泡沫剂对轻集料混凝土性能的影响

范 雪 刘江南

(吉林建筑大学城建学院 土木工程学院,长春 130114)

轻集料混凝土作为一种新型建筑材料,具有轻质高强、保温隔热、耐火抗震等优良性能,使用量仅排在普通混凝土之后[1],被应用于普通民用和工业建筑以及大跨度桥梁、海上工作平台以及复杂结构工程等多个领域,发展前景十分广阔[2-3].本试验研究的意义在于,适量的泡沫剂掺入轻集料混凝土可改善其力学性能,并提高其耐久性能以及热工性能[4-5].

1 试验部分

1.1 原材料

水泥:P·O 42.5普通硅酸盐水泥(吉林亚泰鼎鹿牌).

粉煤灰:采用二级粉煤灰,磨细后使用.

减水剂:采用萘系高效减水剂.

聚合物:BC-991苯丙乳液(北京东方亚科力化工科技),固含量为45%.

泡沫剂:松香型液体泡沫剂.

轻集料:采用火山渣,主要性质见表1.

表1 火山渣主要性质Table 1 The main properties of cinder

聚丙烯纤维:聚丙烯纤维(pp纤维)的基本指标参数见表2.

表2 pp纤维主要性能指标Table 2 The main performance index of fiber

1.2 配合比

轻集料混凝土的基本配合比(质量比)是通过实际试验调整确定的.本文是在基本配合比的基础上,掺入一定量的泡沫剂,研究轻集料混凝土中泡沫剂掺量不同时,其性能发生的改变,掺入的泡沫剂质量分别占水泥质量的0,0.1‰,0.5‰,1.0‰,2.0‰,3.0‰,4.0‰.

1.3 试验方法

试验采用100mm×100mm×100mm的试件进行轻集料混凝土抗压强度测定,采用40mm×40mm×160mm的试件进行抗折强度测定,在标准条件下养护,使用压力试验机JES-2000A及电动抗折试验机DKZ-5000,按混凝土试验标准(GB/T50081-2002)测定其3d和28d龄期的抗压、抗折强度.吸水率和抗冻性试验均采用边长为100mm的立方体试件.抗冻性试验按照混凝土试验标准(GB/T50082-2009)的要求,采用冻融试验机40FDS-500进行测定.抗渗性试验用石蜡密封试件侧面并放入NEL-VJ型混凝土渗透仪中进行渗透试验.导热系数的测定采用长度和宽度均为300mm,厚度为30mm的试件,成型脱模后在105℃温度下烘干至恒重,放入导热系数测定仪CD-DR3030B中完成测试.扫描电子显微镜使用型号为KYKY-2800B(北京中科科仪)的设备.

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

火山渣是一种表面粗糙且多孔的天然轻集料.在混凝土中掺入火山渣引入空隙从而降低密度，同时火山渣在水泥浆体中表现出吸水性和返水性，这种特性会促进火山渣界面处的水泥水化反应，使得混凝土界面区的水泥石构造更加密实，起到混凝土自养护的作用.火山渣在混凝土中的引孔方式[6]见图1，泡沫剂改性轻集料混凝土的界面区结构见图2.

(a)The hole structure in lightweight aggregate (b)The hole structure in cement paste图1 混凝土中的孔结构Fig.1 The hole structure in concrete

图2 泡沫剂改性轻集料混凝土的界面区结构Fig.2 Frother modified lightweight aggregate concrete structure interface area

改变泡沫剂的掺量,轻集料混凝土基本力学性能发生的变化见图3和图4.由图3、图4可以看出,不断增加泡沫剂的掺量,能够使抗压强度和抗折强度出现先提高再降低的现象.当泡沫剂掺量在适当范围内时,抗压强度和抗折强度升高,并且泡沫剂存在一个最佳掺量值,当掺入0.1‰的泡沫剂时,抗压强度和抗折强度均达到峰值,分别为25.2MPa和5.0 MPa.

