加氣混凝土的性能研究

加氣混凝土的性能研究

0加壓混凝土的發(fā)展由于其良好的環(huán)保材料，其容重范圍為3001800kg。環(huán)保顆粒是其最突出的優(yōu)點之一。同時,由于它的多孔性,加氣混凝土也是一種優(yōu)良的保溫隔熱材料。由發(fā)氣劑引入氣泡產(chǎn)生的微小氣孔是加氣混凝土的主要組成部分。在我國,加氣混凝土最初只是作為一種可供選擇的新型墻體材料。近年來,隨著全球?qū)?jié)能減排和生態(tài)保護的不斷重視,人們逐漸認識到加氣混凝土在節(jié)能、節(jié)材、工業(yè)固體廢棄物利用等方面的優(yōu)異表現(xiàn),對加氣混凝土的研究日益受到重視。本文綜述了國內(nèi)外加氣混凝土在材料結(jié)構(gòu)(孔隙率和孔徑分布)、水化產(chǎn)物、物理性能和使用性能等方面的最新研究進展,并針對加氣混凝土的生產(chǎn)和工程應(yīng)用實際,闡述了加氣混凝土今后的研究方向和研究重點。1恒向混凝土的分類1.1添加鋁粉或雙氧水等聚合物材料加氣混凝土的加氣方式分為內(nèi)發(fā)氣和外加氣兩種。采用內(nèi)發(fā)氣方式的一般為蒸壓加氣混凝土,采用外加氣方式的一般為泡沫混凝土。內(nèi)發(fā)氣方式是指通過在石灰或者水泥料漿的攪拌階段加入化學(xué)發(fā)氣劑產(chǎn)生氣泡,從而使料漿體積膨脹,當(dāng)氣體從中溢出,坯體就形成具有多孔結(jié)構(gòu)的材料。鋁粉、雙氧水、漂白粉、電石因其分別可產(chǎn)生氫氣、氧氣、氯氣、乙炔等氣體,均可作為加氣混凝土的發(fā)氣劑,其中鋁粉是使用最普遍的發(fā)氣劑。鋁粉的發(fā)氣過程受到鋁粉細度、純度以及料漿的堿度、溫度的影響,因此在加氣混凝土的制作過程中需特別注意協(xié)調(diào)鋁粉的發(fā)氣,以避免料漿在凝結(jié)固化前發(fā)氣過程過早結(jié)束從而使加氣混凝土的發(fā)氣不理想。對于堿度較低的漿料一般可通過加入石灰或氫氧化鈉來提高堿度從而協(xié)調(diào)鋁粉的發(fā)氣。外加氣方式是指通過機械方式事先制備好泡沫并在料漿攪拌時加入或者在料漿中直接加入引氣劑,通過攪拌產(chǎn)生氣泡。能通過攪拌產(chǎn)生氣泡的發(fā)氣劑包括洗滌劑類、樹脂皂類、油膠樹脂類、水解蛋白類(如角蛋白)。1.2基加氣混凝土應(yīng)用加氣混凝土根據(jù)料漿使用的膠凝材料分為水泥基加氣混凝土和石灰基加氣混凝土。在我國,水泥基加氣混凝土多用于生產(chǎn)泡沫混凝土,石灰基加氣混凝土多用于生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土。國內(nèi)外有大量采用工業(yè)廢渣和尾礦渣等廢料來部分替代水泥和砂的報道,當(dāng)這些廢渣和廢料用于生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土?xí)r,其摻量往往都比較大,因此蒸壓加氣混凝土在固體廢棄物利用方面有較大的優(yōu)勢。1.3蒸壓過程中的水熱反應(yīng)加氣混凝土根據(jù)養(yǎng)護方式分為蒸壓加氣混凝土和非蒸壓加氣混凝土。養(yǎng)護方式和養(yǎng)護時間直接影響到加氣混凝土的強度、干燥收縮、吸濕等性能。蒸壓反應(yīng)可加速石灰等鈣質(zhì)材料與砂等硅質(zhì)材料之間的水熱反應(yīng),文獻詳細討論了蒸壓過程中的水熱反應(yīng)過程。對于蒸壓養(yǎng)護的壓力和蒸壓時間,不同的研究者有不同的建議,但一般蒸養(yǎng)時間為8～16h,蒸養(yǎng)壓力為4～16MPa。2材料結(jié)構(gòu)2.1加壓混凝土的孔壁特征加氣混凝土中的孔由宏觀孔和微觀孔組成,是直接影響材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能的主要因素。宏觀孔為發(fā)氣劑發(fā)氣后氣體溢出所形成的孔,微觀孔存在于宏觀孔孔壁上,可分為毛細孔和膠凝孔。文獻認為,宏觀孔為孔徑超過60μm的孔隙。