水泥_粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系_图文

1、第38卷第44期 第38卷第期2010年4月硅 酸 盐 学 报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 38·， 621 No. 4 ·April ，2010水泥粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系方永浩，王 锐，庞二波，周 玥(河海大学力学与材料学院，南京 210098摘 要：研究了粉煤灰和泡沫掺量对水泥粉煤灰泡沫混凝土的干体积密度和抗压强度的影响，用读数显微镜和图像分析软件分析了泡沫混凝土的气孔结构，重点研究了泡沫混凝土的抗压强度与气孔结构关系。结果表明用粉煤灰取代水泥会降低泡沫混凝土的抗压强度，但其影响程度随混凝土气孔率

2、的增大而减小：当粉煤灰取代率从20%(质量分数，下同 增加到50%时，不添加泡沫的混凝土的抗压强度从58.9 MPa 降低到了40.2 MPa ；气孔体积分数为0.270.30的1 kg 干胶凝材料(水泥加粉煤灰 添加600 mL 泡沫时，混凝土的抗压强度从32.7 MPa 降低到了23.6 MPa ，而气孔体积分数为0.620.66左右的1 kg 干胶凝材料添加2 L 泡沫时，混凝土的抗压强度仅从3.06 MPa 降低到2.47 MPa ，强度降低率分别为32.0%，28.0%和19.3%；泡沫混凝土的抗压强度与其基体的硬化水泥浆体强度、Feret 孔径大于10 µm的气孔的体积分

3、数和形状因子具有良好的相关性。建立了泡沫混凝土的抗压强度与气孔结构参数的数学关系式。关键词：泡沫混凝土；强度；气孔结构；水泥；粉煤灰.中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：04545648(201004062106RELATIONSHIP BETWEEN COMPRESSIVE STRENGTH AND AIR-VOID STRUCTUREOF FOAMED CEMENT-FLY ASH CONCRETEF ANG Yonghao，WANG Rui，P ANG Erbo ，ZHOU Yue(College of Mechanics and Materials, Hohai Univ

4、ersity, Nanjing 210098, ChinaAbstract: The effects of fly ash and foam volume on the dry apparent density and compressive strength of foamed cement-fly ash concrete were studied. The air-void structures of the foamed concretes were investigated by a reading microscope and image process software. The

5、 relationship between the compressive strength and the air-void structures was studied. The results show that replacement of cement with fly ash will reduce the compressive strength of the foamed concrete. When the replacement of cement with fly ash increased from 20% (in mass, the same below to 50%

6、，the compressive strength of the concrete without foam decreased from 58.9 to 40.2 MPa, and that of the concrete with the air-void fraction of 0.270.30 added with 600 mL foam in 1 kg dry binder, i.e ., the cement and fly ash, decreased from 32.7 to 23.6 MPa; while that of the concrete with the air-v

7、oid fraction of 0.620.66 added with 2 L foam in 1 kg dry binder decreased only from 3.06 to 2.47 MPa; The strength reducing rates are 32.0%, 28.0% and 19.3%, respectively; The compressive strength of the foamed cement-fly ash concrete is highly correlated to the air-avoid structure factors. A model

8、describing the relationship between compressive strength and air-void structure parameters of the foamed concrete was proposed.Key words: foamed concrete; strength; air-void structure; cement; fly ash泡沫混凝土具有体积密度小，且保温、隔热与耐火性、隔音性和抗震性优良的特点，既可工厂化生产成各种形状的预制品，又可现场浇筑，在各类建筑、尤其是建筑节能中具有广泛的应用前景，受到了人们的广泛关注。15 作

9、为一种建筑材料，强度仍是泡沫混凝土的主要性能之一。多孔材料的强度，不仅决定于其基体材料的强度，也取决于其孔收稿日期：20091007。 修改稿收到日期：20091127。 基金项目：国家十一五科技支撑计划(2006BAJ04A0402；江苏省自然科学基金(Bk2009345资助项目。第一作者：方永浩(1956 ，男，教授。结构，包括孔隙率、孔尺寸和孔形状。67 泡沫混凝土作为一种高气孔含量的材料，气孔的结构对其强度更是起着决定性的作用。Kearsleya 等8研究了孔隙率对泡沫混凝土强度的影响，用硬化水泥浆体研究中常采用的多孔材料强度与孔隙率的关系式7,910进行回归分析，均得到了较好的相关性

