楊之璋, 詹炳根

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

近年來(lái),我國(guó)處于墻體材料改革的深入時(shí)期,水泥基泡沫混凝土是一種新型無(wú)機(jī)保溫材料,其綜合性能要?jiǎng)儆谟袡C(jī)保溫材料,未來(lái)的發(fā)展空間極大[1]。然而,人們發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土的收縮和開(kāi)裂問(wèn)題已嚴(yán)重阻礙了其墻體材料在市場(chǎng)上的大規(guī)模運(yùn)用[2]。泡沫混凝土作為水泥基材料,具有一般混凝土固有的一些缺陷[3],包括因自身收縮變形、干濕循環(huán)及結(jié)構(gòu)疏松而導(dǎo)致的開(kāi)裂現(xiàn)象。在硬化過(guò)程中,因自身內(nèi)部的不穩(wěn)定使得泡沫破碎并引起的體積收縮,是泡沫混凝土不同于普通混凝土收縮的最大原因[4]。通過(guò)添加外加劑來(lái)改善泡沫混凝土抗收縮和抗裂性能是一個(gè)重要手段。

目前,關(guān)于外加劑對(duì)泡沫混凝土抗裂性能影響的研究還很少。文獻(xiàn)[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methylcellulose,HPMC)在砂漿中能夠起到增稠及保水的作用,并且效果很好,試驗(yàn)結(jié)果證明,HPMC對(duì)泡沫混凝土有良好的穩(wěn)泡作用,當(dāng)HPMC融入泡沫混凝土漿體,便會(huì)附著在水泥顆粒和泡沫之間,起到了良好的潤(rùn)滑作用,使得泡沫混凝土漿體的流動(dòng)性增大。HPMC是非離子性纖維素,不是聚合電解質(zhì),當(dāng)有金屬鹽或有機(jī)電解質(zhì)存在時(shí),在水溶液中較穩(wěn)定,因此適用于泡沫混凝土。文獻(xiàn)[6]研究3種不同的減水劑對(duì)泡沫混凝土各項(xiàng)性能的影響,經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)聚羧酸減水劑(polycarboxylate superplasticizer,PS)的綜合效果是比較好的。減水劑能夠改善水泥顆粒的分散性,使其體積吸水率和質(zhì)量吸水率均呈降低的趨勢(shì),還能夠降低水膠比,使泡沫混凝土的自然干燥收縮量大幅減小在保留一定標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度的情況下,硬化體的密度減小,這對(duì)于提高泡沫混凝土各項(xiàng)性能有著非常重要的作用。減縮劑(shrinkage reducing agent,SRA)通過(guò)降低水泥石孔溶液表面張力,減小毛細(xì)孔失水應(yīng)力,降低干縮值和自收縮值[7]。本文采用PS、HPMC、膠粉(rubber powder,RP)、SRA等外加劑,以收縮試驗(yàn)和開(kāi)裂試驗(yàn)來(lái)研究外加劑單摻和復(fù)摻耦合作用對(duì)泡沫混凝土抗裂性能的影響,以期達(dá)到最佳的抗收縮和抗裂效果。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1) 水泥。選用巢湖潤(rùn)基公司提供的P·O 42.5級(jí)水泥,其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 硅酸鹽水泥的各項(xiàng)指標(biāo)

(2) 發(fā)泡劑。采用實(shí)驗(yàn)室自制的蛋白類發(fā)泡劑,其具有較好的穩(wěn)定性、較低的泌水率及較高的發(fā)泡倍數(shù)等特點(diǎn),外觀為淡黃色液體,密度為1.02 g/cm3,固含量為37%,pH值為9～10。

(3) PS,由肅州興邦建筑材料有限公司提供;HPMC,由安慶斯蒂芬纖維素有限公司提供;RP,由山東濟(jì)南戈麥斯化工(中國(guó))有限公司提供;SRA,由合肥佳方新型建筑材料有限責(zé)任公司提供。

1.2 試驗(yàn)配合比

本文研究PS、HPMC、RP、SRA等4種外加劑分別在單摻和復(fù)摻耦合作用下對(duì)泡沫混凝土早期收縮與塑性開(kāi)裂的影響。外加劑單摻試驗(yàn),設(shè)置PS摻量為0.16%,HPMC摻量分別為0.2%、0.4%、0.6%,RP摻量分別為2%、4%、6%,SRA摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%,最后設(shè)置1個(gè)不摻外加劑的空白組(FC)與其對(duì)照。本文中外加劑摻量指其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。外加劑復(fù)摻耦合試驗(yàn),水灰比固定不變,水泥和拌合水用量分別為780、280 g,再加入泡沫600 L和PS 1.25 g,改變HPMC、RP、SRA用量,設(shè)置A1～A9共9個(gè)分組,尋求最佳配合比。外加劑復(fù)摻耦合試驗(yàn)配比見(jiàn)表2所列。

