轻质骨料对泡沫混凝土性能的影响及其内养护机制

熊远亮,刘 超,邓智聪,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)

0 引 言

泡沫混凝土作为一种多孔轻质混凝土材料，具有密度低、导热系数低及耐火性能好等优点[1-4]，在建筑业中的应用越来越广泛。此外，泡沫混凝土具有隔音性能好、强度高等优点[5]。然而，泡沫混凝土也存在干燥收缩大及开裂风险高等缺点，限制了泡沫混凝土的应用[6]。

内养护是一种维持水泥基材料内部湿度、促进水泥基材料水化、改善水泥基材料收缩性能的有效方法[7-8]。目前，常用的内养护材料主要有轻质骨料[9]、空心微珠[10]、超吸水树脂[11]、破碎的混凝土细骨料和木纤维[12]等。轻质骨料具有吸水及释水的特性，是一种常用的内养护材料。轻质骨料能够吸收水泥基体中的水分，并在水泥水化过程中逐渐释放，调节水泥基材料的内部湿度[13-14]，且轻质骨料能够约束基体的变形，降低泡沫混凝土的干燥收缩。轻质骨料的内养护效果与其孔结构密切相关，在较高湿度条件下，孔径越大，释水能力越强，内养护效果越好[15-17]。泡沫混凝土体系具有大量的气孔及游离水导致其干燥收缩大，约为普通混凝土的4～10倍[18]，因此诸多学者将轻质骨料引入泡沫混凝土中改善其收缩性能[19-22]。Rajabipour等[21]研究发现轻质骨料能够降低泡沫混凝土的干燥收缩，改善其抗裂性能。Babu[22]研究表明，掺入适量轻质骨料可降低泡沫混凝土的干燥收缩，提高泡沫混凝土的开裂应力，使泡沫混凝土的开裂龄期从1 d提高至约60 d。尽管目前针对轻质骨料对泡沫混凝土的影响展开了诸多研究，但关于轻质骨料在泡沫混凝土中的内养护机制尚未阐明。

本文采用轻质骨料(页岩陶粒和粉煤灰陶粒)制备泡沫混凝土，研究轻质骨料对泡沫混凝土抗压强度、干燥收缩、内部湿度及孔结构的影响。通过研究轻质骨料孔分布规律与泡沫混凝土内部湿度的对应关系，探究轻质骨料在泡沫混凝土中的内养护机制。

1 实 验

1.1 原材料

采用密度为3.150 g/cm3、比表面积为360 m2/kg的P·II 52.5水泥，其主要化学组成如表1所示。采用如皋汉府建筑科技有限公司提供的煤渣作为细骨料，其表观密度为1 510 kg/m3，吸水率为13.30%，颗粒级配如图1所示。泡沫混凝土的水胶比为0.5，体系中有充足的自由水，故采用干燥状态的页岩陶粒(shale ceramsite, CSLA)和粉煤灰陶粒(fly ash ceramsite, SFCP)制备泡沫混凝土，CSLA和SFCP的物理性能见表2，颗粒级配如图2所示，外观照片及颗粒形貌如图3、图4所示。将纳米改性合成发泡剂(NA-SS)[23-25]与水按质量比1 ∶300混合配制发泡液。

表1 水泥的主要化学组成Table 1 Main chemical composition of cement

图1 细骨料粒径分布Fig.1 Particle size distribution of fine aggregates

图2 粗骨料粒径分布Fig.2 Particle size distribution of coarse aggregates

表2 粗骨料的物理性能Table 2 Physical properties of coarse aggregates

图3 粗骨料的外观照片Fig.3 Appearance images of coarse aggregates

图4 粗骨料的SEM照片Fig.4 SEM images of coarse aggregates

1.2 制备方法

按照表3材料配比，制备目标密度为1 000 kg/m3的泡沫混凝土。采用掺量分别为0%、20%及40%(质量分数，下同)的CSLA及SFCP制备泡沫混凝土，具体过程为：首先将水泥与水按照1 ∶2(质量比)的比例混合搅拌30 s，然后加入轻质骨料搅拌1 min，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60～120 r/min的转速搅拌3 min，制成泡沫混凝土浆体。

表3 泡沫混凝土配合比Table 3 Mix proportion of foamed concrete

1.3 性能测试方法

采用磷酸氢二钠、氯化铵、溴化钠、碳酸钾与醋酸钾饱和盐溶液调节不同湿度，研究饱和吸水轻质骨料在不同湿度条件下的含水率，分析轻质骨料在泡沫混凝土内部湿度降低时的释水能力。

