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高強泡沫混凝土的微觀結構

發布時間:2018-07-06 分類:公司新聞, 新聞中心, 知識資源 信息來源:www.hki1.net

1 介紹

具有多孔結構和輕質特性的礦物結合泡沫材料已經確立了他們在建筑行業的地位。這些質地細密的混凝土依據的標準是現在已不再有效的德國標準DIN4164。他們將質量密度≤2000 kg/m3的混凝土列為輕質混凝土[14]。受制于生產過程,礦物結合泡沫材料被稱為蒸壓加氣礦物結合混凝土或泡沫混凝土。這些建材的特點將在[4,7-12,14]中描述。

在本文中,我們提出了一種方法來控制氣硬性礦物結合泡沫混凝土的特性,這有助于擴大這些建材的應用類型。通過這種方法,將使眾所周知的制造流程得到進一步發展,以此新產生的輕量級混凝土將得到可重現的特點。這樣,現代建筑任務的要求得以滿足,當然也包括設計領域。為描述和評價礦物結合泡沫材料的微觀結構,光學顯微鏡與數字圖像分析相結合[16]以及掃描電子顯微鏡是合適的工具。

 

2 技術基礎
泡沫是一種由氣體、液體和/或氣體和固體組成的分散系統,其中氣體體積的比例占主導地位。在所有泡沫中,每一個氣泡都有一個封閉的空腔,和相鄰氣泡之間沒有氣體連接。在泡沫中,氣體是一個間歇性或者分散的相,而連續相以基質或液相[8]存在。

 

圖1—-根據生產過程進行的礦物結合泡沫混凝土分類

圖1顯示了根據制造過程來對礦物結合泡沫材料進行的分類。在新拌水泥漿體中形成氣泡的過程是至關重要的。化學擴散,以及物理或方法機械發泡是眾所周知的方法且而技術發展十分成熟。蒸壓加氣混凝土主要基于自流平細砂漿,石英砂,水泥和/或石灰和加入水中的通常是鋁粉的發泡劑。穩定的材料固化后從其模具中移除到充滿高壓飽和蒸汽氛圍的蒸壓釜中幾個小時,從而獲得其最終性能[14,15]

泡沫混凝土要得到其結構是通過使用泡沫發生器或向水泥漿體引入發泡劑,用快速旋轉的攪拌混合器發泡實現的。漿體由膠凝材料(通常是水泥)、級配合理的石英砂、水和泡沫外加劑組成的。發泡成型后,混凝土在正常大氣條件下硬化。

在機械發泡過程中,泡沫劑被添加到砂漿中。無數的氣泡通過高速攪拌機機械的引入。一個相對不穩定的泡沫會發展為一個不規則和未定義的孔結構[11]。在實踐中,更常見的制造方法是物理發泡。預先制備的由水和化學外加劑組成的泡沫以外加組分形式混合到砂漿中。在這些條件下,會產生更穩定和具有優良細孔的砂漿[11]?

蒸壓加氣混凝土常用于建筑砌塊、墻壁和天花板、非承重結構以及鋼筋增強結構組分。這些建筑單元用于建房和工業建筑結構中。目前泡沫混凝土的主要應用領域是回填和找平。到目前為止,還不能用合適的材料實現其作為建筑結構材料用于承重結構單元中。

泡沫的孔隙特性對礦物結合泡沫材料的物理力學特性影響顯著。重要的不僅僅是強調氣孔,而且還有毛細管和凝膠孔隙的特征。氣硬性泡沫混凝土技術應用的可能性強烈的限制于其物理力學特性。一方面,這歸結于高水含量的新拌砂漿,另一方面歸結于產生泡沫方法的不足,這些方法用今天的一般操作程序不能保證最佳的孔隙分布。

對于作為承重建筑單元應用很有必要的強度目前只能在飽和蒸汽的氣氛中以大約190℃,1.2N/mm2來蒸壓硬化獲得。除此之外,將Ca(OH)2和SiO2轉化為硅酸鹽水合物(CSH)的轉換也可能是由這個過程得到的,它也降低了固體的收縮趨勢。

孔隙率,這里特別指氣孔率,對于加氣混凝土來說受控于發泡鋁粉的添加量和顆粒尺寸。因此,總氣孔面積和孔隙大小分布是可以調節的。氣孔分布上,化學發泡相對于物理發泡提供了更高的規律性和較高的重現性。