而另一個廣為接受的劃分標準則認為加氣混凝土中孔徑為50～500μm的孔為宏觀孔,50nm～50μm的孔為宏觀毛細孔,50nm及以下的孔為微觀毛細孔,其主要存在于氣孔壁上。圖1為加氣混凝土中3類孔的典型形貌。雖然蒸壓加氣混凝土和非蒸壓加氣混凝土的宏觀孔特征存在一定程度的相似性,但其孔壁卻存在較大的差異。這主要是由于各自的水化過程不同,進而引起孔隙結(jié)構(gòu)的差異。蒸壓加氣混凝土中,由于硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料水化反應(yīng)相對充分,孔壁上形成致密的毛細孔,而非蒸壓加氣混凝土由于孔隙水的存在而形成大量小孔。2.2孔結(jié)構(gòu)對加壓混凝土性能的影響加氣混凝土是一種孔隙率高達80%以上的材料,它的強度、滲透性、擴散性、收縮和徐變等性能都與孔隙率和孔徑分布密切相關(guān),孔結(jié)構(gòu)特征對加氣混凝土性能具有重要影響。加氣混凝土的孔隙率越高,則宏觀孔越多,氣孔壁變薄,微觀孔的比例減小,但文獻表明宏觀孔對加氣混凝土的滲透性影響較小。此外,不同的發(fā)氣方式也會引起加氣混凝土孔隙率的較大變化。2.3孔結(jié)構(gòu)的測量掃描電鏡(SEM):對于多孔材料來說,掃描電鏡是一種表征孔結(jié)構(gòu)形貌和孔徑的有效方法。掃描電鏡圖片不僅能定性反映孔結(jié)構(gòu)特征,同時也能觀察加氣混凝土水化產(chǎn)物的微觀形貌。自動圖像分析法:這種方法可用于表征加氣混凝土中大孔的孔隙率和孔徑分布。該方法用具有圖像采集系統(tǒng)和特殊光學(xué)系統(tǒng)的相機拍攝加氣混凝土的結(jié)構(gòu)形貌,用計算機圖像分析軟件對圖像進行處理,轉(zhuǎn)化為數(shù)字相片后進行分析。壓汞法:這種方法是測定材料孔徑分布、比孔容積和比表面積技術(shù)中最基本也是應(yīng)用最廣泛的方法。壓汞法通常需在200MPa以下進行,壓強不能過高,因而限制了孔徑的測量下限。壓汞法一般可測400μm～1.8nm范圍較寬的孔分布,另外壓汞法可以用來表征宏觀孔孔壁中的微觀孔,但不能表征孔徑較大的宏觀孔。氣體滲透法:孔的類型、大小以及分布與滲透性密切相關(guān),因此通過測試氣體在加氣混凝土中的滲透性能可直接反應(yīng)加氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)。氣體滲透法只適合允許氣體通過的連通孔?？疾觳煌谱鞣椒ㄏ驴捉Y(jié)構(gòu)的差異可采用此方法。2.4配合比及水料比對用量的影響用水量是影響加氣混凝土容重的主要因素之一,常用水料比來初步衡量配方中用水量是否恰當(dāng)。但實際生產(chǎn)中,水料比低則氣泡不易形成而導(dǎo)致氣泡量少,水料比高則氣泡容易破裂也導(dǎo)致氣泡量少,兩種情況都會使得制品的容重增加。因此,在加氣混凝土實際制備過程中,用水量更多的是由所需料漿的稠度決定而不是事先設(shè)計的水料比。加氣混凝土的許多物理性能都與容重相關(guān)。描述加氣混凝土的容重,還需說明含濕狀況(含水率)。加氣混凝土的出釜容重比絕干狀態(tài)下重15%～25%,干容重偏小時這一數(shù)值甚至高達45%。研究表明,蒸壓加氣混凝土的容重隨著環(huán)境溫度和相對濕度的變化而明顯變化,變化的幅度與其干容重有關(guān)。3蒸壓加壓混凝土的結(jié)晶度通過X射線衍射分析可知,加氣混凝土的水化產(chǎn)物為以托貝莫來石為主的水化硅酸鈣(C-S-H)。水化產(chǎn)物的生成機理是:富鈣C-S-H→C-S-H→11.3?托貝莫來石。由于水化產(chǎn)物是結(jié)晶、半結(jié)晶和無定形托貝莫來石的混合物,蒸壓加氣混凝土的結(jié)晶度是不固定的,結(jié)晶度由托貝莫來石占總的水化硅酸鈣的比例來確定。蒸壓加氣混凝土水化產(chǎn)物的比表面積比濕養(yǎng)加氣混凝土小得多,且結(jié)構(gòu)更致密。SEM圖片表明,蒸壓加氣混凝土中的微觀毛細孔中水化產(chǎn)物為雙鏈硅酸鹽結(jié)構(gòu)的11.3?片狀托貝莫來石結(jié)晶。