表2 外加劑復(fù)摻耦合試驗(yàn)配合比 kg

1.3 試驗(yàn)方法

物理法制備泡沫混凝土,自制發(fā)泡劑與水按質(zhì)量比1∶9的比例配制發(fā)泡溶液。先將水泥與外加劑干拌均勻,接著放入水進(jìn)行攪拌,在攪拌的3 min內(nèi),進(jìn)行物理發(fā)泡,隨后關(guān)掉攪拌機(jī)并加入泡沫,將泡沫與水泥漿混合均勻,水泥漿完全包裹泡沫即可停止,最后試件成型進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。早期收縮變形主要通過(guò)非接觸式收縮變形儀連接電腦,測(cè)試泡沫混凝土從澆筑成型至50 h以內(nèi)的各個(gè)時(shí)間段的收縮值,通過(guò)改進(jìn)的環(huán)形約束試驗(yàn)觀察試件3 d內(nèi)的開(kāi)裂時(shí)間、裂縫寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外加劑對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響

2.1.1 PS對(duì)收縮的影響

PS對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響如圖1所示。圖1中,FC表示泡沫混凝土(foam concrete)空白組。

由圖1可知,加入PS后,在第1階段,收縮有明顯增強(qiáng),這是由于隨著減水劑的加入,泡沫混凝土的內(nèi)聚力不斷加大,使得泡沫破裂,導(dǎo)致收縮增大;在第2階段和第3階段,PS都起到了很好的抑制膨脹和阻礙收縮的作用;35 h以后,干燥收縮逐漸變成一條斜線,收縮值趨向平穩(wěn)。試驗(yàn)表明,采用PS可以很大程度上降低泡沫混凝土的水膠比,和普通混凝土收縮規(guī)律一樣,水膠比大幅減小后,泡沫混凝土的收縮也會(huì)減小。同時(shí),PS分子能附著在水泥顆粒表面,產(chǎn)生一種排斥力促使水泥顆粒相互分散,有效地增加混凝土拌合物的和易性和稠度;另外,PS的吸附作用使得泡沫混凝土的內(nèi)聚力增大,增加泡沫混凝土的黏性,降低泡沫在水泥漿體中移動(dòng)合并的概率。因此,加入PS能夠使材料的膠凝作用充分發(fā)揮,同時(shí)使得泡沫更好地分散在泡沫混凝土中,有效地提高了泡沫混凝土的均質(zhì)性,在泡沫混凝土的膨脹階段和干燥收縮階段,PS都起到了很好的抑制作用。

圖1 PS對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響

2.1.2 HPMC對(duì)收縮的影響

HPMC對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響如圖2所示。

圖2 HPMC對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響

由圖2可知,摻入HPMC有效地改善了泡沫混凝土的早期收縮性能。第1階段,與FC對(duì)比,早期泡沫破碎造成泡沫混凝土出現(xiàn)輕微的收縮,而HPMC的加入使泡沫更加穩(wěn)定,消泡現(xiàn)象明顯減少,這表明HPMC具有良好的穩(wěn)泡作用;20 h后,與FC的收縮也有明顯差異,當(dāng)摻量不超過(guò)0.4%時(shí),在每個(gè)階段,收縮值大幅度降低;當(dāng)摻量達(dá)到0.6%時(shí),HPMC對(duì)泡沫混凝土收縮的影響不是特別顯著。由此可知,HPMC摻量超過(guò)一定限度,HPMC抑制干燥收縮的作用就會(huì)基本趨向穩(wěn)定。

