狀參數(shù)進(jìn)行定量分析，其處理流程如圖6所示。

圖6 Image軟件圖像處理流程圖

使用Image軟件對(duì)各凍融循環(huán)條件下的泡沫混凝土SEM圖進(jìn)行處理，如圖7所示。圖7中白色部分代表泡沫混凝土內(nèi)部孔隙，黑色代表泡沫混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由圖7可知：在慢速凍融條件下的泡沫混凝土內(nèi)部氣孔，相對(duì)較3次凍融循環(huán)條件下的較為均勻。

圖7 Image軟件處理SEM圖

利用Image軟件對(duì)泡沫混凝土SEM黑白圖中的黑色和白色面積進(jìn)行提取，其結(jié)果如表3所示。由表3可知：泡沫混凝土中的氣泡占比約為60%，由于泡沫混凝土在制備過程中受制備工藝和材料的影響，會(huì)產(chǎn)生一定的消泡作用，其氣泡率有所降低。

表3 黑白色面積占比數(shù)據(jù)

由于在泡沫混凝土發(fā)泡過程中，氣泡大小往往相差較大，為了分析氣泡大小及占比，利用Image軟件對(duì)氣泡的大小尺寸進(jìn)行限定，計(jì)算出大于每一級(jí)尺寸的氣泡數(shù)量，進(jìn)而分析氣泡的分布規(guī)律，如表4所示。

表4 氣泡占比統(tǒng)計(jì)

由表4可知：泡沫混凝土中存在的氣泡多為細(xì)小氣泡，該氣泡的大量存在多依附在泡沫混凝土的內(nèi)部骨架中，不僅可以減輕泡沫混凝土的自身重量，還使泡沫混凝土具有一定強(qiáng)度。當(dāng)泡沫混凝土中大氣泡存在較多時(shí)盡管可以有效減輕其自重，但由于大氣泡的存在使泡沫混凝土內(nèi)部的連接大幅降低，使其強(qiáng)度大幅下降。故在泡沫混凝土制備時(shí)，保證其內(nèi)部孔隙為細(xì)小氣泡，既可有效控制泡沫混凝土的自重，也可保證其強(qiáng)度。

3 泡沫混凝土內(nèi)部孔隙特性對(duì)彈性模量的影響

泡沫混凝土內(nèi)部孔隙特性，不僅對(duì)其重度和強(qiáng)度影響顯著，對(duì)其彈性模量等力學(xué)特性也有較大影響。該文運(yùn)用模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并采用丟球算法對(duì)泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，借助三維格構(gòu)分析法對(duì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸，從而模擬泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)彈性模量。

3.1 泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的生成

在模擬試驗(yàn)中，運(yùn)用丟球算法將尺寸為250、350、450 μm氣泡分布在邊長為10 mm的立方體中，分別用來模擬氣泡率為55%、65%、75%的泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，共可得9種泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

3.2 泡沫混凝土彈性模量分析

基于丟球算法模擬生成的泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)，應(yīng)用三維格構(gòu)分析法，將孔隙微觀結(jié)構(gòu)離散化為格構(gòu)單元，并對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的水泥基單元賦予相應(yīng)的楊氏模量、抗拉強(qiáng)度及剪切模量值。之后施加一個(gè)軸向拉伸位移，進(jìn)行格構(gòu)斷裂分析，得出泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的拉伸位移與荷載，進(jìn)而求得該結(jié)構(gòu)下的彈性模量。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 各情況下的泡沫混凝土彈性模量

依據(jù)泡沫混凝土模型模擬的氣泡率及氣泡尺寸，繪制各種情況下彈性模量統(tǒng)計(jì)圖，如圖8所示。

圖8 泡沫混凝土彈性模量統(tǒng)計(jì)圖

由圖8可知，當(dāng)氣泡尺寸相同時(shí)，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡率的增加而減??；當(dāng)氣泡率相同時(shí)，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡尺寸的增大而減小。

4 結(jié)論

泡沫混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與其物理特性緊密相關(guān)，該文借助掃描電鏡和Image軟件對(duì)凍融循環(huán)下的泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；并采用丟球算法對(duì)泡沫混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以此研究泡沫混凝土微觀氣孔結(jié)構(gòu)對(duì)彈性模量的影響規(guī)律。得出結(jié)論如下：

(1)隨著凍融循環(huán)溫度變化增大、循環(huán)次數(shù)增加，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部連接的破壞程度會(huì)隨之增加；當(dāng)進(jìn)行慢速凍融時(shí)，其內(nèi)部孔隙破壞多為孔壁薄弱處的破壞，當(dāng)進(jìn)行循環(huán)凍融時(shí)，在破壞力積累作用下使其內(nèi)部的連接發(fā)生破壞，并形成貫通裂縫，從而使泡沫混凝土強(qiáng)度降低。

(2)泡沫混凝土中氣泡占比約為60%，內(nèi)部氣泡多為細(xì)小氣泡且依附于泡沫混凝土的骨架，該氣泡的存在可以有效減輕泡沫混凝土的重度，還能保證其具有一定的強(qiáng)度。

(3)當(dāng)氣泡尺寸相同時(shí)，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡率的增加而減小；當(dāng)氣泡率相同時(shí)，泡沫混凝土的彈性模量隨著氣泡尺寸的增大而減小。