這些托貝莫來石具有很好的穩(wěn)定性,其晶胞層間距即使在300℃的高溫也不會從11.3?收縮到9.3?。非蒸壓加氣混凝土的水化產(chǎn)物則是在濕養(yǎng)過程中從針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅螤钭詈筠D(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐Y(jié)晶。4物理分辨率4.1.力量4.1.1混凝土的強度預(yù)測模型研究表明,加氣混凝土的強度受到孔隙、容重、含水率、原材料、養(yǎng)護方式以及荷載方向等因素影響,其中孔隙的結(jié)構(gòu)和孔壁物理特征對其影響最大。容重也是影響強度的重要因素,容重減小,抗壓強度明顯下降,容重與抗壓強度呈線性相關(guān)。由于高溫高壓和高濕能促進托貝莫來石的生成,蒸壓養(yǎng)護能明顯提高強度。蒸壓加氣混凝土可在短時間內(nèi)通過蒸壓養(yǎng)護獲得最終強度,而非蒸壓加氣混凝土30%～80%的強度是在成型后38天到6個月之間逐漸增長的,此后強度增長極小,部分強度增長還是由于碳化的原因。加氣混凝土的含水率與強度呈反相關(guān),即含水率增加,強度下降。在自然狀態(tài)下干燥到平衡含水率,強度將增加,處于絕干狀態(tài)時強度將達到最大值。許多學(xué)者都對加氣混凝土的強度預(yù)測模型進行了研究。多數(shù)研究者認為孔隙率對抗壓強度有明顯影響。以下為一些考慮孔隙率的強度預(yù)測模型:①Schiller等式:式中:Pcr是強度為零時的臨界孔隙率,Ks為常數(shù)。②用于特定水泥的強度孔隙率關(guān)系式:式中:ρc為水泥密度,νw為水的密度,dc為混凝土密度,k為水灰比,σ為經(jīng)驗常數(shù)。③Balshin表達式:式中:S0為孔隙率為零時的強度,n為常數(shù)。4.1.2拉壓比tra的確定由于加氣混凝土的抗拉強度受實驗條件影響較大,研究者對抗拉強度與抗壓強度之比(拉壓比)的取值范圍一直存在矛盾,Valore認為蒸壓加氣混凝土的拉壓比在0.15～0.35之間,而Legatski認為這個值在0.10～0.15之間。抗折強度與抗壓強度之比的變動范圍為0.22～0.27。對于容重非常小的加氣混凝土,拉壓比幾乎為零。4.2孔壁拉應(yīng)力導(dǎo)致的收縮干燥收縮是由于材料失去吸附水而產(chǎn)生。加氣混凝土由于具有高的孔隙率(40%～80%)和較大的比表面積(30m2/g),干燥收縮更明顯?？讖皆叫?、孔隙率越高,加氣混凝土的收縮也越大。Ziembicka認為干縮主要與微觀孔(孔的尺寸為75～1000?)的體積和比表面積有關(guān),而Schubert認為干縮還與孔徑分布有關(guān)。膠凝材料干燥收縮的毛細管張力理論認為孔隙中的水存在表面張力,從而導(dǎo)致孔壁之間存在拉應(yīng)力,干燥過程中拉應(yīng)力增大到一定程度則產(chǎn)生收縮。Georgiades等認為蒸壓加氣混凝土的干燥收縮值是孔徑為20～200?的微觀孔的體積和比表面積的函數(shù)。加氣混凝土的干燥收縮與其水化產(chǎn)物生成情況密切相關(guān)。收縮值與C-S-H(I)含量大致成正比,而與托貝莫來石和水石榴子石含量呈線性負相關(guān),其最大值依賴于C-S-H(I)的生成情況,最小值則依賴于C-S-H(I)轉(zhuǎn)化為托貝莫來石的情況。因此,促使C-S-H(I)向托貝莫來石晶體轉(zhuǎn)化,是減小干縮的有效途徑。此外,加氣混凝土的干燥收縮還受膠凝材料種類、養(yǎng)護方式和時間、蒸養(yǎng)壓力、硅質(zhì)材料細度和化學(xué)成分、摻合料種類、試件尺寸和形狀、存放時間和環(huán)境等因素影響。如只采用水泥作為膠凝材料的加氣混凝土其收縮值比采用石灰或石灰加水泥的收縮值要高,石灰-水泥體系的收縮值最小。料漿中參與反應(yīng)的硅質(zhì)材料量越多,收縮值越大,但達到一定值后收縮值開始下降。Tada等的研究表明非蒸養(yǎng)加氣混凝土收縮較大,主要是因為其具有較大體積的小孔。