采用扫描电子显微镜(FEI公司，型号FEIInspect F50及EDS能谱仪)观察轻质骨料的微观结构。采用全自动压汞仪(MIP, Micrometritics公司，型号 Auto pore IV 9520)测试轻质骨料的孔分布。测试过程中，汞在压力的作用下被压入材料的孔中，记录此时的压力和相应的体积。多周期MIP技术具有两个周期的进汞/出汞过程，在第一个进汞/出汞周期后，所有墨水瓶孔均被填充，通过第二个进汞/出汞周期可以获得体系内孔类型及孔分布[13-14]。本文采用二次进汞试验来分析轻质骨料的孔类型及孔径分布。

泡沫混凝土抗压强度测试方法依据标准《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)。采用两端预埋铜棒的40 mm×40 mm×160 mm试件进行泡沫混凝土干燥收缩测试，试件每组3块。拆模后置于(20±2) ℃恒温水槽中，水面高出试件3 cm，放置72 h后取出测量其初始长度。然后置于恒温(20±1) ℃、恒湿(43±2)%环境下，测量其在不同龄期的长度，读数重复3次，测试过程参考标准《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T 11969—2020)。

内部湿度测试采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的泡沫混凝土试件，将试件置于恒温(20±1) ℃、恒湿(43±2)%环境下，使用Toprie传感器TP2307测试泡沫混凝土内部湿度，传感器埋入深度为50 mm，由T700多路数据记录仪采集数据。

采用X-CT(Y. CT PRECISION S)表征养护28 d后硬化泡沫混凝土试件(尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)的微观孔结构，分辨率约为100 μm。

2 结果与讨论

2.1 轻质骨料对泡沫混凝土性能的影响

干燥状态的轻质骨料对泡沫混凝土抗压强度的影响如图5所示。由图可知，CSLA掺量为0%、20%及40%时，泡沫混凝土的28 d抗压强度分别为5.9 MPa、5.4 MPa及5.1 MPa。而掺入20%及40%SFCP时，泡沫混凝土的28 d抗压强度分别为5.3 MPa及4.9 MPa。这表明随着轻质骨料掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度逐渐降低。

图5 轻质骨料对泡沫混凝土抗压强度的影响Fig.5 Effect of lightweight aggregate on compressive strength of foamed concrete

干燥状态的轻质骨料对泡沫混凝土干燥收缩的影响如图6所示。由图可知，CSLA掺量分别为0%、20%及40%时，泡沫混凝土的90 d干燥收缩分别为1 322 με、930 με和719 με，而SFCP掺量分别为20%及40%时，泡沫混凝土的90 d干燥收缩分别为1 130 με和830 με。随着轻质骨料掺量的增加，泡沫混凝土的干燥收缩性能逐渐降低，且其最大减缩量达36.5%。轻质骨料能够约束泡沫混凝土基体的变形，且在内部湿度的驱动下，轻质骨料能为基体水化提供水分，延缓基体孔隙的内部干燥，减少微裂缝的形成，降低泡沫混凝土的干燥收缩。在不同轻质骨料条件下，泡沫混凝土的抗压强度相近，但相比于SFCP，掺入CSLA时强度更小[26-27]，对基体约束效果相对较差，但对泡沫混凝土干燥收缩的改善效果更好。

图6 轻质骨料对泡沫混凝土干燥收缩的影响Fig.6 Effect of lightweight aggregate on drying shrinkage of foamed concrete

2.2 轻质骨料对泡沫混凝土微结构的影响

CSLA泡沫混凝土SEM-EDS测试结果如图7所示。由图可知，干燥状态的轻质骨料的掺入使泡沫混凝土内部缺陷明显增多。CSLA与SFCP的弹性模量存在较大差异[28]，且均明显大于泡沫混凝土的弹性模量[29]，而CSLA与SFCP制备的泡沫混凝土抗压强度相近，故泡沫混凝土抗压强度降低主要由轻质骨料在泡沫混凝土中引入的内部缺陷决定。骨料与基体之间存在明显的界面缺陷，这与文献[30]结果一致，且骨料周围的基体中也存在明显的缺陷，这是由于干燥状态的轻质骨料在水泥基体中会经历吸水及释水等过程，这解释了泡沫混凝土中掺入轻质骨料后强度降低的原因。采用X-CT测试掺入0%、20%及40%CSLA的泡沫混凝土的孔分布，如图8、图9所示。CSLA掺量分别为0%、20%及40%时，泡沫混凝土孔径在0～600 μm的孔分别占总量的34.0%、29.6%及27.3%。CSLA掺入后，0～600 μm的小孔数量明显减小，相应的大孔数量明显增多。骨料吸水及释水会在基体中遗留孔隙，且骨料掺入会引入界面缺陷[31-33]，使泡沫混凝土中大于1 000 μm的大孔数量明显增多。

