基于正交试验下水温对泡沫混凝土性能的影响

2022-05-08王鑫琦郭宏杰杜杭威

兰州理工大学学报 2022年2期

王军, 王鑫琦, 郭宏杰, 杜杭威

(1. 甘肃建投住宅产业新型材料有限公司, 甘肃兰州 730300; 2. 兰州理工大学土木工程学院, 甘肃兰州 730050)

泡沫混凝土具有耐火、隔热、保温的物理特点,同时兼顾便于施工、价格低廉的市场特性而被广泛应用于建筑的诸多领域.在行业发展过程中,泡沫混凝土不断得到新的应用,在建设公路的过程中泡沫混凝土被用来降低地基沉降的风险.目前在泡沫混凝土中加入掺和料已然成了新的研究热点,掺入矿渣、粉煤灰等工业废料有助于提高泡沫混凝土的物理性能,同时也有助于节约资源,保护环境.然而泡沫混凝土在使用过程中逐渐暴露出耐久性能差、抗压强度低等问题而限制了其在工程领域的进一步应用[1].

沈峰[2]在探讨泡沫混凝土性能的同时总结了泡沫混凝土在建筑工程保温墙体、砌块、补偿地基等方面的应用.陈雯等[3]研究了基料对泡沫混凝土不同性能的影响,研究表明，当基料不同时,泡沫混凝土的导热系数、干密度、抗压强度等物理、力学指标存在差异.发泡剂会直接对泡沫混凝土微观孔隙结构产生影响,进而影响其宏观性能,所以发泡剂的成分及其特性对孔隙结构的形成起着重要的作用,通过对各类发泡剂的改性和混掺复配[4]研究发泡剂、外加剂对泡沫混凝土性能的影响,确定发泡剂的浓度、外加剂的种类[5-6]、稳泡剂合理用量[7-8]具有重要意义.普通混凝土抗压强度高于泡沫混凝土一个数量级,为了解决泡沫混凝土抗压强度低的情况,催生了学者们对于复合夹心墙板的研究[9-11]，由于泡沫混凝土内部结构与普通混凝土截然不同,因此许多学者将泡沫混凝土内部孔隙作为主要研究对象,探究泡沫混凝土内部孔隙的影响因素以及内部结构与泡沫混凝土力学性能之间的关系[12-13].齐玮等[14-15]基于国内外有关泡沫混凝土的孔隙特征、力学性能等研究的基础,制备了干密度600～1 000 kg/m3的泡沫混凝土,采用优化的孔隙测试方法,建立了数值模型并得出结论,认为水胶比是显著影响泡沫混凝土内部孔隙特征的因素之一[16],孔隙特征与力学性能之间满足一定的数学模型.习雨同[17]认为泡沫混凝土的物理性能与气孔结构有着密切联系,通过正交试验(三因素三水平)得出不同水胶比、砂灰比、粉煤灰掺量等因素对固定干密度泡沫混凝土细观结构特征的影响,结果表明,水胶比对孔隙率的影响更为显著,并且孔隙率随着粉煤灰掺量和水胶比的增大而减小,孔隙率和平均孔径对吸水率的影响呈现正相关性.

上述关于泡沫混凝土的研究中,均未考虑水温在制备泡沫混凝土过程中对泡沫混凝土内部孔结构成型的影响.本文通过正交试验设计确定最佳水配合比,在此基础上改变水的温度,研究制备用水温度对泡沫混凝土的内部孔结构、抗压强度、干密度、以及吸水率的影响.旨在为不同温度条件下泡沫混凝土的生产提供理论指导.

1 试验

1.1 原材料

试验选用常规的P.O42.5普通硅酸盐水泥,并且满足规范GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求.细骨料选用砂和蛭石,经检测砂的级配区间属于Ⅱ级中砂,细度模数值为2.8,蛭石粒径为1～3 mm.掺合料为Ⅱ级粉煤灰,化学指标见表1.双氧水作为本次试验研究的发泡剂,性能指标为质量分数27.5%,稳定度96%,不发挥物0.062%,游离酸0.024%.图1a,b分别为聚丙烯纤维抗裂纤维(PPF)和可分散乳胶粉.

