Influence of Temperature on Performance and Microporous Structure of Foamed Concrete During Pouring Period
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摘要:
泡沫混凝土在浇筑至固化成型这段时期内,易受温度等环境因素影响,不利环境因素会导致固化成型后泡沫混凝土的性能退化和劣化. 为研究泡沫混凝土在浇筑期受温度(−15~70 ℃)影响后的性能和微孔结构,设计单因素室内试验方案,以干密度作为泡沫混凝土物理性质评价指标,抗压强度作为施工质量评价指标,吸水率用以评价泡沫混凝土的运营耐久性,并利用图像数据采集系统及Image J软件分析泡沫混凝土微孔结构的演变规律. 结果表明:随着温度上升,泡沫混凝土干密度总体呈阶梯式下降,抗压强度先减小后增大再减小,吸水率以0 ℃为分界点,温度降低或升高均呈先增大后减小趋势;等效孔径先增大后减小再增大,孔隙圆度值先增大后减小,孔隙分布分维先减小后变大;从混凝土宏观性能和微孔结构的演变规律建议泡沫混凝土浇筑期施工的温度范围为−5~40 ℃.
Abstract:Foamed concrete is susceptible to environmental factors such as temperature during the period from pouring to curing and molding, and adverse environmental factors can lead to performance degradation and deterioration of foamed concrete after curing and molding. In order to study the performance and microporous structure of foamed concrete affected by temperature (−15–70 ℃) during the pouring period, a single factor indoor test program was designed by using dry density, compressive strength, and water absorption to evaluate the physical property of foamed concrete, the construction quality, and the operational durability of foamed concrete, respectively. In addition, the evolution of the microporous structure of foamed concrete was analyzed by using an image data acquisition system and Image J software. The results show that the dry density of foamed concrete generally decreases in a stepwise manner as the temperature rises. The compressive strength first decreases, then increases, and finally decreases. The water absorption rate takes 0 ℃ as the cut-off point, and it tends to increase and then decrease when the temperature decreases or increases. The equivalent pore size shows a trend of increasing, decreasing, and increasing. The pore roundness value first increases and then decreases. The fractal dimension of pore distribution first decreases and then becomes larger. The results of macroscopic performance and microporous structure show that the recommended temperature range for the construction of foamed concrete during the pouring period is −5–40 ℃.
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Key words:
- foamed concrete /
- pouring period /
- temperature /
- macroscopic performance /
- microporous structure
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泡沫混凝土是一种性能优异的轻质岩土材料,其耐久性已成为研究热点[1-2]. 泡沫混凝土耐久性的影响分为初始阶段(新浇筑和固化成型前)和服役运营阶段,初始阶段泡沫混凝土易受温度等环境因素影响,进而影响固化成型后在服役运营期的耐久性能[3-4],同时,初始损伤在服役运营期还会受到不利环境和载荷等影响,其劣化程度将会加剧. 胡晓鹏等[5-7]研究了早期受冻对混凝土服役性能的影响,表明混凝土受冻温度越低,其服役期宏观性能劣化越明显,各孔径的气孔数量均有所增加;崔玉理等[8]研究了水温和养护温度对泡沫混凝土性能的影响,研究表明,水温为35~40 ℃时,泡沫混凝土内部孔径分布均匀,连通孔少,导热系数较小,且试块具有较好的抗压强度,养护温度为5~50 ℃时,泡沫混凝土的初、终凝时间对数与养护温度呈线性关系;Kamei等[9-10]研究了高温对泡沫混凝土力学性能的影响. 目前,对初始阶段受温度作用下泡沫混凝土的性能和微孔结构的研究相对较少. 泡沫混凝土在实际施工过程中,若防护措施不及时,突发天气会在一定时间内对混凝土造成影响,而且各地区、行业出版的泡沫混凝土施工技术标准对不得施工或应采取必要措施的温度标准有较大差异,在不利环境下施工对泡沫混凝土性能有何影响以及相关施工规定在本地区是否适用仍有待研究.
因此,本文模拟了泡沫混凝土在浇筑期受温度影响的试验,研究−15~70 ℃的泡沫混凝土宏观性能和微孔结构的演变规律,为泡沫混凝土在浇筑期受不同温度环境影响后的性能研究和施工采取措施提供参考,以期提高材料的服役性能.
1. 试验方案
1.1 原材料
试验中采用南京江宁中联水泥厂生产的海螺牌42.5R普通硅酸盐水泥,水泥比重为3.11 kg/m3,比表面积为356 m2/kg,其主要化合物含量见表1,主要的物理力学性能指标见表2. 发泡剂选取的是河南华泰工程有限公司的HTW-1型复合发泡液,由动植物蛋白为原料复合加工而成,环保无污染,黏稠度高,亲水性好,搅拌后发泡质量好.
