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正文

高强泡沫混凝土的微观结构

1 介绍

具有多孔结构和轻质特性的矿物结合泡沫材料已经确立了他们在建筑行业的地位。这些质地细密的混凝土依据的标准是现在已不再有效的德国标准DIN4164。他们将质量密度≤2000 kg/m3的混凝土列为轻质混凝土[14]。受制于生产过程,矿物结合泡沫材料被称为蒸压加气矿物结合混凝土或泡沫混凝土。这些建材的特点将在[4,7-12,14]中描述。

在本文中,我们提出了一种方法来控制气硬性矿物结合泡沫混凝土的特性,这有助于扩大这些建材的应用类型。通过这种方法,将使众所周知的制造流程得到进一步发展,以此新产生的轻量级混凝土将得到可重现的特点。这样,现代建筑任务的要求得以满足,当然也包括设计领域。为描述和评价矿物结合泡沫材料的微观结构,光学显微镜与数字图像分析相结合[16]以及扫描电子显微镜是合适的工具。

 

2 技术基础
泡沫是一种由气体、液体和/或气体和固体组成的分散系统,其中气体体积的比例占主导地位。在所有泡沫中,每一个气泡都有一个封闭的空腔,和相邻气泡之间没有气体连接。在泡沫中,气体是一个间歇性或者分散的相,而连续相以基质或液相[8]存在。

 

图1----根据生产过程进行的矿物结合泡沫混凝土分类

图1显示了根据制造过程来对矿物结合泡沫材料进行的分类。在新拌水泥浆体中形成气泡的过程是至关重要的。化学扩散,以及物理或方法机械发泡是众所周知的方法且而技术发展十分成熟。蒸压加气混凝土主要基于自流平细砂浆,石英砂,水泥和/或石灰和加入水中的通常是铝粉的发泡剂。稳定的材料固化后从其模具中移除到充满高压饱和蒸汽氛围的蒸压釜中几个小时,从而获得其最终性能[14,15]

泡沫混凝土要得到其结构是通过使用泡沫发生器或向水泥浆体引入发泡剂,用快速旋转的搅拌混合器发泡实现的。浆体由胶凝材料(通常是水泥)、级配合理的石英砂、水和泡沫外加剂组成的。发泡成型后,混凝土在正常大气条件下硬化。

在机械发泡过程中,泡沫剂被添加到砂浆中。无数的气泡通过高速搅拌机机械的引入。一个相对不稳定的泡沫会发展为一个不规则和未定义的孔结构[11]。在实践中,更常见的制造方法是物理发泡。预先制备的由水和化学外加剂组成的泡沫以外加组分形式混合到砂浆中。在这些条件下,会产生更稳定和具有优良细孔的砂浆[11] 

蒸压加气混凝土常用于建筑砌块、墙壁和天花板、非承重结构以及钢筋增强结构组分。这些建筑单元用于建房和工业建筑结构中。目前泡沫混凝土的主要应用领域是回填和找平。到目前为止,还不能用合适的材料实现其作为建筑结构材料用于承重结构单元中。

泡沫的孔隙特性对矿物结合泡沫材料的物理力学特性影响显著。重要的不仅仅是强调气孔,而且还有毛细管和凝胶孔隙的特征。气硬性泡沫混凝土技术应用的可能性强烈的限制于其物理力学特性。一方面,这归结于高水含量的新拌砂浆,另一方面归结于产生泡沫方法的不足,这些方法用今天的一般操作程序不能保证最佳的孔隙分布。

对于作为承重建筑单元应用很有必要的强度目前只能在饱和蒸汽的气氛中以大约190℃,1.2N/mm2来蒸压硬化获得。除此之外,将Ca(OH)2和SiO2转化为硅酸盐水合物(CSH)的转换也可能是由这个过程得到的,它也降低了固体的收缩趋势。

孔隙率,这里特别指气孔率,对于加气混凝土来说受控于发泡铝粉的添加量和颗粒尺寸。因此,总气孔面积和孔隙大小分布是可以调节的。气孔分布上,化学发泡相对于物理发泡提供了更高的规律性和较高的重现性。

