镍铁渣砂对泡沫混凝土孔结构及收缩开裂性能的影响

熊远亮，朱 玉，李保亮,3，陈 春，张亚梅

(1.东南大学材料科学与工程学院，江苏省土木工程材料重点实验室， 南京 211189；2.烟台大学土木工程学院，烟台 264005;3.淮阴工学院建筑工程学院， 淮安 223001)

0 引 言

泡沫混凝土是一种由水泥基体、辅助材料及孔隙等组成的多孔轻质混凝土。与传统混凝土相比，泡沫混凝土具有流动度高、密度低、保温隔热及隔声性能好等优点，受到国内外学者广泛关注。然而，泡沫混凝土也存在强度低、干缩大及易开裂等缺点，限制了泡沫混凝土的大规模应用。为提高泡沫混凝土的性能，学者[1-2]通过调节水泥种类及掺量、水灰比、砂级配、胶砂比、发泡剂种类等进行了大量的研究。此外，粉煤灰、硅灰、纤维及骨料[3-6]等材料也被用于提高泡沫混凝土的性能。与其他方法相比，适量骨料的掺入是提高泡沫混凝土强度、改善泡沫混凝土收缩及开裂性能经济且简单有效的方式[6]。

随着大量混凝土用于基础设施建设，可用于制备混凝土的天然骨料日益减少，严重制约了社会的发展。因此，利用橡胶颗粒、废弃黏土砖及镍铁渣等固体废弃物制备可再生骨料取代天然骨料越来越受到国内外学者的重视[7]。镍铁渣是熔炼镍矿过程中产生的一种工业副产品，主要由斜顽辉石(clinoenstatite， MgSiO3)、顽辉石(enstatite， MgSiO3)和镁橄榄石(orsterite， Mg2SiO4)矿物组成，同时含有玻璃体相及Cr等。中国每年有接近3 000万t的镍铁渣排放[8]，而仅有约12%(质量分数)的镍铁渣用于制备混凝土骨料及混凝土矿物掺合料[9-11]等，大量未处理的镍铁渣会造成环境污染。将废渣合理地应用在水泥基材料中可以降低污染，但目前镍铁渣的利用率很低，主要原因是镍铁渣中大量的二价镁安定性问题，以及镍铁渣与水泥基体间的潜在碱骨料反应等问题[7,12]。

Sun等[13]研究表明，掺入镍铁渣砂可以使混凝土的力学性能、抗氯离子侵蚀性能及抗火性能均出现一定程度的提高。Choi等[7]研究发现，镍铁渣砂会与水泥基体发生碱骨料反应导致混凝土膨胀，而将镍铁渣砂破碎或采用天然砂、粉煤灰及矿渣部分取代镍铁渣砂会有效减小混凝土的膨胀。镍铁渣砂在混凝土中应用会由于安定性问题及碱骨料反应问题导致混凝土膨胀开裂，但镍铁渣砂在泡沫混凝土中应用具有很大优势：一方面泡沫混凝土自身收缩大，镍铁渣砂作为骨料可以起支撑作用，约束基体的变形；另一方面，镍铁渣砂由于安定性及碱骨料反应产生的微膨胀能够抵消泡沫混凝土部分收缩[7]。然而，目前采用镍铁渣砂改善泡沫混凝土性能的研究还很少。

本文采用镍铁渣砂制备泡沫混凝土，研究镍铁渣砂掺量对泡沫混凝土抗压强度、变形及收缩开裂的影响，并采用SEM、X-CT等手段研究了泡沫混凝土微结构，以期实现镍铁渣砂在泡沫混凝土中的利用，降低泡沫混凝土的生产成本，并缓解镍铁渣利用率低而带来的严重环境污染问题。

1 实 验

1.1 原材料

水泥(Portland cement, PC)采用P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥，其比表面积为360 m2/kg，密度为3.12 g/cm3，化学组成见表1。发泡剂采用纳米改性合成发泡剂(NA-SS,中山宜发建材科技有限公司，广东中山)，其基本组成见文献[14]。试验用镍铁渣砂是镍铁渣经破碎制备而成，镍铁渣砂的细度模数、密度及累积粒径分布如表2和图1所示，镍铁渣砂化学组成如表3所示。

表1 水泥的化学组成Table 1 Chemical composition of cement

表2 镍铁渣砂的细度模数及密度Table 2 Fineness modulus and density of ferronickel slag sand

表3 镍铁渣砂的化学组成Table 3 Chemical composition of ferronickel slag sand

图1 镍铁渣砂累积分布Fig.1 Cumulative distribution of ferronickel slag sand

1.2 泡沫混凝土的制备方法

合成发泡剂与水按1 ∶300的质量比制成发泡液。按照表4材料配合比，成型目标密度为1 000 kg/m3的泡沫混凝土。具体制备过程为：以0.4的水胶比将水与水泥混合搅拌30 s，然后加入镍铁渣砂搅拌均匀，同时，将发泡液置于发泡机发泡，然后将制备的泡沫引入水泥基体中以60 r/min的转速搅拌3 min，浇筑尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的泡沫混凝土试件。试件成型48 h后脱模，在温度为(20±2) ℃、相对湿度(RH)>95%的标准养护室内养护。养护完成后，在60 ℃的干燥箱中烘至恒重，称量烘干后试件的质量，获得泡沫混凝土的密度。