名称 SiO2 K2O SO3 CaO Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O 含量 20.31 0.39 2.12 65.55 4.80 4.93 1.35 0.12 细度 80 μm/% 标准稠度用水量/% 初凝时间/min 终凝时间/min 抗压强度/MPa 3 d 28 d 1.20 25.48 165 232 28.7 45.4 1.2 配合比和试样制备
试验选取湿容重为7 kN/m³、水胶比为0.58 (水为212 kg/m3、水泥为365 kg/m3)、气泡含量为 700 L/m3的配合比,试样制备步骤如下:
步骤1 制备水泥浆液:按配合比计算并称量所需的水泥和水的质量及泡沫体积,将水倒入水泥中并搅拌均匀,搅拌时间不少于5 min.
步骤2 制备泡沫:采用物理发泡法,将动植物复合蛋白发泡剂与水按1∶50的质量比进行稀释搅拌,制成用于发泡的混合物浆液.
步骤3 搅拌和浇筑:将符合要求的泡沫倒入已搅拌均匀的水泥浆液中,充分搅拌5~10 min. 将拌好的浆液浇筑到边长为100 mm的立方体试模,浇筑后用保鲜膜覆盖.
步骤4 浇筑期温度模拟试验:将试样放入干燥箱或冷冻柜中,在温度的各不同水平下开展试验.
步骤5 养护和脱模:温度模拟试验后,在(20±2) ℃、(95±2)%的恒温恒湿标准条件下养护48 h,之后使用气泵进行脱模,编号后再继续标准养护28 d,进行后续性能测试.
1.3 浇筑期温度模拟
泡沫混凝土浇筑期的试验时间段设置为8 h,保持各个浇筑期温度下对应的湿度为(95±2)%的恒湿条件,对试件表面进行覆膜,保证试件湿度条件的一致性. 在保证其他条件一致的前提下,仅改变温度的不同水平,试验共制备8组试样(每组温度分别为−15、−10、−5、0、20、30、40、70 ℃,编号分别为T−15、T−10、T−5、T0、T20、T30、T40、T70),每组制备9个平行试样.
1) 基于南京市本地区的气温资料,日最低气温低于0 ℃的月份为12月至次年2月,由此将冬季施工温度水平选取为5 ℃和0 ℃;为研究极端低温对泡沫混凝土性能的影响和验证规范条文的合理性,选取−15 ℃和−10 ℃为该温度水平. 以上低温下的试样均放置在冷冻柜中实现.
2) 日最高气温高于30 ℃的月份为6月至8月,由此将夏季施工温度水平选取为30 ℃和40 ℃;泡沫混凝土可应用于高温蒸汽管道、地下供热管道等工程中,管线处于高温环境,选取70 ℃为施工的极端高温环境. 以上高温下的试样均放置在干燥箱中实现.
3) 选取20 ℃标养温度作为对照组的浇筑期温度水平,通过在室温下实现标养温度20 ℃.
1.4 泡沫混凝土性能测试
1) 干密度测试:按《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)[11]中实验方法进行.
2) 抗压强度测试:按《现浇泡沫轻质土技术规程》(CECS 249—2008)[12]中实验方法进行.
3) 吸水率测试:按《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)[11]中实验方法进行. 将上述干密度试验后烘干至恒重的试块放入(20±5) ℃的恒温水箱内,加入清水至试样高度的1/3处,保持24 h;再加水至试样高度的2/3处,继续保持24 h后,加水浸没试块,水面高于试块30 mm上,保持24 h;最后将试块取出,用湿抹布擦去试块表面水分,称取每块质量. 由式(1)计算试块的体积吸水率.
WR=mg−m0Vρw×100%, (1) 式中:WR为试块的体积吸水率,mg为试块吸水后质量,ρw为水的密度,m0为试块烘干后的质量.
4) 微孔结构测试[13]
如图1(a)所示,通过图像数据采集系统拍摄试样的断面图,然后,通过细观处理系统对图像进行分析处理,利用Image J软件进行二值化处理,选择合适的阈值进行分割并获得二值化图像,如图1(b)所示. 处理完成后,利用软件中的Analyze功能计算等效孔径、孔隙圆度值、孔隙分布分维等微孔结构参数. 对于图像采集的分析过程、界定孔的性质、微孔结构参数的统计和计算,引用课题组之前的文献[4,14]作为补充说明.