10、。Kunhanandan 等11研究了泡沫混凝土的气孔特征，· 622 ·硅 酸 盐 学 报2010年发现气孔的形状因子(可理解为不圆整度 随孔体积分数增大而增大。研究了配料组成对水泥粉煤灰泡沫混凝土的干体积密度和抗压强度的影响，分析了水泥粉煤灰多孔混凝土的孔结构，包括孔隙率、孔尺寸和孔的形状因子，讨论了孔结构与抗压强度的关系。1 实 验1.1 原材料所用水泥为江南水泥有限公司生产的钟山牌42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1。粉煤灰为南京华能电厂的级粉煤灰，其化学组成和性能见表2。发泡剂为南京金博节能技术发展中心提供的JT 蛋白质发泡剂。 1.2 方 法将发泡剂与水以

11、质量比1:100混合，用高速搅拌机搅拌10 min 发泡。按设定的配合比，先将水泥、粉煤灰和水预混均匀，再加入泡沫进行搅拌，制成均匀流态料浆，浇注成70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm 试块，每个配合比成型6块试件。试件在(20±3 ，表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cementSpecific surface area/(m2·kg1 Density/(g·cm3 Water requirement/%Setting time/minInitialFinalSoundness

12、Flexural strength/MPa Compressive strength/MPa3 d 28 d 3 d 28 d392 3.05 28.5 144 274 Qualified 4.6 8.9 25.0 51.0表2 粉煤灰的化学组成与性能Table 2 Chemical composition and properties of fly ashFineness (>45 mm/% Density/(g·cm3Chemical composition w /%SiO 2 Al2O 3 Fe2O 3CaOMgO 1.32SO 30.33Ignition lossWat

13、er requirement ratio/% Activity index/%79.3相对湿度大于90%的条件下养护3 d 后脱模，在(20±2 ，相对湿度大于90%的养护室内养护至28 d 龄期，每组取3块试块测定抗压强度，其余3块用于干体积密度测定。取干体积密度值为中等的一块试块继续用于孔结构分析。用金刚石锯片将试块从浇筑面至底面剖开，用砂纸磨平和抛光后，用超声清洗器洗去残留粉末，干燥后用20倍读数显微镜直接观察并用数码相机照相，每块试块在离试块表面15 mm 处和试块中心取3 × 3 = 9个检测点。用photoshop 图像处理软件对照片进行黑白二值化处理，图1是其

14、中2个泡沫混凝土试样的显微照片和二值化图像的示例。用Image-Pro plus图像分析软件对二值化图像进行分析，用9个检测点的分析结果的平均值作为该组试件气孔孔结构的统计结果。由于不加发泡剂的硬化水泥粉煤灰浆体中孔径大于10 µm的气孔含量很少，而发泡剂引入的气孔孔径均在10 µm以上，对图像分析结果的统计分析中仅统计平均Feret 孔径为10 µm的气孔孔径，并近似认为硬化水泥粉煤灰浆体中孔径小于10 µm的气孔含量为零，孔径大于10 µm的气孔均为发泡剂所致。2 试验结果表3是不同配合比泡沫混凝土的干体积密度和抗压强度和气孔参数测定结果，

15、其中d 为所有参与统计的气孔的平均Feret 直径的平均值，S 为平均形状因子，为总气孔体积分数。所谓Feret 直径是经过一个不规则颗粒(气孔 的中心的任意方向的直径。绕中心每隔10°方向上得到一个Feret 直径，所得18个Feret 直径的平均值即为该不规则颗粒(气孔 的平均Feret 直径。平均形状因子S 即为所有气孔的形状因子S 的算术平均值。形状因子的计算公式为：P 2S =4A(1其中：P 为颗粒或气孔投影周长；A 为颗粒或气孔投影面积。S 实际上为颗粒或气孔偏离球形的程度，球体的S 等于1，S 值越大，越偏离球形。根据体视学原理，12 从统计学的角度讲，对于组织中的某