图3 泡沫剂对轻集料混凝土抗压强度的影响Fig.3 The influence of frother on the lightweight aggregate concrete compressive strength

图4 泡沫剂对轻集料混凝土抗折强度的影响Fig.4 The influence of frother on the lightweight aggregate concrete flexural strength

图5 泡沫剂对轻集料混凝土吸水率的影响Fig.5 The influence of frother on the lightweight aggregate concrete water absorption

原因是泡沫剂的掺加使轻集料混凝土中被带入了大量的微气泡,而这些微气泡不仅稳定均匀,而且都是封闭的,因此,会对轻集料混凝土产生“滚珠”效应,减少水泥颗粒间的相互摩擦,从而使轻集料混凝土的和易性及承载能力得到有效地改善和提高.但泡沫剂的掺量过高时,将会引入过多的气泡,导致轻集料混凝土的流动性过大,结构密实度差,力学性能大幅度降低.

2.2 吸水率

泡沫剂改性轻集料混凝土的吸水率见图5.

由图5可以得知,随着向轻集料混凝土中掺入泡沫剂含量的增加,吸水率的变化是先下降再升高.加入泡沫剂,既改善和易性、增大密实度,又减小毛细管作用,可以降低吸水率,吸水率降低到最低点时的泡沫剂掺量为2‰.但加入过量泡沫剂会使含气量过高,结构密实度降低后吸水率会升高.

2.3 抗渗性

研究泡沫剂对轻集料混凝土抗渗性的影响是在基本配合比的基础上,取泡沫剂的掺量0.1‰,与基本配合比的轻集料混凝土进行氯离子抗渗对比试验.试验结果见表3.

从抗渗性对比试验的结果可以得出，泡沫剂能够降低轻集料混凝土吸水率,提高轻集料混凝土抗渗性的结论.原因是由于泡沫剂表面活性剂的吸附作用,在混合料搅拌时带入了大量能够稳定存在于混凝土中的微气泡,而这些微气泡的存在恰好阻断了毛细管的通路,起到提高轻集料混凝土抗渗性的作用.

2.4 抗冻性

抗冻性试验同抗渗性试验一样,取泡沫剂掺量0.1‰,与基本配合比的轻集料混凝土进行对比试验.试验结果见表4.

表4 改性轻集料混凝土抗冻性Table 4 The frost resistance of modified lightweight aggregate concrete

由表4可见,掺加了泡沫剂的轻集料混凝土不仅抗渗性增强,而且抗冻性也得到了很大的提高.另外,泡沫剂表面活性剂的作用可以提高混凝土的和易性,使水泥浆体与轻集料之间更好的黏结在一起,对抗冻性起到了重要作用.

2.5 导热系数

图6 泡沫剂对轻集料混凝土导热系数的影响Fig.6 The influence of frother on heat conductivity coefficient

泡沫剂改性轻集料混凝土的导热系数见图6.

由图6可以看出,增加泡沫剂的掺量可以减小导热系数.当掺量为4.0‰时,轻集料混凝土的导热系数降至0.122 3W/(m·K),比空白样减小了30%,这表明泡沫剂对其热工性能的改善作用较为显著.

3 结论

(1) 在轻集料混凝土中加入适量泡沫剂,能够起到改善和易性、提高基本力学性能的作用.

(2) 掺入适量的泡沫剂,轻集料混凝土的吸水率显著降低,抗渗性和抗冻性大大提高,起到改善耐久性的作用.

(3) 泡沫剂可减小轻集料混凝土导热系数,当掺量达到4.0‰时,导热系数降至0.122 3W/(m·K),比空白样减小30%,起到提高热工性能的作用.

参 考 文 献

[1] 崔磊.高强轻骨料混凝土性能及影响因素研究[J].工程技术研究,2017(4):7-8.

[2] Michael Yong Jing Liu,U.Johnson Alengaram,Mohd Zamin Jumaat,Kim Hung Mo.Evaluation of thermal conductivity,mechanical and transport properties of lightweight aggregate foamed geopolymer concrete[J].Energy and Buildings,2014,72:238-245.

[3] 宁宁,陈洪昌,付瑛琪.超轻混凝土的研究现状及其在结构中应用前景[J].混凝土,2017(7):149-150.

[4] 任小明,赵辉,陈鹏,吴超,江莉莉,蒋涛.高性能泡沫混凝土影响因素研究[J].胶体与聚合物,2016(1):16-18.

[5] D.K.Panesar.Cellular concrete properties and the effect of synthetic and protein foaming agents[J].Construction and Building Materials,2013,44:575-584.

[6] 陈伟.轻集料-基体协同作用对混凝土性能的影响[D].重庆:重庆大学,2013.