而同樣的試件經(jīng)過蒸養(yǎng)后,其礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本變化(生成了結(jié)晶程度較好的托貝莫來石),收縮值可減小為未蒸養(yǎng)時的1/4甚至1/5。Alexanderson認為結(jié)晶度對強度和干縮都有明顯影響,隨著結(jié)晶度的提高,收縮減小,強度則先增加,達到最大值后開始降低。4.3孔及密度的影響加氣混凝土的熱工性能受容重、孔隙、含水率及材料的組成等因素的影響。孔的數(shù)量及分布對熱工性能影響最大,微觀孔越小、數(shù)量越多,絕熱性能越好。此外,由于加氣混凝土的熱工性能很大程度上是容重的函數(shù),因此采用何種養(yǎng)護方式對其影響不大。5用法5.1孔道毛細吸力加氣混凝土具有多孔性,孔與水、水蒸氣之間存在強烈的相互作用。處于濕度較大的環(huán)境時,水蒸氣將以擴散的方式在孔中傳遞;如果水直接與表面接觸,則毛細吸力是水傳遞的主要方式。周春英等認為,加氣混凝土砌塊的毛細吸水與孔徑的分布均勻性、大小以及氣孔的連通性有關(guān):孔徑分布越均勻則毛細吸水越小;孔徑主要分布在700～800μm時,加氣混凝土具有較低的毛細吸水率;連通氣孔越多,則毛細吸水通道越多、毛細吸水越多。5.2混凝土抗沖劑含水率蒸壓加氣混凝土主要由托貝莫來石組成,其比普通養(yǎng)護方式下的加氣混凝土生成物更穩(wěn)定,因而蒸壓加氣混凝土的耐久性也更好。然而,加氣混凝土的孔隙率較高,液體和氣體容易滲透,也導(dǎo)致其易于被侵蝕,如在有硫酸鹽等侵蝕時,需采用諸如瀝青基材料做好保護措施。在含水率為20%～40%時凍融循環(huán)對蒸壓加氣混凝土有較大影響,54%是加氣混凝土凍融破壞的臨界含水率,含水率更高時,蒸壓加氣混凝土將變脆并完全裂碎。碳化也是導(dǎo)致加氣混凝土長期耐久性能下降的一個因素,FumiakiMatsushita等和吳國強認為,引起粉煤灰加氣混凝土長期抗壓強度降低的主要因素是碳化。6施工質(zhì)量管理和性能表征將成為研究重點近年來隨著我國墻材革新和建筑節(jié)能工作的不斷推進,加氣混凝土的生產(chǎn)量和應(yīng)用量呈逐年增加的趨勢。由于生產(chǎn)和工程應(yīng)用的需要,對加氣混凝土的研究也需要不斷拓展和深入,其中以下幾個方面的研究更值得關(guān)注。(1)在生產(chǎn)設(shè)備與工藝方面,我國多數(shù)工廠現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備裝備水平還相對比較落后,工藝控制水平和自動化程度較低,因此先進生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)、自動化水平的提高、生產(chǎn)工藝的提升和優(yōu)化等方面的研究因?qū)μ岣呒託饣炷恋男阅?、保障生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定意義重大而將被關(guān)注。(2)在原材料配比與性能方面,如何在保證加氣混凝土輕質(zhì)保溫等性能的前提下提升其力學(xué)性能將是研究的重點。由于固有的多孔結(jié)構(gòu),加氣混凝土特別是非蒸壓加氣混凝土的強度往往較低,如能大幅提高力學(xué)性能則能使加氣混凝土在輕質(zhì)高強方面再進一步,從而拓展加氣混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域,使其應(yīng)用于建筑承重墻體而不僅僅局限于非承重結(jié)構(gòu)。(3)在固體廢棄物利用方面,如何根據(jù)各個地區(qū)固體廢棄物的資源情況拓廣固體廢棄物在加氣混凝土中的應(yīng)用來源和提高固體廢棄物的應(yīng)用水平將是研究的重點,特別是摻加固體廢棄物對配比、工藝、性能、水化過程、微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成等方面的改變與影響。(4)在性能表征與預(yù)測方面,加氣混凝土的孔的表征與