这种认识导致的结论是:矿物结合、空气养护的泡沫混凝土,要保证提高其特性,最好通过化学扩散来制造。新制泡沫混凝土的高含水量阻碍了具有紧密结构的硬化水泥基体的产生。为了确保有一个结构致密的水泥基体,降低含水量是很有必要的。这也带来了矛盾,这只能通过使用化学外加剂转化到泡沫中。

3 材料与方法

被研究的泡沫混凝土由一个不含骨料的水泥浆组成。一些部分添加了掺合料和添加剂。表1列出了生产出砂浆混合物的材料。

依据EN197-1标准制造的CEMI42.5R水泥被用来作为胶凝材料。通过使用不同粒度的铝粉,气孔分布在硬化材料中是可控的,而气孔量是由总量调整的。

 

表1----所用的基本材料

 水胶比对水泥浆在膨胀时的体积增长量具有关键影响。为保证水泥浆在一个低水量下的膨胀,聚羧酸高效减水剂的引入是必要的。此外,硬化水泥浆体的结构通过使用具有化学活性的硅灰得到优化。样品在带有数字图像分析系统的光学显微镜,压汞法测孔隙率的仪器以及扫描电子显微镜下进行了检查。这些研究方法将在其后作简单的描述。

3.1 抛光截面的制作

为了能够用数字图像分析来对泡沫混凝土的结构进行检测,首先必须将气孔用染色的环氧树脂饱和。样本首先在烘干箱内烘干。去除孔隙通道内的水是必要的,因为它干扰了环氧树脂的渗透和聚合。干燥样品随后放入模具,送入真空室。环氧树脂灌注进模具中直到样品完全被淹没。一段时间后,真空缓慢取代空气,使环氧树脂压到气孔中。当环氧树脂硬化后,移除模具,表面的横截面得以完整的呈现。

3.2 数字图像分析

数字图像分析技术通过水泥基体和充满染色环氧树脂之间差异的对比检测了气孔。通过光学显微镜对横截面每个气孔的分析测定了气孔的性质。

3.3 压汞孔隙度

为测定孔径分布,我们使用了压汞法。因此样品首先在烘干箱内烘干。随后样品被放进了一个后来被高达200兆帕压力的汞充满的膨胀计。小至4纳米的孔径都可以被测定。

3.4 扫描电子显微镜

成像是在高真空下涂抹了导电涂层条件下形成的。对样品进行了覆盖碳和金涂层的导电处理。扫描电子显微镜的加速电压是15KV。

4 结果与讨论

硬化水泥浆体的结构是由基体和气孔的三维织构构成的。气孔区域是由凝胶孔、毛细孔和气孔组成的。凝胶孔和毛细孔的存在是造成微观特性的主要原因。至于结构的优化,相同的基本途径维持了他们对矿物结合泡沫混凝土的有效性,因为他们已经发展到应用于高性能混凝土或甚至超高性能混凝土上。本文的重点是针对特制结构的孔隙区域及其微孔结构。

该混凝土技术方法为了提高硬化水泥浆体结构,例如,降低水灰比、填料的应用,往往导致更难形成有序气孔区域。为了达到有序的化学膨胀反应,不能超过一定的粘度。稠度也影响诸如密度和强度等性能。举例来说,设计的密度越低,需设定更低的水泥浆体稠度。

测量这个基本稠度是特别困难的。化学膨胀反应在混合的时候就已经开始,在很短的一段时间内导致了一个连续和明显的稠度变化。典型的测量程序如根据EN14117[6]测定流动时间或通过转矩控制流变仪测定粘度的方法已被证明有很多的不足之处。

塑性砂浆的一个可以解释固体性质的特性是泡沫发展期间体积的增加。依据反应温度的不同,这个反应在引入反应组分的大约20至40分钟后完成。在这个相对较短的时间内,这个测量方法提供了一个定性和定量的分析结果来表明固体材料的机械物理特性。

图2显示了两类泡沫混凝土的结构,他们组成的不同仅仅是水灰比的差异。在水含量较低的情况下,这将导致一个更大的新拌砂浆稠度。平均来说,孔径变小,密度和抗压强度则上升。