16、一组元来说，它的空间体积密度(或体积分数 与某一截面上的面密度(或面积分数 a 相等，即 = a 。因此，可用每个气孔的截面积占分析区域的面积分数a i 表征该气孔所占体积分数i ，用于统计分析。第38卷第4期 方永浩 等：水泥粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系· 623 ·图1 泡沫混凝土试样的显微照片和二值化图像Fig.1 Microscopic pictures and binary images of foamed concrete samples表3 不同配合比泡沫混凝土的干体积密度和抗压强度和气孔结构参数Table 3 Dry apparent densi

17、ty and compressive strength and air-void structure parameters of cement-fly ash foamed concretewith different mixing proportionsMix designSample No.*Mass ofMass of flyV olume of V olume of water/mL foam/mLDry apparent CompressiveAir-void structure parametercement/g ash/gdensity/(kgm 3 strength/MPa/&

18、#181;m58.9 F 0.40 F 0.35F 0.30C80FA201 800 200 2840 1 9400.780C80FA202 800 200 284 600 1 363 32.7 103564C80FA203 800 200 284 1 000 1 198 19.3 C80FA204 800 200 284 1 400 895 C80FA205 800 200 284 2 000 629 C65FA351 650 350 2977.2 1 5623.1 2 1900 1 871 52.30.701C65FA352 650 350 297 600 1 334 30.4 98C65

19、FA353 650 350 297 1 000 1 150 18.5 540C65FA354 650 350 297 1 400 856 6.92 1 623C65FA355 650 350 297 2 000 603 2.93 1 956C50FA501 500 500 3100 1 823 40.2F n =S i n i , where S i and i are the shape factor and air-void fraction of the i air-void.· 624 ·硅 酸 盐 学 报2010年3 分析与讨论3.1 配合料组成对混凝土结构与性能

20、的影响图2是不同粉煤灰对水泥取代率的泡沫混凝土的干体积密度、抗压强度及孔体积分数随泡沫用量 的变化。随着泡沫用量的增大，混凝土的干体积密度减小，但体积密度减小速率也逐渐降低(图2a 。这是由于随着泡沫用量的增加，混凝土搅拌时泡沫直接受搅拌叶片挤压的比例增加，破损率增大，因此，泡沫混凝土的干体积密度不完全随泡沫用量的增加而线性地减小。随胶凝材料中粉煤灰对水泥的取代率的增加，抗压强度降低幅度较大，但随着泡沫用量的增加和泡沫混凝土的强度降低，不同粉煤灰掺量的泡沫混凝土的抗压强度的差别越来越小(见图2b 。当粉煤灰取代率从20%增加到50%时，不添加泡沫的混凝土的抗压强度从58.9 MPa 降低到了4

21、0.2 MPa ，气孔体积分数为0.270.30的1 kg 干胶凝材料(水泥加粉煤灰 添加600 mL 泡沫的混凝土的抗压强度从32.7 MPa 降低到了23.6 MPa ，而气孔体积分数为0.620.66的每千克干胶凝材料添加 2 L 泡沫时，混凝土的抗压强度仅从3.06 MPa 降低到2.47 MPa ，强度降低率分别为32.0%，28.0%和19.3%。这是由于泡沫混凝土的抗压强度不仅决定于硬化水泥浆体的强度，很大程度上还决定于气孔的体积分数。当气孔体积分数增大时，硬化水泥浆体的强度的差异对泡沫混凝土强度的影响减小。由于粉煤灰的密度低于水泥，当用粉煤灰等质量取代水泥时，实际上增加了泡沫混

22、凝土拌合物的固体与气泡体积比，降低了最终泡沫混凝土的气孔体积分数，使混凝土抗压强度提高。从图2c 也可以看到：一方面随泡沫用量的增大，气孔体积分数逐渐增大，但增大的速率逐渐减缓；另一方面对于相同泡沫用量的混凝土，随着粉煤灰掺量的增加，气孔体积分数减小。3.2 抗压强度与气孔结构关系以下几个经验公式常用于描述多孔材料、包括硬化水泥浆体的抗压强度与孔隙率的关系：7,910f c =f c,0(1p n(2 (3(4 (5f c =f c,0e k r pp f c =k s ln 0p f c =f c,0k H p图2 泡沫混凝土的干体积密度、抗压强度及孔体积分数随泡沫用量的变化Fig.2 Dr

