泡沫轻质混凝土渗透性试验研究

2018-03-09王亚威

新型建筑材料 2018年1期

王亚威

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

泡沫轻质混凝土是由水泥、水、集料和外加剂按比例混合搅拌形成浆体，然后再与由发泡剂水溶液制成的细小泡沫充分混合均匀，在施工现场或工厂经浇筑成型、养护而成的一种多孔材料[1]。由于该材料具有自重轻、流动性好、施工方便、性能稳定、环境影响小等优点[2-3]，近些年在土木工程中得到了广泛应用[4-6]。但是，由于泡沫轻质混凝土在我国推广使用的时间并不长，目前关于耐久性方面的研究较少，而渗透性是决定其耐久性的一个重要因素。泡沫轻质混凝土作为一种多孔混凝土，孔隙率高，与普通混凝土相比，水分更易渗透到内部，引起结构物性能的劣化，非常有必要对泡沫轻质混凝土的渗透性进行研究。

本文以普通硅酸盐水泥为胶凝材料，采用物理发泡技术预制泡沫制备泡沫轻质混凝土，通过改进的渗透试验方法，研究了密度与泡沫轻质混凝土渗透性能的相关性，并探讨了水灰比和玻璃纤维、粉煤灰、硅粉等外加剂单掺时对不同密度等级泡沫轻质混凝土抗渗性能的影响规律和改善效果，以期为工程建设提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，四川拉法基集团；发泡剂：HTW-Ⅰ型复合发泡剂，浅白色透明液体，pH值7.1，挥发性有机化合物含量15 g/L，密度1.13 kg/L，发泡倍数≥50倍，游离甲醛含量0.3 g/kg，河南华泰开发有限公司生产；短切耐碱玻璃纤维：密度 2.50～2.78 g/cm3，直径 11～13 μm，长度 6 mm，抗拉强度2000 MPa，断裂伸长率2.5%，拉伸模量75 GPa，盐城市爱丽维纤维制品有限公司生产；粉煤灰：Ⅰ级磨细粉煤灰，细度7.3%，需水量比86%，三氧化硫含量2.7%，碱含量0.83%，烧失量2.3%，活性指数116%，含水率0.07%，四川铁润商贸有限公司提供；硅粉：Ⅰ级，SiO2含量95.5%，总碱量0.3%，烧失量2.5%，活性指数116%，含水量0.5%，成都东蓝星科技发展有限公司提供；水：自来水。

试验设备：混凝土抗渗仪，发泡机，搅拌机，标准养护箱。

1.2 试样制备

本试验采用物理发泡技术预制泡沫的方法制备泡沫轻质混凝土，为了节约水泥用量，粉煤灰、硅粉和玻璃纤维均采用等量替代水泥的方式掺入。具体制备工艺为：首先按照发泡剂的稀释比例配制发泡剂溶液[m（发泡剂）∶m（水）=1∶60]，用发泡机调试出密度为30 kg/m3的均匀细小泡沫；按照配合比要求分别称取水泥、水和相应的矿物掺合料（粉煤灰、硅粉）和玻璃纤维，矿物掺合料要先和水泥干拌均匀后再加水搅拌，而玻璃纤维要先和水混合均匀后再倒入水泥中搅拌，搅拌过程中注意把粘附在容器侧壁和底面的水泥颗粒和外加剂刮到容器里继续搅拌，以免影响试验结果；水泥浆搅拌均匀后，立即加入发泡装置制备好的新鲜泡沫，搅拌均匀，然后将泡沫轻质混凝土料浆浇筑到相应的的模具中。考虑到泡沫轻质混凝土浇筑完成后会有一定的沉陷（尤其是低密度的泡沫轻质混凝土），为了得到标准尺寸的试样，浇筑时浆液要溢出模具顶面一定高度。1个试样一次性浇筑完成，浇筑完成后，需人工轻轻（切不可用力震动，否则，会导致泡沫溢出，料浆离析）振捣均匀，使浆液均匀填充到模具的各个角落，并避免浆液中存在过大的空气泡，然后在表面覆盖一层塑料薄膜。试件静置于实验室中24 h后刮除模具顶面多余的泡沫轻质混凝土，脱模，并送入标养室养护至规定龄期，抗渗试验的养护龄期一般为28 d，由于本试验部分试样中掺有粉煤灰等矿物掺合料，应适当延长养护时间，养护龄期为90 d。