图2----泡沫混凝土抛光的部分(左:W / C比=0.45;右:W / C比= 0.35);总图像的宽度:80毫米

图3----使用和不使用外加剂时的以密度为函数的抗压强度曲线

为了量化抗压强度最优结构的影响因素,生产的泡沫混凝土被分为两组。只由水泥、水和发泡剂组成的一组和最优化添加化学添加剂和掺合料的一组进行对比。

图3通过比较104个样品的不同结构清楚地显示了选定的结构优化方法的影响。指数趋势线的数值相关系数为R2= 0.979和R2 =0.888,这和单个测量数据数值几乎完全符合。用化学外加剂和掺合料生产的混合物的趋势线,明显的在只由水泥、水和铝生产的混合物的趋势线之上。抗压强度的提高取决于质量密度。强度也随着质量密度的上升而提高。对于质量密度为700 kg/m3的抗压强度的增加幅度共计17%,而密度上升为1100 kg/m3时抗压强度增加幅度达到了20%。

水灰比降低的影响,以及与此同时使用的硅微粉巩固和密实了硬化水泥石基体的微观结构。图4左边表示的是硬化水泥浆体,是在没有化学外加剂和掺合料,水灰比为0.6的情况下生产的。图4的右侧是在水灰比0.35,使用了高效减水剂和硅灰下生产的泡沫混凝土,生成了更加坚固的结构。

图4----两个泡沫混凝土的微观结构;左:W / C比= 0.60,无硅微粉;右:W / C比= 0.35,硅微粉含量为10%

相同的方法对于改善在没有发泡剂下生产的纯水泥浆体的结构有更显著的影响。对比试验的样品被编号为R0到R9,依据表格2显示了降低水灰比和提高硅灰掺量带来的抗压强度的提高。这些没有发泡剂的样品表现出的性质和对应的在数据3中显示的泡沫混凝土下的结构是类似的。 抗压强度为48.0 N/mm2的是所有的参考样品中最低的。水灰比降低到0.35,同时硅灰掺量为10%时R9的抗压强度增加了120%,达到了105.7 N/mm2

 

表2---对比样品的成分和强度

表3---孔径分布已在图5中比较的选定的6个样品的混合物组成

强度增长率在样本泡沫混凝土中,正如上面显示的,明显要低些。

泡沫混凝土和对比组结构中不含铝粉的样品的微观结构的比较,导致了可供比较的特性。图5中的孔径分布的曲线显示了样品在各种情况下的两个极大值,这都是基于水灰比为0.35的情况。一个最大的孔径变化范围从0.7到0.9μm,另一个从0.07-0.10μm。发泡剂在此处评估的样本组泡沫混凝土当和对比组比较时孔径尺寸上的影响不能被测量出来。气孔是造成泡沫混凝土抗压强度增长效应的原因,因为硬化水泥浆体基体微观结构的优化将会导致更高的强度增长。

图5----泡沫混凝土(E/)和参考样品(R/)在W/ C比为0.35时的孔径分布

 

宏观大孔对硬化泡沫混凝土的影响在与选定的样品对比时变得显而易见。 表4显示了5种泡沫混凝土的结构。

表4----5个被选样品混合物的组成

 

5个样品的物理机械性能,例如质量密度和抗压强度是非常类似的(见表5)。密度为920和930 kg/m3时抗压强度介于10.7和12.1 N/mm2之间。 几何特征参数的平均值表示于表5中。但是个体样品间显示了较大的差异。相互之间的圆度平均值偏差只有12%,而平均直径,平均周长和平均凸周长差异分别高达39%,47%和36%。最大的差异可以通过对象密度值得以观察(检测到的气孔数)。在这种情况下,每个单独的样品之间差异高达95%。

表5----5个对比样品混合物的几何平均值(数字图像分析确定)和物理力学性能

 

对象的密度产生于对象的数目和调查的样本的区域。由于5个调查标本之间的密度差异不明显(±10 kg/m3),每种情况下的总孔隙面积大约是恒定的。表6表明在这里测量的标本的测量区面积是大致恒定的,尺寸范围在256.9 mm2到281.1 mm2之间。观察到的气孔数变化范围从380到718之间。对应的对象密度从1.432到2.795mm-1

 

表6----5个对比样品混合物的通过数字图像分析检测的测量表面、对象数量和对象密度

 