這種認識導致的結論是:礦物結合、空氣養護的泡沫混凝土,要保證提高其特性,最好通過化學擴散來制造。新制泡沫混凝土的高含水量阻礙了具有緊密結構的硬化水泥基體的產生。為了確保有一個結構致密的水泥基體,降低含水量是很有必要的。這也帶來了矛盾,這只能通過使用化學外加劑轉化到泡沫中。

3?材料與方法

被研究的泡沫混凝土由一個不含骨料的水泥漿組成。一些部分添加了摻合料和添加劑。表1列出了生產出砂漿混合物的材料。

依據EN197-1標準制造的CEMI42.5R水泥被用來作為膠凝材料。通過使用不同粒度的鋁粉,氣孔分布在硬化材料中是可控的,而氣孔量是由總量調整的。

 

表1—-所用的基本材料

?水膠比對水泥漿在膨脹時的體積增長量具有關鍵影響。為保證水泥漿在一個低水量下的膨脹,聚羧酸高效減水劑的引入是必要的。此外,硬化水泥漿體的結構通過使用具有化學活性的硅灰得到優化。樣品在帶有數字圖像分析系統的光學顯微鏡,壓汞法測孔隙率的儀器以及掃描電子顯微鏡下進行了檢查。這些研究方法將在其后作簡單的描述。

3.1?拋光截面的制作

為了能夠用數字圖像分析來對泡沫混凝土的結構進行檢測,首先必須將氣孔用染色的環氧樹脂飽和。樣本首先在烘干箱內烘干。去除孔隙通道內的水是必要的,因為它干擾了環氧樹脂的滲透和聚合。干燥樣品隨后放入模具,送入真空室。環氧樹脂灌注進模具中直到樣品完全被淹沒。一段時間后,真空緩慢取代空氣,使環氧樹脂壓到氣孔中。當環氧樹脂硬化后,移除模具,表面的橫截面得以完整的呈現。

3.2?數字圖像分析

數字圖像分析技術通過水泥基體和充滿染色環氧樹脂之間差異的對比檢測了氣孔。通過光學顯微鏡對橫截面每個氣孔的分析測定了氣孔的性質。

3.3?壓汞孔隙度

為測定孔徑分布,我們使用了壓汞法。因此樣品首先在烘干箱內烘干。隨后樣品被放進了一個后來被高達200兆帕壓力的汞充滿的膨脹計。小至4納米的孔徑都可以被測定。

3.4 掃描電子顯微鏡

成像是在高真空下涂抹了導電涂層條件下形成的。對樣品進行了覆蓋碳和金涂層的導電處理。掃描電子顯微鏡的加速電壓是15KV。

4 結果與討論

硬化水泥漿體的結構是由基體和氣孔的三維織構構成的。氣孔區域是由凝膠孔、毛細孔和氣孔組成的。凝膠孔和毛細孔的存在是造成微觀特性的主要原因。至于結構的優化,相同的基本途徑維持了他們對礦物結合泡沫混凝土的有效性,因為他們已經發展到應用于高性能混凝土或甚至超高性能混凝土上。本文的重點是針對特制結構的孔隙區域及其微孔結構。

該混凝土技術方法為了提高硬化水泥漿體結構,例如,降低水灰比、填料的應用,往往導致更難形成有序氣孔區域。為了達到有序的化學膨脹反應,不能超過一定的粘度。稠度也影響諸如密度和強度等性能。舉例來說,設計的密度越低,需設定更低的水泥漿體稠度。

測量這個基本稠度是特別困難的。化學膨脹反應在混合的時候就已經開始,在很短的一段時間內導致了一個連續和明顯的稠度變化。典型的測量程序如根據EN14117[6]測定流動時間或通過轉矩控制流變儀測定粘度的方法已被證明有很多的不足之處。

塑性砂漿的一個可以解釋固體性質的特性是泡沫發展期間體積的增加。依據反應溫度的不同,這個反應在引入反應組分的大約20至40分鐘后完成。在這個相對較短的時間內,這個測量方法提供了一個定性和定量的分析結果來表明固體材料的機械物理特性。

圖2顯示了兩類泡沫混凝土的結構,他們組成的不同僅僅是水灰比的差異。在水含量較低的情況下,這將導致一個更大的新拌砂漿稠度。平均來說,孔徑變小,密度和抗壓強度則上升。