2. 试验结果与分析
2.1 浇筑期温度对泡沫混凝土干密度的影响
浇筑期温度对泡沫混凝土干密度的影响如 图2所示. 由图可见:在−15~0 ℃温度段,泡沫混凝土的干密度基本呈线性下降,减小了27.7%;在0~40 ℃温度段,干密度基本在535 kg/m3上下波动;在40~70 ℃温度段,干密度缓慢下降,减小了7.1%;相比于浇筑期20 ℃,−15 ℃的试样干密度增大了39.2%,70 ℃时则减小了6.7%;由0 ℃降至−15 ℃,内部水分结冰,水化反应减缓或停止,并伴有水分流失;0 ℃的干密度稍高于20 ℃,说明0 ℃仅减缓了水泥的水化过程,待后期温度适宜,仍能弥补前期发展滞后的不足;30 ℃时的干密度也稍高于20 ℃,说明一定温度升高有利于水泥的水化,有助于干密度的增长,但干密度的增长仅能说明此时内部颗粒聚集,并不能说明水化完全、结构良好,还需辅以其他性能参数对其综合评定;70 ℃的干密度比20 ℃标养试块降低了6.7%,认为温度上升、水化加快是需要考虑的因素,还需考虑泡沫混凝土受热膨胀导致内部结构松散,造成干密度下降的问题.
2.2 浇筑期温度对泡沫混凝土抗压强度的影响
浇筑期温度对泡沫混凝土抗压强度的影响如图3所示. 由图可见:在−15~0 ℃温度段,泡沫混凝土的抗压强度先减小后增大;在0~70 ℃温度段,抗压强度先增大后减小;相比浇筑期20 ℃,−5 ℃时试样的抗压强度最小为1.37 MPa,减小了43.6%,说明早期低温受冻会降低抗压强度,−5 ℃的试样压坏时整体破碎且内部颗粒疏松,−15 ℃下试样压坏时出现贯穿裂缝,顶底面出现碎裂和剥落;只有30 ℃时抗压强度为正增长,增大了3.4%,达到2.51 MPa;70 ℃的抗压强度降低了42.2%,表明泡沫混凝土浇筑期经历高温后,即使之后标准养护,也难以修复内部结构缺陷.
温度升高会使泡沫混凝土蒸发自由水,然后失去结合水,水化生成的胶凝物质水化硅酸钙胶凝(C-S-H)、氢氧化钙(CH)和钙矾石(AFt)也会逐渐失水,但CH脱水温度较高,主要是C-S-H与AFt的脱水,水分流失会引起微裂纹,后期结构的孔隙度增加,导致其内部结构劣化,削弱了水泥浆体与泡沫之间的过渡区及黏结,导致抗压强度降低. 根据Khoury[15]试验,20~150 ℃的抗压强度降低对应水化硅酸钙层之间范德华力的内聚力降低.
2.3 浇筑期温度对泡沫混凝土吸水率的影响
浇筑期温度对泡沫混凝土吸水率的影响如图4所示. 由图可见:泡沫混凝土的吸水率以0 ℃为分界点,温度降低或升高均呈先增大后减小趋势,在−10 ℃和40 ℃时达到最大,−10、40 ℃的吸水率分别比20 ℃上升了60.8%和18.9%. 虽然由−5 ℃降至−15 ℃的抗压强度有所上升,但−15 ℃的吸水率比20 ℃上升了52.3%,吸水率过高会导致后期服役性能不佳;30 ℃时泡沫混凝土不仅抗压强度高,而且吸水率也较小,比20 ℃上升了11.8%. 低温对吸水率的影响更大,浇筑期受冻对其内部结构产生了较大的影响,气泡发生冻裂或者相融,同时开口孔和连通孔增多,吸收了更多的水量,导致吸水率变大.
2.4 浇筑期温度对泡沫混凝土微孔结构的影响
气孔是泡沫混凝土的主要组成成分和重要影响因素,在浇筑期更是处于不断发展的时期,易受环境温度的影响,有必要对微孔结构特征进行研究.
2.4.1 孔径分布
20 ℃以下的泡沫混凝土累计孔径分布以及按50、200、500 μm为分割边界[16]的孔径分布如图5所示. 为了定量说明孔径大小的变化,在累计孔径分布曲线上取百分比90%所对应的孔径d90作为试样的等效孔径[17],Kun hanandan等[18]也曾用d50 (累计孔径分布百分比50%所对应的孔径)和d90两参数来定量比较泡沫混凝土内部孔径分布及其对抗压强度和干密度的影响,并证明了d90比d50有更好的相关性.