对象密度,不仅取决于粒径尺寸分布和额外加入的铝粉含量,也极大的取决于的新拌砂浆的特点。因此,例如,混合物B/2/0.10/0.40,D/2/0.10/10和E/2/0.10/
0.45/10/0.85含有0.10%的相同的铝粉量,但是各自的对象密度相差达到89%数值在1.479mm-1和2.795mm-1之间。

更详细的观察气孔的形状使得将对象安排到不同类别中就成为一种必要。对分级来说,对象的区域要有一个合适的特征,因为这个尺寸可以在样本上直接测量而并没有从另一片测得的数据估算。直径也是一个可以想象的合适的分级特征,但此值是从实测区域计估算的,因此是受到数学的缺陷影响的,例如舍入造成的误差。

根据他们的面积,这些对象一共被分为11个级别。所有面积小于0.1 mm2的气孔和面积大于1.0 mm2的对象成为一个级别。介于0.1 mm2和1.0 mm2的面积按照0.1mm2的跨度被分为9个级别。总气孔率,而不是对象的数量,

对不同级别的气孔对泡沫混凝土性能的影响是至关重要的。

图6表明,在大多数情况下,B0.1mm2和N1.0mm2级占有最大数量的整体孔隙。样本C/3/0.08/0.40是一个例外,它展示了在介于0.3和0.4 mm2的最大数量。在所有样本中,大部分对象是处于b0.10mm2级别。在这个级别中,在每个测量面积上,可以检测到介于224和573之间的气孔数。相比之下,在级别N1.0mm2中检测到的气孔就要少很多,有8至17个对象。归因于它们的大小,这些只代表了18.6%和49.6%的总孔隙面积。

图6----5个样品混合物的总气孔率的不同孔径级别的比例

 

气孔的形状和孔径分布是决定硬化泡沫混凝土性能的基本原因。当观察气孔的圆度时,气孔结构的差异开始变得明显。图7证明,在所有检测样品中,随着气孔尺寸的增大,圆度趋于降低。

图7----五个被选标本的不同气孔级别的平均圆度

对所有样本来说,气孔的圆度在小于0.1 mm2的表面上是非常相似,数值从0.735到0.781,每个级别的横截面积上有最低的偏差。因为这些气孔在所有情况下以相似的方式发展形成。对抗压强度的影响一定是通过面积大于1.0mm2的大气孔发生的。这个级别代表了该面积中最重要的部分。

级别N1.0mm2的气孔的圆度从A/1/0.05的0.499到D/2/0.10/10的0.230。这些差异在新拌砂浆的稠度下是合理的。样品A/ 1/0.05的高含水量允许当铝使用量为0.05%时的干密度为920 kg/dm3的泡沫混凝土的生产。这里陈列的剩下的样品要达到这样的干密度,必须相应的有一个0.08%和0.10%的相对高的铝百分比。这意味着当气泡的产生被很大的新拌砂浆的稠度阻碍时,气孔的圆度将会降低。

 

图8 ----两种泡沫混凝土里的气孔:左:W / C比= 0.60,没有硅微粉;右:W / C比= 0.35,硅微粉含量为10%

 

在对比了样品A/1/0.05和E/2/0.10/0.45/10/0.85后发现,这些气孔的变化导致了抗压强度的降低,因为硬化水泥浆体基体的固化归因于低的水灰比和化学外加剂以及掺合料的使用,正如对比样品的分析显示的那样。

所有重要的结果也可以由图8定性的得出。随着水灰比的降低和于此同时硅微粉的使用,气孔的平均直径减小,与此同时,试样的密度增加了。不仅如此,形成的不规则气孔的数量也相当程度的增加了。孔径越小,形成的越规则。规则形成的气孔在类似的密度下提高了抗压强度。

5    结论

气硬性矿物结合泡沫混凝土在技术上是可行的,这种泡沫混凝土可作为承重结构。这种泡沫混凝土最好使用化学发泡方法生产。此外,能提高抗压强度的矿物结合的泡沫混凝土,应该用这种方法进行调整:在横截面积超过1.0mm2的面积上尽可能的占据少的气孔。从圆截面到横截面随着尺寸偏离的气孔的产生是更大的新拌砂浆的稠度以及塑化剂的使用的结果。一个气孔横截面面积小0.1mm2的独立的砂浆配方就此形成。