圖2—-泡沫混凝土拋光的部分(左:W / C比=0.45;右:W / C比= 0.35);總圖像的寬度:80毫米

圖3—-使用和不使用外加劑時的以密度為函數的抗壓強度曲線

為了量化抗壓強度最優結構的影響因素,生產的泡沫混凝土被分為兩組。只由水泥、水和發泡劑組成的一組和最優化添加化學添加劑和摻合料的一組進行對比。

圖3通過比較104個樣品的不同結構清楚地顯示了選定的結構優化方法的影響。指數趨勢線的數值相關系數為R2= 0.979和R2?=0.888,這和單個測量數據數值幾乎完全符合。用化學外加劑和摻合料生產的混合物的趨勢線,明顯的在只由水泥、水和鋁生產的混合物的趨勢線之上。抗壓強度的提高取決于質量密度。強度也隨著質量密度的上升而提高。對于質量密度為700 kg/m3的抗壓強度的增加幅度共計17%,而密度上升為1100 kg/m3時抗壓強度增加幅度達到了20%。

水灰比降低的影響,以及與此同時使用的硅微粉鞏固和密實了硬化水泥石基體的微觀結構。圖4左邊表示的是硬化水泥漿體,是在沒有化學外加劑和摻合料,水灰比為0.6的情況下生產的。圖4的右側是在水灰比0.35,使用了高效減水劑和硅灰下生產的泡沫混凝土,生成了更加堅固的結構。

圖4—-兩個泡沫混凝土的微觀結構;左:W / C比= 0.60,無硅微粉;右:W / C比= 0.35,硅微粉含量為10%

相同的方法對于改善在沒有發泡劑下生產的純水泥漿體的結構有更顯著的影響。對比試驗的樣品被編號為R0到R9,依據表格2顯示了降低水灰比和提高硅灰摻量帶來的抗壓強度的提高。這些沒有發泡劑的樣品表現出的性質和對應的在數據3中顯示的泡沫混凝土下的結構是類似的。?抗壓強度為48.0 N/mm2的是所有的參考樣品中最低的。水灰比降低到0.35,同時硅灰摻量為10%時R9的抗壓強度增加了120%,達到了105.7 N/mm2

 

表2—對比樣品的成分和強度

表3—孔徑分布已在圖5中比較的選定的6個樣品的混合物組成

強度增長率在樣本泡沫混凝土中,正如上面顯示的,明顯要低些。

泡沫混凝土和對比組結構中不含鋁粉的樣品的微觀結構的比較,導致了可供比較的特性。圖5中的孔徑分布的曲線顯示了樣品在各種情況下的兩個極大值,這都是基于水灰比為0.35的情況。一個最大的孔徑變化范圍從0.7到0.9μm,另一個從0.07-0.10μm。發泡劑在此處評估的樣本組泡沫混凝土當和對比組比較時孔徑尺寸上的影響不能被測量出來。氣孔是造成泡沫混凝土抗壓強度增長效應的原因,因為硬化水泥漿體基體微觀結構的優化將會導致更高的強度增長。

圖5—-泡沫混凝土(E/)和參考樣品(R/)在W/ C比為0.35時的孔徑分布

 

宏觀大孔對硬化泡沫混凝土的影響在與選定的樣品對比時變得顯而易見。 表4顯示了5種泡沫混凝土的結構。

表4—-5個被選樣品混合物的組成

 

5個樣品的物理機械性能,例如質量密度和抗壓強度是非常類似的(見表5)。密度為920和930 kg/m3時抗壓強度介于10.7和12.1 N/mm2之間。 幾何特征參數的平均值表示于表5中。但是個體樣品間顯示了較大的差異。相互之間的圓度平均值偏差只有12%,而平均直徑,平均周長和平均凸周長差異分別高達39%,47%和36%。最大的差異可以通過對象密度值得以觀察(檢測到的氣孔數)。在這種情況下,每個單獨的樣品之間差異高達95%。

表5—-5個對比樣品混合物的幾何平均值(數字圖像分析確定)和物理力學性能

?

