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泡沫輕質混凝土性能與孔結構關系研究

日期:2020-09-30 09:53:18

目前高等級公路建設項目已逐漸向山區和丘陵地帶發展,需建設的橋梁、涵洞及擋墻等構筑物逐漸增多,這些構筑物與填筑路基銜接處的路基常出現差異沉降,導致公路運營過程中出現橋頭跳車、擋墻背后填方沉降量大、涵洞八字墻推移等通病。泡沫輕質混凝土因多孔、輕質和低密度被廣泛地運用于基坑、橋背和擋墻背后等的回填,這主要是由其內部孔結構和良好的力學性能與穩定性所決定的;泡沫土與傳統泡沫混凝土不同,可摻入適量的粘土,降低了水泥用量,減少了基質在水化過程中的熱量和變形;泡沫輕質混凝土中的孔結構參數決定基體構造形式,對泡沫輕質混凝土受力時的應力分布、能量傳遞與吸收均具有一定的影響。Hilal等人用顯微鏡發現泡沫輕質混凝土內氣孔尺寸分布差別較大,對泡沫輕質混凝土力學和耐久等性能影響明顯。Nambiar等人使用4個因素分析和研究泡沫輕質混凝土孔結構參數,并探討了這些因素對其密度和抗壓強度的影響,研究表明孔徑和孔間距是影響其強度和密度的主要因素;孔徑越小強度越高,而孔隙形狀對泡沫輕質混凝土性能影響不大。
目前國內外對泡沫輕質混凝土的研究主要針對改善基體材料和配合比,研究集中于孔結構與宏觀性能的關系,對于泡沫輕質混凝土微觀結構和力學性能間的關系研究還不多;孔結構是泡沫輕質混凝土微觀結構中最重要的部分,對泡沫輕質混凝土力學與變形性能影響較大。本文通過對比2種密度的泡沫輕質混凝土,研究不同水膠比輕質混凝土微觀結構及抗壓強度變化規律,建立其相關性,為其在工程中的應用提供理論依據。
1、試驗原材料和方法
試驗采用42.5MPa普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級粉煤灰,水泥和粉煤灰的各項指標與技術參數均符合國家標準要求;使用的發泡劑為本課題組自行研制的發泡劑,稀釋約40倍,1h泌水率約5%~15%,1h沉降距為4~7mm;減水劑為聚羧酸類,減水率約為32%。泡沫輕質混凝土配合比設計是通過控制單位體積輕質混凝土原材料總質量算出不同水膠比時各原料的摻量,2種不同的泡沫輕質混凝土密度和水膠比見表1。泡沫輕質混凝土按一定比例混合攪拌后,立即澆筑到100×100×100mm3的試模中,振動成型后放在養護室內養護1d后拆模,拆模后的試塊放在標準養護室內養護28d后測試抗壓強度,同時測試和分析孔結構。
混凝土圖1
把養護28d后的泡沫輕質混凝土試件切片,通過光學顯微鏡采集表面特征,使用相關軟件分析計算泡沫輕質混凝土的平均孔徑,采用質量-體積法測試輕質混凝土孔隙率,孔隙率=(ρ-ρ0)/ρ。其中:ρ為試件干密度,ρ0為試件實密度。
2、結果與討論
2.1不同密度等級泡沫輕質混凝土的抗壓強度研究
表2是2種不同密度等級泡沫輕質混凝土的抗壓強度隨水膠比變化的示意圖,圖1是其變化規律。
圖2