1.3 试验方法

为了详细探讨泡沫轻质混凝土渗透性能与密度的关系，本文设计了 7组密度，分别为 400、500、600、700、800、900和1000 kg/m3；以及在保证密度为700 kg/m3不变的条件下，调整水灰比依次为0.4、0.5、0.6和0.7，研究水灰比对泡沫轻质混凝土渗透性能的影响；为了研究玻璃纤维、粉煤灰和硅粉对其抗渗性能的改善效果，试验优选3种不同的密度，分别为400、700和1000 kg/m3，采用等量替代水泥的方法制备泡沫轻质混凝土试样，其中粉煤灰掺量分别为水泥质量的0、5%、10%、20%、30%、50%；硅粉掺量分别为水泥质量的0、2.5%、5%、7.5%、10%、15%；玻璃纤维掺量分别为水泥质量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

目前我国对泡沫轻质混凝土抗渗性的试验方法尚无明确的标准规范，普通混凝土的抗渗透试验一般采用逐级加压法或渗水高度法。由于泡沫轻质混凝土在生产过程中引入了大量泡沫，凝结硬化后含有大量气孔，孔隙率很高，渗透性比一般的普通混凝土要大很多，试验过程中发现密度较低的泡沫轻质混凝土在较小的水压力0.1 MPa下，仅几个小时甚至几十分钟表面就已经出现渗水现象，而逐级加压法要求水压力从0.1 MPa开始，每隔8 h增加0.1 MPa的水压力，泡沫轻质混凝土由于渗透性大，其渗透试验如果按照此方法，那么第1次加压的8 h内就会出现表面渗水的现象，根本无法评价其渗透性的大小。渗水高度法同样要求在恒定水压力（0.1～2.0 MPa）下，加压24 h后劈开试件测量试件的渗水高度，而泡沫轻质混凝土试件在24 h内同样都会出现表面渗水的现象，也无法对其渗透性能的大小进行评价。因此，有必要在普通混凝土抗渗试验方法的基础上进行改进，使之能准确反映泡沫轻质混凝土的抗渗性能。

经过多次的探索试验，确定泡沫轻质混凝土的抗渗性试验原则上仍采用“渗水高度法”，以试件在0.1 MPa恒定水压力下完全渗透所需时间来评价泡沫轻质混凝土的渗透性。试件为上部直径175 mm，下部直径185 mm，高150 mm的圆台形，每组6个试件。达到规定的养护龄期后，用钢挫将圆台上下面的水泥净浆挫干净，使之露出孔隙结构，然后用石蜡将侧面密封，将试件压入抗渗试模中进行试验，保证水压力恒定为0.1 MPa，试验过程中注意观察试样表面，记录每个试件表面出现渗水的时间，直到6个试件全部渗透即停止试验，最后用6个试件完全渗透的平均渗透时间来评价泡沫轻质混凝土的抗渗性能。

2 试验结果和分析

2.1 密度对泡沫轻质混凝土抗渗性的影响（见图 1）

图1 泡沫轻质混凝土渗透时间与密度的关系

由图1可以看出：泡沫轻质混凝土的渗透时间随密度的增大而延长，且在密度低于600 kg/m3时，渗透时间随密度增大的幅度不大，密度大于600 kg/m3后，渗透时间随密度迅速延长，且基本呈线性增长。在本试验条件下，密度为400、500、600、700、800、900 和 1000 kg/m3的泡沫轻质混凝土在 0.1 MPa 水压下的渗透时间分别为 0.51、0.72、1.28、2.62、4.57、6.13和 8.21 h。

这主要是因为低密度的泡沫轻质混凝土在制备过程中加入的泡沫较多，水泥含量低，凝结硬化速度慢，泡沫容易变形破裂，凝结硬化后孔隙率高，且大孔和连通孔隙较多，另外，在保证流动性一定的条件下，低密度泡沫轻质混凝土的水灰比相对比高密度的要大，多余的水分凝结硬化过程中蒸发留下泌水通道，密实度降低，外界水分容易进入，相应的抗渗性能就差。随着密度的增大，泡沫掺量减小，水灰比也相对减小，孔隙率降低，孔径逐渐细化，内部结构越来越密实，抗渗性能得到提高。