對象的密度產生于對象的數目和調查的樣本的區域。由于5個調查標本之間的密度差異不明顯(±10 kg/m3),每種情況下的總孔隙面積大約是恒定的。表6表明在這里測量的標本的測量區面積是大致恒定的,尺寸范圍在256.9 mm2到281.1 mm2之間。觀察到的氣孔數變化范圍從380到718之間。對應的對象密度從1.432到2.795mm-1

 

表6—-5個對比樣品混合物的通過數字圖像分析檢測的測量表面、對象數量和對象密度

 

對象密度,不僅取決于粒徑尺寸分布和額外加入的鋁粉含量,也極大的取決于的新拌砂漿的特點。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%的相同的鋁粉量,但是各自的對象密度相差達到89%數值在1.479mm-1和2.795mm-1之間。

更詳細的觀察氣孔的形狀使得將對象安排到不同類別中就成為一種必要。對分級來說,對象的區域要有一個合適的特征,因為這個尺寸可以在樣本上直接測量而并沒有從另一片測得的數據估算。直徑也是一個可以想象的合適的分級特征,但此值是從實測區域計估算的,因此是受到數學的缺陷影響的,例如舍入造成的誤差。

根據他們的面積,這些對象一共被分為11個級別。所有面積小于0.1 mm2的氣孔和面積大于1.0 mm2的對象成為一個級別。介于0.1 mm2和1.0 mm2的面積按照0.1mm2的跨度被分為9個級別。總氣孔率,而不是對象的數量,

對不同級別的氣孔對泡沫混凝土性能的影響是至關重要的。

圖6表明,在大多數情況下,B0.1mm2和N1.0mm2級占有最大數量的整體孔隙。樣本C/3/0.08/0.40是一個例外,它展示了在介于0.3和0.4 mm2的最大數量。在所有樣本中,大部分對象是處于b0.10mm2級別。在這個級別中,在每個測量面積上,可以檢測到介于224和573之間的氣孔數。相比之下,在級別N1.0mm2中檢測到的氣孔就要少很多,有8至17個對象。歸因于它們的大小,這些只代表了18.6%和49.6%的總孔隙面積。

圖6—-5個樣品混合物的總氣孔率的不同孔徑級別的比例

 

氣孔的形狀和孔徑分布是決定硬化泡沫混凝土性能的基本原因。當觀察氣孔的圓度時,氣孔結構的差異開始變得明顯。圖7證明,在所有檢測樣品中,隨著氣孔尺寸的增大,圓度趨于降低。

圖7—-五個被選標本的不同氣孔級別的平均圓度

對所有樣本來說,氣孔的圓度在小于0.1 mm2的表面上是非常相似,數值從0.735到0.781,每個級別的橫截面積上有最低的偏差。因為這些氣孔在所有情況下以相似的方式發展形成。對抗壓強度的影響一定是通過面積大于1.0mm2的大氣孔發生的。這個級別代表了該面積中最重要的部分。

級別N1.0mm2的氣孔的圓度從A/1/0.05的0.499到D/2/0.10/10的0.230。這些差異在新拌砂漿的稠度下是合理的。樣品A/ 1/0.05的高含水量允許當鋁使用量為0.05%時的干密度為920 kg/dm3的泡沫混凝土的生產。這里陳列的剩下的樣品要達到這樣的干密度,必須相應的有一個0.08%和0.10%的相對高的鋁百分比。這意味著當氣泡的產生被很大的新拌砂漿的稠度阻礙時,氣孔的圓度將會降低。

 

圖8?—-兩種泡沫混凝土里的氣孔:左:W / C比= 0.60,沒有硅微粉;右:W / C比= 0.35,硅微粉含量為10%

 

在對比了樣品A/1/0.05和E/2/0.10/0.45/10/0.85后發現,這些氣孔的變化導致了抗壓強度的降低,因為硬化水泥漿體基體的固化歸因于低的水灰比和化學外加劑以及摻合料的使用,正如對比樣品的分析顯示的那樣。

所有重要的結果也可以由圖8定性的得出。隨著水灰比的降低和于此同時硅微粉的使用,氣孔的平均直徑減小,與此同時,試樣的密度增加了。不僅如此,形成的不規則氣孔的數量也相當程度的增加了。孔徑越小,形成的越規則。規則形成的氣孔在類似的密度下提高了抗壓強度。

5????結論

氣硬性礦物結合泡沫混凝土在技術上是可行的,這種泡沫混凝土可作為承重結構。這種泡沫混凝土最好使用化學發泡方法生產。此外,能提高抗壓強度的礦物結合的泡沫混凝土,應該用這種方法進行調整:在橫截面積超過1.0mm2的面積上盡可能的占據少的氣孔。從圓截面到橫截面隨著尺寸偏離的氣孔的產生是更大的新拌砂漿的稠度以及塑化劑的使用的結果。一個氣孔橫截面面積小0.1mm2的獨立的砂漿配方就此形成。

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