表1 粉煤灰主要化学成分

图1 聚丙烯纤维和可再分散乳胶粉Fig.1 Polypropylene fiber and redispersible latex powder

1.2 试验方案

为了研究单一变量温度对泡沫混凝土性能的影响,设计正交试验确定水胶比(A)、粉煤灰掺量(B)、胶粉掺量(C)三因素组合水平基于抗压强度下的极差分析,确定最优水平组合,正交试验结果见表2和表3,通过正交试验确定胶粉掺量2%、粉煤灰掺量15%、水胶比0.6为最优水平组合.基于最优水平组合设置7种温度水平(15、20、25、30、35、40、45 ℃),按照表4所列的配合比制作水灰比为0.6的泡沫混凝土试块,试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,泡沫混凝土试块制作过程中需按照表4所示的配合比将原材料依次投放进搅拌机内,搅拌均匀后加入发泡剂快速搅拌10 s注入试模内,静置24 h后脱膜,放入标准养护室内养护.

表2 正交试验因素水平表

表3 正交试验结果及极差分析

表4 泡沫混凝土配合比

2 结果与讨论

2.1 孔隙结构

将泡沫混凝土试块平均分割成四份,在每个切割面上任取3个点,利用HC-U81混凝土超声波测缺功能对泡沫混凝土孔隙进行细观测量,对读取的测量数据取平均值,图2为测量孔径时的采集图片,表5为泡沫混凝土在不同温度下的平均孔径.对每个切割面进行二值化处理,利用Image-ProPlus6.0得到New Mask图(如图3所示)并计算孔隙率,计算结果见表6.结合表5，表6和图3可知,随着温度的升高平均孔径变大,当温度为15 ℃时,化学反应缓慢,水泥水化不完全,大量胶凝材料堵塞了孔隙,导致了平均孔径较小,孔隙率仅为21%左右.当温度为30、35 ℃时,泡沫泡沫混凝土平均孔径和孔隙率计算结果非常相近,并且孔结构相对较优,孔径大小均匀且连通孔少.当水温为45 ℃时,平均孔径继续增大,但是孔隙率出现明显的下降,主要是因为温度升高增加了双氧水的活性,发泡过程中出现气孔破裂形成较多的连通孔,且切面上气孔分布不均匀.当仅考虑泡沫混凝土内部孔隙结构时,泡沫混凝土制备时宜选用30、35 ℃的水温.

图2 孔隙采集图Fig.2 Pore collection map

图3 泡沫混凝土New Mask图Fig.3 New Mask of foam concrete

表5 泡沫混凝土平均孔径

表6 泡沫混凝土平均孔隙率

2.2 抗压强度

通过压力试验机对泡沫混凝土进行抗压强度测试，试验过程中应保持均匀加载至试件破坏，然后记录不同制备水温下的泡沫混凝土破坏荷载，并计算每组试件的算数平均值.图4所示为水温与泡沫混凝土抗压强度的曲线关系,其28 d抗压强度随着水温的升高而降低，并且抗压强度随水温变化的变化率并不是保持不变,而是随着温度的升高,抗压强度变化越来越慢.水温温度与泡沫混凝土抗压强度之间存在数值关系y=3.377x-0.599,相关系数R2=0.98.这是由于抗压强度不仅与材料本身特性有关,与内部孔隙结构也有密不可分的关系,随着水温的升高,双氧水活性受到影响,发泡速率的改变引起泡沫混凝土内部孔结构的变化,平均孔径随着水温升高而变大,孔壁由厚变薄,连通孔变多,抗压强度会随之下降.众多经验公式[18-19]表明泡沫混凝土强度与孔隙率存在一定关系,经验公式中相关性系数最高的为Hasselmann提出的线性公式：

图4 抗压强度与水温拟合曲线Fig.4 Fitting curve of compressive strength and water temperature

fc=f0(1-AP)

(1)

其中:fc为抗压强度;f0为孔隙率为零时水泥石的抗压强度;p为泡沫混凝土孔隙率;A为经验常数.

试验结果与经验公式有所区别,体现在抗压强度与孔隙率的关系并不是单调关系,结合图2和表6,45 ℃时平均孔隙率小于30、35 ℃时的孔隙率,按照线性经验公式，45 ℃时抗压强度应该高于30、35 ℃时的抗压强度,但是试验表明，45 ℃时抗压强度低于30、35 ℃时的抗压强度.所以当温度变化时,分析泡沫混凝土的抗压强度时,应综合考虑内部孔结构的影响,单一的考虑孔径大小、孔隙率、连通孔都是不准确的.当温度为30、35 ℃时,虽然泡沫混凝土孔隙率较高,但孔径分布大小均匀,连通孔少,气孔圆度值高,所以泡沫混凝土抗压强度(≥0.3 MPa)依然能够满足规范要求.