表4 泡沫混凝土配合比Table 4 Mix proportion of foamed concrete

1.3 泡沫混凝土性能测试方法

1.3.1 泡沫混凝土抗压强度及其孔结构

依据标准JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[15]，测试泡沫混凝土抗压强度。抗压强度测试前，将标准试件 (100 mm×100 mm×100 mm) 置于60 ℃的烘箱中烘至恒重，测试泡沫混凝土的抗压强度。进行抗压强度试验时，压力试验机的加载速度控制在1.5～2.5 kN/s之间。

采用X-CT(Y.CT PRECISION S) 表征养护28 d后泡沫混凝土试件的微观孔结构，X-CT的最小分辨率约为10 μm。

1.3.2 泡沫混凝土干燥收缩及自收缩

两端预埋铜棒的40 mm×40 mm×160 mm试件用于测试泡沫混凝土干燥收缩性能，试件每组3块，24 h后拆模，置于(20±2) ℃恒温水槽保持72 h，然后将试件取出、擦干并测量初始长度。置于恒温 (20±1) ℃、恒湿 (43±2)%环境下，并于3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、56 d及90 d测量其长度，每次读数重复3次，测试过程参照规范GB/T 11969—2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》[16]。

泡沫混凝土的自收缩测试按照ASTM C1698—19[17]的方法进行。自收缩试验装置为变形测试系统SBT-AS200,自收缩测试试验于恒温(20±1) ℃、恒湿(43±2)%环境中进行，每分钟进行一次数据采集，连续监测7 d。每组泡沫混凝土采用两根波纹管，并取平均值作为其自收缩值。

1.3.3 开裂性能测试

泡沫混凝土的抗裂性能采用平板法进行测试[18]，测试过程参照标准CCES 01—2018《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[19]及JCT 951—2018《水泥砂浆抗裂性能试验研究》[20]，如图2所示。平板试验模具尺寸为：长(900±3) mm、宽(600±3) mm、高(50±1) mm。直径为10 mm的螺纹钢筋作为泡沫混凝土内部约束，螺纹钢筋设置方向垂直于模板长边，间距为150 mm，钢筋离模板底部的高度为20 mm，使用木块控制钢筋的位置，泡沫混凝土抗裂性能试验分组如表5所示。

收缩开裂试验环境条件为温度(20±2) ℃、相对湿度(60±5)%。首先将泡沫混凝土浆体置于模具中抹平，然后采用碘钨灯在模具正上方1 m处用1 000 W碘钨灯照射，试件表面温度约为40 ℃。4 h后关闭碘钨灯，然后在水平方向采用风速为2～3 m/s的风扇吹24 h。记录泡沫混凝土试件的开裂时间、裂缝长度和裂缝宽度。通过公式(1)～(3)计算单位面积裂缝数量(Nunit)，平均裂缝面积(ac)和单位面积上总开裂面积(Ac)[16]。

Nunit=N/A

(1)

ac=1/(2N)∑NiWiLi

(2)

Ac=ac·Nunit

(3)

式中：Wi为第i个裂纹的最大宽度，mm；N为裂纹的总数；Li为第i个裂纹的长度，mm；A为平板面积，0.54 m2。

图2 泡沫混凝土收缩开裂试验Fig.2 Cracking resistance test of foamed concrete

表5 收缩开裂试验分组Table 5 Groups for cracking resistance test

泡沫混凝土抗裂等级的评估标准如表6所示。根据CCES01—2018《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[19]评估标准，泡沫混凝土的抗裂性可分为五个等级。

表6 收缩开裂判别标准及抗裂等级Table 6 Discriminant criteria of shrinkage cracking and crack resistance grade

2 结果与讨论

2.1 镍铁砂对泡沫混凝土抗压强度及孔结构影响

镍铁渣砂掺量对泡沫混凝土抗压强度影响如图3所示。镍铁渣砂掺量为0%、5%、10%及20%时，泡沫混凝土的28 d抗压强度分别为8.8 MPa、9.3 MPa、8.0 MPa及7.7 MPa。随着镍铁渣砂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度先增大后减小，这是由于镍铁渣砂掺量不大于5%时，泡沫混凝土的抗压强度主要由水泥浆体提供，且镍铁渣砂引入的缺陷相对较少，颗粒作为骨架，起到一定支撑作用，使泡沫混凝土抗压强度升高[21]；而镍铁渣砂掺量超过10%时会在泡沫混凝土中引入大量界面缺陷，降低泡沫混凝土的抗压强度。镍铁渣砂泡沫混凝土的SEM-EDS测试结果如图4所示，镍铁渣砂表面光滑，表明镍铁渣砂与基体之间未发生明显的化学反应，镍铁渣砂与基体之间存在明显的界面缺陷，界面缺陷会显著降低混凝土的抗压强度[22-23]。