图7 CSLA泡沫混凝土的微结构及EDS能谱Fig.7 Microstructure and EDS spectrum of CSLA foamed concrete

图8 CSLA泡沫混凝土的X-CT二维图Fig.8 2D images of CSLA foamed concrete obtained by X-CT

图9 CSLA泡沫混凝土孔径分布Fig.9 Pore size distribution of CSLA foamed concrete

2.3 轻质骨料内养护机制

2.3.1 泡沫混凝土内部湿度

干燥状态的轻质骨料对泡沫混凝土内部湿度的影响如图10所示。干燥状态的轻质骨料能够预吸收泡沫混凝土体系中的水分，随着水泥水化的进行，水分逐渐被释放，此过程延缓了泡沫混凝土的内部干燥，使泡沫混凝土的内部湿度保持在较高水平。相比于SFCP，CSLA对泡沫混凝土内部湿度的延缓效果更好，这解释了CSLA比SFCP对泡沫混凝土干燥收缩改善效果更好的原因。

图10 轻质骨料对泡沫混凝土内部湿度的影响Fig.10 Effect of lightweight aggregate on internal humidity of foamed concrete

2.3.2 不同湿度条件下饱和吸水轻质骨料含水率

在干燥过程中轻质骨料的释水可通过饱和吸水的轻质骨料在不同湿度条件下的含水率来表征。就轻质骨料的内养护而言，轻质骨料内部吸收的水在湿度降低时会及时释放。

分别采用磷酸氢二钠、氯化铵、溴化钠、碳酸钾与醋酸钾饱和盐溶液将密闭环境湿度分别调节为98%、79%、58%、42%和20%，饱和吸水的轻质骨料在不同湿度条件下的含水率如图11所示。由图可知，在湿度降低时，CSLA和SFCP均可释水。在相同湿度条件下，CSLA的含水率更低，表明其释水量更大，内养护潜力更好，这解释了CSLA比SFCP对泡沫混凝土内部湿度延缓效果更好的原因。

图11 轻质骨料在不同湿度条件下的含水率Fig.11 Water content of lightweight aggregate at different humidity conditions

2.3.3 轻质骨料孔分布压汞测试结果

通过多周期MIP技术测得的CSLA和SFCP的孔隙率分别为42.65%和27.58%，累计孔体积如图12所示。由图可知，CSLA的孔隙率明显高于SFCP。由于CSLA二次进汞量非常少，大部分的孔形成墨水瓶孔。Lura等[14]研究表明，多孔骨料中具有内养护效果的特征孔径为大于100 nm的墨水瓶孔。而CSLA含有大量100～3 000 nm的墨水瓶孔，表明CSLA具有优异的内养护效果。尽管SFCP具有较高的孔隙率，但其绝大部分孔的孔径小于100 nm，内养护效果相对较差，这解释了CSLA内养护效果优于SFCP的原因。

图12 轻质骨料累计孔体积Fig.12 Cumulative pore volume of lightweight aggregate

3 结 论

(1)干燥状态的轻质骨料能够调节泡沫混凝土的内部湿度，约束基体的变形，使泡沫混凝土的干燥收缩最大降低约36.5%。

(2)干燥状态的轻质骨料会在泡沫混凝土中经历吸水及释水过程，从而在基体中引入缺陷，且轻质骨料会在泡沫混凝土中引入界面缺陷，导致其抗压强度降低。

(3)干燥状态的轻质骨料的掺入使泡沫混凝土小孔数量减少，大于1 000 μm的大孔数量明显增多。

(4)轻质骨料中大于100 nm的墨水瓶孔是内养护效果的控制因素，大于100 nm的墨水瓶孔数量越多，轻质骨料释水能力越强，内养护效果越好，其制备的泡沫混凝土干燥收缩越小。