2.2 水灰比对泡沫轻质混凝土抗渗性的影响（见图2）

图2 水灰比对泡沫轻质混凝土渗透时间的影响

由图2可以看出：泡沫轻质混凝土的渗透时间随水灰比的增大呈现出先延长后缩短的现象。这主要是因为水灰比较小（0.4）时，水泥浆体的均匀性不好，出现大量水泥颗粒凝聚成团的现象，由于料浆的粘稠度太大，浆体与泡沫的摩擦力很大，搅拌过程中会引起泡沫的变形破裂，导致泡沫轻质混凝土试样内部缺陷增加，连通孔隙较多，抗渗性能差。随着水灰比的增大，料浆的流动性和均匀性得到改善，抗渗性得到提高，完全渗透所需时间变长，但随着水灰比的进一步增大，包围水泥颗粒的水层较厚，未参与水化反应的水量增多，这些水分蒸发后在泡沫轻质混凝土内部形成的相互连通的孔隙，抗渗性随之降低。

2.3 玻璃纤维掺量对泡沫轻质混凝土抗渗性能的影响（见图3）

图3 玻璃纤维对泡沫轻质混凝土渗透时间的影响

由图3可以看出：对于密度为400 kg/m3的泡沫轻质混凝土，掺入玻璃纤维对抗渗性虽有提高，但效果并不明显，这是因为低密度的泡沫轻质混凝土泡沫含量多且内部孔隙大，连通的孔隙较多，在一定水压力作用下很容易被渗透，纤维的改善效果并不明显；而对于密度为700和1000 kg/m3的泡沫轻质混凝土，掺入玻璃纤维后能显著提高抗渗性能，随着玻璃纤维掺量的增加，泡沫轻质混凝土的抗渗性能逐渐提高，且存在最优掺量。密度为700 kg/m3的泡沫混凝土，玻纤掺量为0.6%时抗渗性能最好，比未掺时提高20.4%；密度为1000 kg/m3的泡沫混凝土，玻纤掺量0.8%时抗渗性能最好，比未掺时提高26.8%。

泡沫轻质混凝土中掺入玻璃纤维后，成束的纤维短丝在搅拌过程中受到水泥浆体的冲击摩擦作用会分散开来，均匀分散的玻璃纤维对泡沫具有一定的保护作用，能够提高泡沫轻质混凝土料浆的稳定性，有效防止离析塌膜，从而改善硬化后孔的形貌。另外，玻璃纤维与水泥基之间具有良好的粘结力，纤维的弹性模量高于泡沫轻质混凝土基体的弹性模量，可提高凝结硬化初期复合体的抗拉强度，三维乱相分布的玻璃纤维能够提高泡沫轻质混凝土抵抗收缩开裂的能力，可有效抑制泡沫轻质混凝土早期收缩裂缝的产生和发展，避免了连通毛细孔的形成，降低泡沫轻质混凝土的孔隙率[7-8]。同时，纤维可以挤压泡沫轻质混凝土内部的毛细管，甚至将其阻塞，使得基体的失水面积减小，水分迁移困难，提高了泡沫轻质混凝土的抗渗性。但纤维掺量过多，会导致纤维在料浆内不能均匀分散，出现大量缠绕成团现象，造成泡沫轻质混凝土密实度下降，内部缺陷增多，抗渗性能下降。密度为1000 kg/m3的泡沫轻质混凝土料浆内水泥含量比密度为700 kg/m3的多，搅拌过程中摩擦力更大，能够使更多的纤维均匀分散开来，玻纤的最优掺量相对较大，对泡沫轻质混凝土抗渗性能的提高效果也较为明显。

