泡沫混凝土孔结构对抗压强度的影响研究

戴雨辰 ，高培伟 ，林辉 ，朱玉翔 ，吴春晓 ，耿飞 ，宿静

（1.南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京 210016；2.无锡市墙材革新和散装水泥办公室，江苏 无锡 214001 3.山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

0 引言

泡沫混凝土作为一种轻质、多孔材料，以其较低的密度、适宜的强度和出色的保温吸声性能被广泛应用于道路回填、基础垫层和建筑隔墙中[1-5]，这些特性主要由其内部的孔结构决定[6-8]。影响泡沫混凝土性能的因素很多，如外加剂、密度、孔隙率及掺合料等[9-10]，对泡沫混凝土强度的调控主要从泡沫混凝土孔结构及孔壁强度等方面进行[11-12]；对泡沫混凝土孔结构的影响因素主要有水胶比、外加剂及搅拌工艺等[13-15]。本文针对4种不同中密度泡沫混凝土（600～900 kg/m3），根据前期大量试验优化配比制备同一密度等级下5种不同水胶比的泡沫混凝土试件，以水胶比为变量，研究平均孔径、孔隙率及抗压强度的变化规律，分析其相互作用关系，通过对同一级别泡沫混凝土孔隙率与抗压强度关系进行拟合，建立其相互关系，为泡沫混凝土在实际工程中的应用提供参考。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥：P·Ⅱ42.5水泥，上海产，符合 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求；粉煤灰：Ⅱ级，上海产，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求；发泡剂：FC-1型，自制，稀释40倍时的发泡倍数为35.7，1 h沉降距为6.7 mm，1 h泌水率为15.7%；减水剂：聚羧酸系高性能减水剂。

1.2 试验方案及方法

为提高泡沫混凝土在实际工程应用中的经济性以及可操作性，满足结构填充材料的需要，在泡沫混凝土浆体中适当掺入一定量的非活性材料，通过控制单位体积泡沫混凝土原料的总质量，计算不同水胶比下各类原料的掺量，试件干密度及水胶比如表1所示。

表1 试件干密度及水胶比

在浆料完成拌和后，浇筑在边长100 mm的立方体模具中振动成型；试件在室内养护（24±2）h后拆模，并在标准养护箱内养护28 d，测试抗压强度。

泡沫混凝土孔隙率e直接采用质量-体积法测得，按式（1）计算：

式中：ρ——试件的干密度，kg/m3；

ρ0——试件的实密度，kg/m3。

将养护28 d后的泡沫混混凝土试件制成切片，通过supereyes电子显微镜采集孔隙图片并用Image-J软件进行分析，计算平均孔径。

2 试验结果与讨论

2.1 水胶比对泡沫混凝土平均孔径的影响

图1是600～900级泡沫混凝土在不同水胶比下的平均孔径。

图1 水胶比对泡沫混凝土平均孔径的影响

由图1可见：随水胶比的增大，不同密度等级泡沫混凝土的平均孔径呈增大趋势。水胶比为0.65时，600级泡沫混凝土的平均孔径为354 μm，比水胶比为0.40时的平均孔径302 μm增大了17.22%；700、800、900级泡沫混凝土在水胶比为0.40～0.65时的增幅分别为18.28%、19.30%和31.58%。水胶比为 0.50～0.60时，600、700、800、900 级泡沫混凝土平均孔径的增长最为显著。

随着水胶比的增大，胶凝材料的粘结性能下降，对气泡的包裹能力减弱，大量气泡相互融合连通，平均孔径呈现上升趋势[13]，水胶比为0.50～0.60时表现最为明显；进一步增大水胶比，气泡受限于胶凝材料间的摩擦力，孔径增长幅度相对减小。对于同一水胶比下不同密度等级的泡沫混凝土，平均孔径随密度等级的增大而呈现下降趋势，这是由于随着密度等级增加，胶凝材料在基质中的比重增大，气泡穿越孔壁进行融合阻力增大，平均孔径降低。