由表2可見,水膠比一定,泡沫輕質混凝土的抗壓強度隨密度等級的增加逐漸增加;如水膠比為0.4的泡沫輕質混凝土,600kg/cm3和800kg/cm3泡沫輕質混凝土的抗壓強度分別為0.7MPa和1.6MPa,增加了128.6%。不同密度等級泡沫輕質混凝土抗壓強度隨水膠比變化規律如圖1所示,密度為800kg/cm3的泡沫輕質混凝土,當水膠比為0.4、0.5和0.6時,泡沫輕質混凝土抗壓強度為1.6MPa、2.1MPa和2.2MPa;對于同一密度等級泡沫輕質混凝土,水膠比從0.4增大到0.5,抗壓強度增加了31.3%,增加較大;水膠比從0.5增大到0.6,抗壓強度增加了4.8%,增加不大。水膠比增加,泡沫輕質混凝土中膠凝材料的粘聚性能降低,泡沫輕質混凝土中泡沫與泡沫間因相互融合,減少了基質中的泡沫體積;泡沫流動使泡沫輕質混凝土中膠凝材料水化反應逐漸增加,水化產物不斷填充孔壁間的間隙,使泡沫輕質混凝土中的孔隙率逐漸減少,強度逐漸提高;如水膠比再增大,水與膠凝材料接觸面積雖有所增大,但孔徑也增大,使泡沫輕質混凝土中氣孔在基質中分布不均勻,易出現應力集中的現象,降低了泡沫輕質混凝土的抗壓強度。
2.2不同密度等級泡沫輕質混凝土的孔徑和孔隙率
表3是2種不同密度等級泡沫輕質混凝土的平均孔徑和孔隙率隨水膠比變化的測試結果。
圖3
由表3可見,水膠比增大,2種不同密度等級的泡沫輕質混凝土的平均孔徑均呈上升趨勢。600kg/cm3和800kg/cm3泡沫輕質混凝土的平均孔徑,當水膠比為0.50時比0.40時分別增加了5.6%和4.4%,當水膠比為0.60時比0.50時分別
增加了9.7%和10.9%。泡沫輕質混凝土密度等級增大,其平均孔徑下降。水膠比為0.40,密度等級從600kg/cm3增加到800kg/cm3,平均孔徑為302μm和228μm,降低了24.5%;水膠比為0.50,密度等級從600kg/cm3增加到800kg/cm3,平均孔徑為319μm和238μm,降低了25.4%;水膠比為0.60,密度等級從600kg/cm3增加到800kg/cm3,平均孔徑為350μm和264μm,降低了24.6%;水膠比較大的泡沫輕質混凝土,當密度等級從600kg/cm3增加到800kg/cm3時,平均孔徑下降略有增加。
由表3可見,水膠比增大,2種不同密度等級泡沫輕質混凝土的孔隙率略有降低,如600kg/cm3泡沫輕質混凝土水膠比從0.40增大至0.50和0.60,孔隙率依次為70.5kg/cm3、68.5kg/cm3和67.5kg/cm3,下降了2.8%和4.3%;對相同水膠比泡沫輕質混凝土,泡沫輕質混凝土密度等級從600kg/cm3增加到800kg/cm3,孔隙率降低。如水膠比為0.4的泡沫輕質混凝土,密度等級從600kg/cm3增加到800kg/cm3,孔隙率降低了16.6%。泡沫輕質混凝土水膠比增加,膠凝材料的粘結性逐漸降低,對泡沫的包裹能力也相應減弱,泡沫輕質混凝土中大量泡沫相互融合和連通,平均孔徑呈上升趨勢,水膠比為0.60時比較明顯;如進一步增大泡沫輕質混凝土水膠比,泡沫受限于膠凝材料間摩擦力,孔徑增長幅度也會相應減弱。對于相同水膠比的不同密度等級泡沫輕質混凝土,其平均孔徑隨泡沫輕質混凝土的密度等級增大而減小,這是由于隨泡沫輕質混凝土密度等級的增加,膠凝材料在泡沫輕質混凝土中所占比例也相應增加,泡沫在形成和遷移過程中所遇到的阻力也隨之增加,其平均孔徑也相應減小。
2.3不同密度等級泡沫輕質混凝土的形貌研究
圖2是水膠比為0.50時的2種不同密度等級泡沫輕質混凝土在相同放大倍數情況下的形貌示意圖。

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