2.4 粉煤灰掺量对泡沫轻质混凝土抗渗性能的影响（见图 4）

图4 粉煤灰掺量对泡沫轻质混凝土渗透时间的影响

由图4可以看出：对于密度为400 kg/m3的泡沫轻质混凝土，掺加粉煤灰对其渗透时间有减小趋势，但并不显著。对于密度为700 kg/m3和1000 kg/m3的泡沫轻质混凝土，粉煤灰在一定掺量范围内，粉煤灰能有效提高泡沫轻质混凝土的抗渗性能，密度为700 kg/m3的在掺量为20%时渗透时间比未掺时延长31.3%，密度为1000 kg/m3的在掺量为30%时比未掺时延长35.7%，但掺量过大会导致抗渗性能的降低。

粉煤灰是一种表面光滑的球形玻璃微珠，具有良好的滚珠轴承作用，能够改善拌合物的流动性和保水性，防止新拌料浆分层离析。另外，粉煤灰颗粒比水泥颗粒细小，能够很好地填充于水泥颗粒之间，使得泡沫轻质混凝土结构致密化，增大了渗透阻力。此外，粉煤灰含有大量的活性SiO2和Al2O3，这些活性成分在凝结硬化后期，能够与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次水化反应，生成物能有效填充较大的毛细孔隙，使得毛细孔隙率降低，孔径得到细化。在一定掺量范围内，粉煤灰的形态效应、微集料填充作用和火山灰活性的共同作用下，泡沫轻质混凝土的孔隙结构得到改善和密实度增加，抗渗性能提高[9]。但粉煤灰替代水泥用量过大时，一方面，水泥用量的减少使得初期水化速度降低，水化产物减少，对泡沫轻质混凝土的孔结构起粗化的作用；另一方面，粉煤灰的掺入具有一定的缓凝作用，掺量过多时导致料浆的凝结硬化时间和泡沫稳定时间不协调，泡沫易变形破裂，连通孔隙增多，从而引起孔隙结构的劣化，抗渗性能下降。

2.5 硅粉掺量对泡沫轻质混凝土抗渗性能的影响（见图5）

图5 硅粉掺量对泡沫轻质混凝土渗透时间的影响

由图5可以看出，对于密度为400 kg/m3的泡沫轻质混凝土，硅粉掺量小于5%时，渗透时间比未掺时稍有延长，但幅度不大，这与玻璃纤维掺量对低密度的泡沫轻质混凝土抗渗性的影响相似，主要是因为低密度泡沫轻质混凝土的抗渗性能本来就差，硅粉的改善效果并不明显。而对于密度为700 kg/m3和1000 kg/m3泡沫轻质混凝土，硅粉可明显提高其抗渗性能，且随着硅粉掺量的增加，渗透时间呈现先延长后缩短的现象，掺5.0%硅粉时泡沫轻质混凝土的抗渗性最好，此时密度为700 kg/m3和1000 kg/m3的泡沫混凝土渗透时间分别为3.28 h和10.79 h，比不掺时提高25.2%和31.4%。当掺量超过10%时，硅粉对泡沫轻质混凝土的抗渗性产生不利影响，渗透时间比未掺硅粉时缩短。

硅粉在小掺量范围内取代部分水泥时，能有效提高泡沫轻质混凝土的抗渗性。这主要是因为硅粉颗粒极细，比表面积大，能够显著提高料浆的黏聚性和保水性，且球状颗粒的硅粉能很好地填充到水泥颗粒之间，使得结构更加密实。另外，硅粉中无定型SiO2含量高达90%以上，具有极强的火山灰活性，二次水化反应生成大量的水化硅酸钙凝胶体，能够填入到细小的缝隙中去，堵塞毛细管通道，细化孔隙结构[10]。因此，在小掺量范围内，硅粉的微填充作用和火山灰效应的双重作用下，泡沫轻质混凝土的流动性和稳定性得到协调统一，孔隙结构得到细化，抗渗性能提高；但随着硅灰掺量的增加，早期水化反应过快，导致泡沫轻质混凝土早期收缩增大，易引起开裂。另外，由于硅粉的颗粒比水泥颗粒小很多，吸附了大量水分，相应的水泥颗粒所吸附的水分减少，大量水泥颗粒凝聚成团，料浆的流动性降低，摩擦力增大，容易导致泡沫变形破裂，硬化后结构不密实，泡沫轻质混凝土的抗渗性能降低。