HPMC溶入泡沫混凝土漿體后,生成一種黏稠的凝膠,它可以填充水泥顆粒之間微小的空隙,以增加泡沫混凝土的密實(shí)性。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為,水泥水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行時(shí),HPMC能同其水化產(chǎn)物如C-S-H 凝膠反應(yīng)形成氫鍵,因此容易包裹在水化產(chǎn)物生成的礦物表面,減少SO42-、Ca2+等離子在孔溶液中的活動(dòng)性,會(huì)有效防止砂漿中水分的揮發(fā),抑制水泥的泌水,使其具有良好的保水及保塑性。在第3階段干燥收縮過(guò)程中,非結(jié)合水的散失對(duì)收縮值貢獻(xiàn)較大,當(dāng)HPMC溶入泡沫混凝土漿體后,生成的黏稠凝膠迅速填滿漿體的孔隙,有效地提高泡沫混凝土的密實(shí)性,隨后在硬化過(guò)程中,泡沫混凝土的密實(shí)性阻礙了內(nèi)部非結(jié)合水向外表面擴(kuò)散,因此,當(dāng)HPMC摻量提高時(shí),泡沫混凝土的收縮值會(huì)隨著失水率減小而降低。但是,隨著HPMC摻量繼續(xù)提高,泡沫混凝土的內(nèi)聚力不再有明顯的增加,使得其對(duì)收縮變形的影響不大。

2.1.3 RP對(duì)收縮的影響

RP對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響如圖3所示。

圖3 RP對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響

由圖3可知,摻加RP主要影響了泡沫混凝土的干燥收縮階段。加入RP有效地減小了泡沫混凝土的收縮值,但隨著RP摻量的增加,降低速率放緩了,說(shuō)明超過(guò)某一定值,RP的抗收縮效果也將不顯著。另外,從強(qiáng)度發(fā)展和凝結(jié)時(shí)間考慮,RP摻量也不宜過(guò)多。

試驗(yàn)研究表明,兩者一起混合攪拌時(shí),RP能迅速均勻地分散到泡沫混凝土漿體中,通過(guò)水化反應(yīng),在泡沫混凝土中逐漸形成凝膠體,當(dāng)水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,RP粘在水泥顆粒物表面,就像形成了一個(gè)相對(duì)連續(xù)的保護(hù)層。隨著RP摻量進(jìn)一步提高,形成了足夠的保護(hù)層抑制泡沫混凝土硬化過(guò)程中水分的散失。總之,摻加RP影響了泡沫混凝土干燥收縮階段的失水率,使得其在第3階段的收縮明顯降低。

2.1.4 SRA對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響

SRA對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響如圖4所示。

圖4 SRA對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響

由圖4可知,與FC相比,摻入SRA有效減少了泡沫混凝土的自收縮和干燥收縮。其中,對(duì)干燥收縮的影響是4種外加劑中最顯著的,當(dāng)SRA摻量為1.0%時(shí),35 h的收縮值竟然降低了56%。SRA是一種能夠降低溶液表面張力的外加劑,隨著SRA摻量增加,孔溶液的表面張力下降,之后趨于穩(wěn)定,降低毛細(xì)管收縮應(yīng)力,提高了泡沫混凝土的抗收縮能力[9]。另外,SRA造成水泥水化不同程度延遲,抑制早期C2S水化,有利于自收縮減小,同時(shí),Ca(OH)2在溶液中過(guò)飽和度增加,早齡期的Ca(OH)2結(jié)晶粒較小,造成泡沫混凝土的微膨脹,微膨脹改善了泡沫混凝土的收縮。因此,對(duì)于減小泡沫混凝土的干燥收縮值,SRA是一種十分理想的外加劑。

2.1.5 復(fù)摻耦合作用對(duì)收縮的影響

復(fù)摻耦合作用對(duì)泡沫混凝土早期收縮的影響如圖5所示。

圖5 外加劑復(fù)摻耦合作用對(duì)早期收縮的影響

從圖5可以看出,外加劑復(fù)摻耦合作用對(duì)泡沫混凝土的自收縮影響不是很明顯;在膨脹階段,A9的膨脹最為顯著,而A9的RP摻量是最多的,由此可知,RP對(duì)泡沫混凝土第2階段的膨脹影響最大;在第3階段,A6干燥收縮最為顯著,而A4干燥收縮值最低,A4的HPMC和RP摻量分別為0.4%、4%時(shí),其保水性能大大改善,減少了水分散失,導(dǎo)致50 h的收縮值最小。

第1階段,SRA不起任何穩(wěn)泡作用,HPMC的穩(wěn)泡作用最為明顯,HPMC融入泡沫混凝土漿體,增加了泡沫的韌性,大大改善了泡沫的破碎現(xiàn)象。第2階段,泡沫混凝土內(nèi)部不斷膨脹,HPMC和SRA降低了水化反應(yīng)的速率,膨脹值也相應(yīng)變小。第3階段,泡沫混凝土的水分流失是造成干燥收縮的最主要原因,HPMC和SRA有效地減少了泡沫混凝土水分的散失,大大降低了泡沫混凝土的前期收縮。以上試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)摻與單摻的結(jié)果一致,外加劑組分之間相互耦合、相互依賴、相輔相成,其中A4效果最佳,A6相對(duì)最差。