23、y apparent density, compressive strength and air-voidfraction vs. foam volume其中：f c 为多孔材料的抗压强度；f c,0为材料假设的孔隙率为零时的抗压强度；p 为孔隙率；p 0为假设强度降低为零时的孔隙率；n ，k r ，k s ，k H 均为经验系数。式(2式(5均未涉及孔的尺寸因素和形状因素的影响。第38卷第4期方永浩 等：水泥粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系· 625 ·图3是泡沫混凝土的抗压强度f c 与未加发泡剂的硬化水泥浆体基体(近似认为孔径大于10 µm的气的比值

24、f c /f c,0随总孔体积分数为零 的抗压强度f c,0气孔体积分数的变化。尽管两者具有良好的相关性，在试验研究的气孔体积分数范围内，存在f c=2.318e 0.0482 (0.27<<0.67 f c,0(6相关系数R 2达0.969 2，但式(6同样未涉及孔径因素，也未涉及孔的形状因素。 随总孔体积分数的变化 图3 抗压强度比f c /f c,0vs . air-void fraction Fig.3 Compressive strength ratio f c /f c,0如前所说，根据体视学原理， = a ，因此，试件中存在体积分数为i 的气孔，使得试件的承压面积分数

25、和承压能力也减小i 。通过分析各试样中气孔的平均Feret 孔径与气孔形状因子的关系，发现尽管相同孔径气孔的形状因子S i 离散也很大，但从各试样所有参与统计的气孔的平均形状因子S 与平均与F 0.40，F 0.35和F 0.30的关系 图5 抗压强度比f c /f c,0and F 0.40, F 0.35 and F 0.30 Fig.5 Relationships between fc /f c,0 Fig.4 Average shape factor vs. average of mean Feretdiameter有很好的线性关系。因此，在同时考虑气孔形状因子和孔径尺寸的影响时，可以

26、将气孔孔径因素的影响也用形状因子来表征。设气孔的尺寸和形状因子n的综合影响因子为S i ，则第i 个体积分数为i 的气· 626 · n 硅 酸 盐 学 报 2010 年 孔对混凝土强度的影响因子为 S ii， 所有大于 10 µm n 的气孔对混凝土强度的影响因子为 Fn = S ii (n>0， 泡沫混凝土的抗压强度： 孔结构参数的关系可表示为：f c = f c,0 (1 Si0.35i 。 f c = f c,0 (1 Fn 即： (7 (8 参考文献： 1 KEARSLEYA E P, WAINWRIGHT P J. The effect of h

27、igh fly ash content on the compressive strength of foamed concrete J. Cem Concr Res, 2001, 31(1: 105112. 2 KEARSLEYA E P, WAINWRIGHT P J. Ash content for optimum strength of foamed concrete J. Cem Concr Res, 2002, 32(2: 241246. 3 JONES M R, MCCARTHY A. Utilising unprocessed low-lime coal fly ash in

28、foamed concrete J. Fuel, 2005, 84(14/15: 19381409. 4 KUNHANANDAN Nambiar E K, RAMAMURTHY K. Influence of filler type on the properties of foam concrete J. Cem Concr Compos, 2006, 28(5 : 475480. 5 俞心刚, 李德军, 田学春, 等. 煤矸石泡沫混凝土的研究J. 新型 建筑材料, 2008(1: 1619. YU Xingang, LI Dejun, TIAN Xuechun, et al. New Bu

29、ild Mater (in Chinese, 2008(1: 1619. 6 7 JAMBOR J. Pore structure and strength development of cement composites J. Cem Concr Res, 1990, 20(6: 948954. TANG Luping. A study on the quantitative relationship between strength and pore size distribution of porous materials J. Cem Concr Res, 1986, 16(4: 8796. 8 KEARSLEYA E P, WAINWRIGHT P J. The effect of porosity on the strength of foamed concrete J. Cem Concr Res, 2002, 32(2: 233 239. 9 RÖßLER M, ODLER I. Investigations on the relationship between porosity, structure and streng