图3 镍铁砂掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响Fig.3 Effect of ferronickel slag sand content on compressive strength of foamed concrete

图4 镍铁砂泡沫混凝土SEM照片及EDS谱Fig.4 SEM image and EDS spectrum of foamed concrete with ferronickel slag sand

泡沫混凝土X-CT测试结果及孔分布统计结果如图5～6所示。随着镍铁渣砂掺量的增加，泡沫混凝土中尺寸小于150 μm的孔逐渐减少，大于150 μm的孔逐渐增多，泡沫混凝土的平均孔径增大。镍铁渣砂掺入会在镍铁渣砂与水泥基体间引入界面缺陷，如图4所示，造成泡沫混凝土大孔数量增加。

图5 泡沫混凝土X-CT二维断面图Fig.5 X-CT two-dimensional cross section images of foamed concrete

图6 镍铁砂含量对泡沫混凝土孔径分布的影响Fig.6 Effect of ferronickel slag sand content onpore size distribution of foamed concrete

2.2 镍铁砂对干燥收缩及自收缩影响

镍铁渣砂掺量对泡沫混凝土的干燥收缩性能影响如图7所示。泡沫混凝土在前7 d的收缩急剧增长，这是泡沫混凝土水化早期自由水消耗和蒸发导致的[24]。随着水泥的持续水化和自由水蒸发，泡沫混凝土的收缩率逐渐降低，最终保持稳定。掺加0%、5%、10%和20%镍铁渣砂泡沫混凝土90 d的干燥收缩分别为3.83×103με、3.70×103με、3.43×103με和3.24×103με。

图7 镍铁渣砂含量对泡沫混凝土干燥收缩的影响Fig.7 Effect of ferronickel slag sand contenton drying shrinkage of foamed concrete

镍铁渣砂掺量对泡沫混凝土的自收缩的影响如图8所示，镍铁渣砂掺量分别为5%、10%和20%时，泡沫混凝土减缩量分别为6.8%、22.2%及26.0%。随着镍铁渣砂掺量的增加，泡沫混凝土的自收缩明显降低，这是由于镍铁渣砂掺入，一方面，减少水泥用量，降低水泥水化自由水消耗导致的收缩，另一方面，镍铁渣砂掺入会约束基体的变形，进一步降低泡沫混凝土的收缩。

图8 镍铁渣砂含量对泡沫混凝土自燥收缩的影响Fig.8 Effect of ferronickel slag sand contenton autogenous shrinkage of foamed concrete

2.3 镍铁砂对泡沫混凝土抗裂性能影响

泡沫混凝土抗裂性能测试结果如表7及图9所示。由图可知，镍铁渣砂的掺入可以显著降低泡沫混凝土的裂缝数量及裂缝宽度。掺加0%、10%及20%镍铁渣砂的泡沫混凝土开裂时间分别为205 min、242 min和280 min，抗裂等级由V级逐渐提高为II级，这与文献[7] 采用天然砂改善泡沫混凝土抗裂性能的变化规律一致。平板试验中泡沫混凝土开裂的主要原因是泡沫混凝土的塑性收缩，塑性收缩是由于水分耗散、泌水蒸发而产生的[25]。镍铁渣砂掺入减少了水泥用量，而且镍铁渣砂能够约束基体的变形，降低泡沫混凝土的收缩，因而改善泡沫混凝土的收缩开裂性能。

表7 泡沫混凝土抗裂性能Table 7 Cracking resistance of foamed concrete

图9 镍铁渣砂掺量对泡沫混凝土收缩开裂性能影响Fig.9 Effect of ferronickel slag sand content on shrinkage cracking of foamed concrete

3 结 论

(1)随着镍铁砂掺量的增加，泡沫混凝土的强度呈先增大后减小的趋势。

(2)镍铁渣砂掺量不大于5%时，泡沫混凝土的强度主要由水泥浆体提供，且镍铁渣砂引入的缺陷相对较少，颗粒作为骨架，起到一定支撑作用，使泡沫混凝土强度升高。而镍铁砂掺量超过10%时，会在泡沫混凝土中引入大量界面缺陷，使泡沫混凝土的大孔数量增加，平均孔径增大，泡沫混凝土的强度降低。

(3)随着泡沫混凝土中镍铁渣砂掺量的增加，水泥用量减少，水泥水化的自由水消耗导致的收缩降低，且镍铁渣砂掺入会约束基体的变形，进一步降低泡沫混凝土的收缩，提高抗裂性能。当镍铁砂掺量由0%增加到20%时，泡沫混凝土的裂缝数量及裂缝宽度出现明显降低，抗裂等级由V级提高到II级。