由图5可见:在20、0、−15、−5 ℃影响下,等效孔径即d90处的孔径分别为337、360、377、520 μm,孔径不断增大;相比于20 ℃浇筑期,0 ℃的试样等效孔径增加了6.8%,−15 ℃的试样等效孔径增加了11.9%,−5 ℃的试样等效孔径增加了54.3%. 最大值在−5 ℃而不在−15 ℃,说明在−5 ℃时的泡沫混凝土内部孔隙结构发生了最大程度的劣化,可能原因为内部小孔水分并未完全结冰,在水分流动过程中更多的小孔结合成大孔,而在−15 ℃时,水分由于结冰而无法自由流动. 泡沫混凝土的孔径分布规律与抗压强度有着良好的相关性,−15 ℃比−5 ℃下有更多的小孔和中孔,对强度性能影响较大的是50~500 μm区段[19],所以,−15 ℃下的泡沫混凝土试样有相对较高的强度性能.
20 ℃以下的泡沫混凝土孔径分布及其高斯拟合曲线,以及对应温度下的孔隙微观图如图6所示.
由图6可见:−15、−5、0 ℃下泡沫混凝土的孔径分布都比较均匀,符合对数正态分布,且在高斯拟合后的相关系数都在0.90及以上;−15 ℃条件下,大孔内部有许多小孔与之连接,在图像上表现为大孔范围内嵌入了许多细小黑色孔隙,还有小孔相互连通并形成不规则孔隙,更多的连通孔表现为结构薄弱裂缝,小范围内堆积状的白色颗粒物,是由于水泥本身受到低温冻坏无法继续完成水化过程造成的沉积;−5 ℃下的孔隙分布更均匀,但也存在小孔相互连通形成不规则大孔以及细小裂隙,大孔形貌并不圆滑,与周边孔隙交界处有破损现象,周边孔隙的侵入使得大孔边界凹凸不平;0 ℃条件下,也有大孔内部连接小孔、小孔相互连通、未水化颗粒堆积物等现象.
20 ℃以上的泡沫混凝土累计孔径分布如图7所示. 由图可见:在20、30、40、70 ℃影响下,在d90处的试样孔径分别为337、343、383、415 μm;相比于20 ℃浇筑期,30、40、70 ℃的试样等效孔径分别增加了1.8%、13.6%、23.1%;从20 ℃升温至30 ℃,孔径减小,说明温度升高有利于水泥水化,结构变得密实,在30 ℃时的小孔范围内分布的孔隙最多,故其有助于形成较好的性能;当浇筑期温度从30 ℃继续升高,泡沫混凝土的受热膨胀成为了主要影响因素,导致其孔径不断增大.
20 ℃以上的泡沫混凝土孔径分布及其高斯拟合曲线,以及对应温度下的孔隙微观图如图8所示.
限于篇幅,未放置30 ℃的孔径分布图和孔隙微观图. 由图8可见:各温度下的孔径分布均符合对数正态分布,且随着温度升高,其相关系数逐渐变大;20 ℃时孔径最大值668 μm,整体孔隙分布并不是特别密实,还存在有一部分的灰白色颗粒堆积物,分析可能是未水化的水泥颗粒,同时也存在连通孔隙形成的薄弱裂缝;30 ℃时虽然也有一部分灰白色颗粒堆积区域和微小裂缝,但相对于20 ℃,其孔隙分布更加的紧密均匀,大孔周边小孔填充,分布较好;40 ℃时视野内的各孔径孔隙更密集,会出现大孔与小孔的连通,以及小孔相互连接形成的不规则大孔和细小裂缝;70 ℃时的小孔也更容易触碰、破坏大孔边界与大孔隙相连通,小孔之间相互连接形成不规则大孔,结构内也会出现较多的薄弱裂缝. 这说明温度升高有利于结构发展,但温度过高会破坏泡沫混凝土的内部结构,孔隙变大,薄弱面增多,导致性能受损,更高温度下建议停止施工.
2.4.2 孔隙圆度值
孔隙圆度值表征微孔形状在二维平面内偏离圆形的程度,若圆度值越接近1,表明孔隙形状越趋近于圆形[14]. 浇筑期温度对泡沫混凝土孔隙圆度值的影响如图9所示. 由图9(a)可见:−15 ℃时试样的孔隙圆度值主要集中在1.10~1.20,在此范围内达到最高值58.8%,随后孔隙圆度值占比逐渐减小;除−15 ℃时的试样在1.10~1.20范围内出现的异常高值来看,在小于1.20的圆度值范围内,孔隙圆度值占比随温度升高而逐渐变大;在大于1.20的范围内,孔隙圆度值占比随温度升高而逐渐减小,说明低温冻裂使得气孔形状趋于远离圆形发展,甚至出现极不规则形状,当温度上升,气孔形状又向着圆形靠近,但−5 ℃是最不利的温度状况,该温度下气孔形状趋于远离圆形方向发展,气孔结构劣化.