2.2 水胶比对泡沫混凝土孔隙率及抗压强度的影响（见图2）

图2 水胶比对不同密度等级泡沫混凝孔隙率及抗压强度的影响

由图2可见：总体来说，在试验范围内泡沫混凝土孔隙率随水胶比增大呈现下降趋势，抗压强度则呈现先上升后下降的趋势。

（1）600级泡沫混凝土最大与最小孔隙率分别为70.5%和66.8%。这是由于随水胶比增大，胶凝材料的粘聚性下降，气泡之间相互融合合并减少了基质中气泡的总体积；大量离子的流动使水泥等胶凝材料的水化反应更加充分，水化产物使孔壁厚度得到提高，填充了孔壁之间的间隙，使孔隙率呈现下降趋势。图2（a）中最小抗压强度为0.70 MPa，最大抗压强度为1.38 MPa，增长97.14%，水胶比超过0.55后，抗压强度增长较为缓慢。

（2）700级泡沫混凝土最大与最小孔隙率分别为64.3%和59.8%，最大抗压强度为1.71 MPa，此时对应水胶比为0.50，进一步增大水胶比，抗压强度呈现下降趋势。

（3）800级泡沫混凝土最大与最小孔隙率分别为58.8%和56.7%，最大抗压强度为2.21 MPa，此时对应水胶比为0.55，进一步增大水胶比，抗压强度下降至2.10 MPa。

（4）900级泡沫混凝土最大与最小孔隙率分别为54.0%和53.5%，最大抗压强度为2.73 MPa，此时对应的水胶比为0.55，较水胶比为0.40的抗压强度提高49.19%，变化趋势与800级相近。

（5）抗压强度在低水胶比时随水胶比的增大呈上升趋势，这是由于随水胶比增大，孔隙率降低，胶凝材料水化反应加剧，抗压强度及孔壁厚度得到提高；进一步增大水胶比，孔隙率虽降低，但孔径的增大使气孔在基质中分布不均匀，易出现应力集中现象，降低了泡沫混凝土整体的抗压强度。600、700、800、900级泡沫混凝土在水胶比由0.40增至0.60时，孔隙率分别降低5.24%、6.99%、3.57%和0.93%，表明随干密度的增大，泡沫混凝土孔隙率减小幅度逐步降低，这是由于基料密度增大使气泡在基质内的迁移受阻，孔隙率的变化趋于稳定。因此水胶比的变化直接影响泡沫混凝土的孔结构，孔结构又作用于抗压强度。

2.3 孔隙率与抗压强度的相关性

根据不同孔隙率（x）下泡沫混凝土的抗压强度（y）对其进行拟合，结果发现，600～900级泡沫混凝土回归方程参数可以用二次函数式（2）表示：

孔隙率与抗压强度拟合曲线见图3，回归方程参数见表2。

图3 泡沫混凝土孔隙率与抗压强度的拟合曲线

表2 泡沫混凝土孔隙率与抗压强度回归方程参数

由表2可见，二次回归方程的相关系数较高，这表明泡沫混凝土孔隙率与抗压强度间相关性较好，用二次函数拟合孔隙率与抗压强度之间的关系有利于计算泡沫混凝土抗压强度的峰值，确定最佳配比。

2.4 气孔形态分析

图4为600级泡沫混凝土在不同水胶比下的气孔形貌。

图4 600级泡沫混凝土气孔形貌扫描照片

由图4可见，在水胶比为0.50时，气孔分布较为密集，相对孔径较小、气孔分布较为均匀，气孔与气孔间界限明显，无明显的合并趋势；在水胶比为0.60时，泡沫混凝土气孔的平均孔径明显增大，气孔间界限较为模糊并有相互合并的趋势，孔径的分布相对不均匀，易产生应力集中现象。

3 结语

（1）水胶比增大，泡沫混凝土的平均孔径呈增大趋势、浆料内部气泡总体减少，泡沫混凝土的孔隙率降低。

（2）在试验范围内，泡沫混凝土抗压强度随水胶比增大先提高后降低，这是由于孔径的增大会产生应力集中效应，降低抗压强度，也说明孔结构是决定泡沫混凝土抗压强度的关键因素。

（3）泡沫混凝土的孔隙率与抗压强度呈二次函数关系，且相关性较好，可用于推测抗压强度峰值。

（4）通过分析泡沫混凝土微观结构形貌发现，水胶比为0.50～0.55时的孔结构比较合理，抗压强度也最高。

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