2.3 干密度

图5为干密度随水温变化的关系曲线.由图5可知,水温和干密度呈现反向变化趋势,当温度升高时,干密度逐渐下降.水温与干密度的关系为y=11 638-1 853ln(x+427),相关系数R2=0.97.泡沫混凝土试块中的孔隙体积决定了泡沫混凝土的干密度,试验采用的是化学方法制备泡沫混凝土,考虑到双氧水活性极易受到温度的影响,温度升高会加快双氧水的分解速率，而在水泥水化的过程中伴随着气泡的产生使浆料膨胀,当水化产物的浓度不断提高达到临界值,会促使水化产物析出微晶胶粒，微晶胶粒为絮状结构物,当微晶胶粒增多时, 料浆会因逐渐失去流动性丧失支撑自重的结构强度,这就是气孔结构形成的基本过程.但是在以化学发泡法制备泡沫混凝土时,因发泡剂受温度影响较大,发泡剂放气速度与气孔壁强度发展进程难以同步,最终导致气孔连通率较高.当水温升高时,由内部形貌可知,随着孔径变大、孔隙率提高、连通孔增多,干密度出现降低的趋势.当水温为35～40 ℃时,干密度下降至240 kg/m3,考虑到水温过高加上水化热会导致泡沫混凝土因温度应力产生裂缝,所以当泡沫混凝土干密度满足要求时,此时的水温为最佳的温度.

图5 干密度与水温拟合曲线Fig.5 Fitting curve of dry density and water temperature

2.4 吸水率

图6 吸水率与水温的拟合曲线Fig.6 Fitting curve of water absorption and water temperature

3 因素相关性分析

3.1 相关性理论

相关性理论是指定量分析两种或者两种以上变量之间的相互依赖程度,按照因素数量的不同,相关性分析主要分为两因素相关性分析和多因素相关性分析,按照因素之间的关系,可以分为线性相关性和非线性相关性.泡沫混凝土抗压强度、干密度、吸水率与温度之间均存在单调关系,为了研究泡沫混凝土各物理性能在温度变化作用下的相关性,试验选择基本的二因素线性相关性进行分析.

假定相关变量x与y之间存在相关性,则一元相关分析方程为

y=b+ax+ε

(2)

其中:a,b为线性相关性分析中的参数,ε～N(0,σ2),假设有(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)作为一组相互独立的数值,则有

yi=b+axi+εi

(3)

相关参数可由最小二乘法求得,因为(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)是一组观测值,当x0,x1,x2,…,xn确定的情况下,相应的yi与确定变量相关的偏差值为

yi-E(yi)=yi-b+axi+εi

(4)

由于偏差值的不同,离差平方和为

(5)

如果存在b,a使得离差达到极小值,则b,a就是所要求的相关参数,由于minQ(b,a)总存在极小值,满足

(6)

则

(7)

3.2 二因素相关性分析

在水温变化条件下,测得的泡沫混凝土抗压强度和干密度试验数据如图4和图5所示,从图中可以看出抗压强度和干密度随温度变化的变化速率不同,但是整体变化趋势相同,呈现出随温度增加而递减的趋势.因此将试验数据导入SPSS分析因素相关性得到图7,由图7可知,在水温变化下,泡沫混凝土的抗压强度和干密度之间存在正线性相关性,相关性指数R2=0.94,由此可以得出抗压强度和干密度之间相关性程度较高.温度变化作用下,泡沫混凝土抗压强度和吸水率的具体值如图4和图6所示,随温度变化泡沫混凝土抗压强度和吸水率的整体变化趋势相反,用相同的方法分析抗压强度和吸水率在温度变化作用下的相关性得到图8,从图8可知,泡沫混凝土抗压强度和吸水率呈现负相关性,并且R2=0.94,两因素之间存在较高的相关性.由此可以说明,当泡沫混凝土的物理、力学性能仅受温度变化影响时,抗压强度与干密度、吸水率之间均存在可靠度高的线性相关性,因此在温度变化作用下,可以选择一个物理、力学性能指标来表征泡沫混凝土的整体性能.