2.2 外加劑對(duì)泡沫混凝土早期開(kāi)裂的影響

2.2.1 外加劑單摻對(duì)開(kāi)裂的影響

泡沫混凝土由于有泡的緣故,其凝結(jié)硬化比普通混凝土慢,也就是說(shuō)泡沫混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展不快,當(dāng)外部的拉應(yīng)力大于內(nèi)部的抗拉極限應(yīng)力時(shí),就會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土開(kāi)裂[10]。細(xì)微裂縫一旦生成,很快就會(huì)從外部向內(nèi)部發(fā)展,給泡沫混凝土強(qiáng)度和耐久性帶來(lái)致命的損害。本文利用外加劑來(lái)減小泡沫混凝土裂縫寬度,延遲裂縫開(kāi)展的時(shí)間,利用水泥環(huán)形裂縫測(cè)試儀觀察裂縫寬度和產(chǎn)生裂縫的時(shí)間,以此評(píng)判泡沫混凝土的早期抗開(kāi)裂性能,具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 外加劑單摻時(shí)泡沫混凝土早期開(kāi)裂的試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,HPMC加入泡沫混凝土,減小了開(kāi)裂寬度,延遲了裂縫開(kāi)裂時(shí)間。摻量在0～0.4%時(shí),開(kāi)裂時(shí)間明顯增加,開(kāi)裂寬度大幅減小,但隨著摻量超過(guò)0.4%時(shí),開(kāi)裂時(shí)間和開(kāi)裂寬度的變化不再明顯。因此,0.4%的HPMC摻量是比較適當(dāng)?shù)膿搅?。?dāng)HPMC溶入泡沫混凝土漿體后,生成的黏稠凝膠能迅速填充到漿體孔隙中,增強(qiáng)了泡沫混凝土硬化體的密實(shí)性,硬化泡沫混凝土的致密性對(duì)其內(nèi)部水分向外表面擴(kuò)散起到一定的阻礙作用。當(dāng)HPMC摻量提高時(shí),泡沫混凝土的內(nèi)聚力不再有明顯的增加,使得其對(duì)抗裂性的影響不大。

RP可以減小裂縫寬度,而對(duì)其開(kāi)裂時(shí)間沒(méi)有顯著影響。RP摻量在4%時(shí),裂縫寬度相對(duì)于FC減小了46%,但繼續(xù)增加RP用量,對(duì)裂縫寬度的抑制作用不明顯。

SRA的加入起到了反作用,導(dǎo)致泡沫混凝土的裂縫寬度加大,對(duì)開(kāi)裂時(shí)間的影響不是很大。SRA大大減少了水化反應(yīng)的進(jìn)行,有效地減少了收縮,然而由于水化反應(yīng)進(jìn)行得不完全,導(dǎo)致裂縫寬度加大。因此,SRA不宜過(guò)多,摻量在0.5%最為合適。

2.2.2 復(fù)摻耦合作用對(duì)開(kāi)裂的影響

復(fù)摻耦合作用對(duì)泡沫混凝土塑性開(kāi)裂影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，A4復(fù)摻耦合效果對(duì)抗裂性能影響最大，A8復(fù)摻耦合效果相對(duì)較差，對(duì)抗裂性能影響最大的是RP，其次是HPMC。HPMC與RP相輔相成，HPMC可以再分散膠粉，提高泡沫混凝土的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)其抗裂性能，未反應(yīng)的RP也附著在水泥顆粒和泡沫表面，協(xié)同HPMC形成致密的保護(hù)層，增加泡沫混凝土內(nèi)部的極限抗拉應(yīng)力。

圖6 外加劑復(fù)摻耦合作用對(duì)開(kāi)裂的影響

3 結(jié) 論

(1) 減縮劑對(duì)抑制泡沫混凝土收縮性能影響最為顯著而對(duì)開(kāi)裂性能卻有負(fù)面影響,因此,摻量為0.5%最為合適。

(2) HPMC對(duì)泡沫混凝土的早期收縮和塑性開(kāi)裂都有良好的抑制作用,以摻量0.4%為最佳。

(3) 膠粉對(duì)泡沫混凝土的干燥收縮有一定影響,并且對(duì)抗裂性能影響最大,摻量為4%時(shí),裂縫寬度減少了46%。

(4) 不同外加劑復(fù)摻耦合作用呈現(xiàn)差異性的變化,能夠很大程度上影響泡沫混凝土的收縮和塑性開(kāi)裂,其中A4效果最佳。