由图9(b)可见:孔隙圆度值在1.05~1.15分布最多,T20、T30和T40试样占比在65%左右,T70试样占比最大,达75.8%;当温度从20 ℃上升至30 ℃时,气孔形状趋向于圆形的占比增大,但温度在30~40 ℃时,孔隙圆度值没有明显变化,发展达到平台期,当温度继续升至70 ℃后,孔隙圆度值明显向小值方向发展,虽然高温下泡沫混凝土并没有很好地表现宏观性能,但气孔形状趋向于圆形.
2.4.3 孔隙分布分维
孔隙分布分维是描述微细孔隙在泡沫混凝土结构内部分布均匀程度的特征参数[14]. 浇筑期温度对泡沫混凝土孔隙分布分维的影响如图10所示.
由图10可见:浇筑期温度影响下,试样的孔隙分布分维先减小后变大;相比于浇筑期20 ℃,30 ℃的试样孔隙分布分维减小了0.37%,70 ℃的试样孔隙分布分维增加了4.20%,−5 ℃的孔隙分布分维增加了5.50%,−15 ℃的孔隙分布分维则增加了7.50%;30 ℃时孔隙分布分维达到最小,表明气孔分布均匀,气孔集团化程度低,结构密实度大;孔隙分布分维在低温向较大值发展,说明低温下的结构孔隙收缩聚集形成连通裂缝;孔隙分布分维在30 ℃以后也向较大值发展,说明温度过高会使气孔膨胀、水分散失,从而形成更多连通孔隙,增加强度薄弱面的产生,对结构强度不利.
3. 结 论
1) 浇筑期温度由−15 ℃至70 ℃,泡沫混凝土干密度总体上呈下降趋势,−15 ℃的试样干密度比20 ℃增大了39.2%,70 ℃时减小了6.7%. 抗压强度先减小后增大再减小,−5 ℃时试样的抗压强度最小,比20 ℃减小了43.6%,70 ℃时减小了42.2%,而30 ℃时抗压强度最大,比20 ℃增大了3.4%. 以0 ℃为分界点,随着温度降低或升高,吸水率均呈先增大后减小趋势,−10 ℃和40 ℃的吸水率分别比20 ℃增大了60.8%和18.9%.
2) 在浇筑期温度−15~70 ℃范围内,泡沫混凝土的等效孔径先增大后减小再增大;孔圆度值先增大后减小;孔隙分布分维先减小后变大. 相比于浇筑期20 ℃,−5 ℃泡沫混凝土的等效孔径增加了54.3%,孔隙分布分维增加了5.5%;70 ℃试样的等效孔径增加了23.1%,孔隙圆度值1.05~1.15占比最大为75.8%,孔隙分布分维增加了4.2%,而−15 ℃的试样孔隙分布分维则增加了7.5%.
3) 浇筑期低温相对于高温对泡沫混凝土的影响更大,特别是在−5 ℃劣化最显著,使内部水化反应减缓,内部颗粒疏松,孔隙收缩并聚集形成连通裂缝,气孔形状趋于不规则;高温会使内部水分散失、气孔膨胀,从而形成更多的不规则大孔,增加强度薄弱面的产生.
4) 通过性能测试表明,浇筑期温度为30 ℃的泡沫混凝土服役性能相对最优,其具有内部颗粒较为聚集、吸水率较低、孔隙分布均匀、气孔集团化程度低和结构密实度大的特点.
5) 针对本地区,当施工现场温度低于−5 ℃,建议停止浇筑;当气温低于0 ℃,对浇筑段建议采取保温防冻措施;当气温连续数日在40 ℃以上时,需做好表面遮光和降温措施.
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表 1 水泥的主要化合物含量
Table 1. Main compound content of cement
% 名称 SiO2 K2O SO3 CaO Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O 含量 20.31 0.39 2.12 65.55 4.80 4.93 1.35 0.12 表 2 水泥的物理力学性能指标
Table 2. Physical and mechanical properties of cement
细度 80 μm/% 标准稠度用水量/% 初凝时间/min 终凝时间/min 抗压强度/MPa 3 d 28 d 1.20 25.48 165 232 28.7 45.4 -
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