孔隙特征对泡沫混凝土基本性能的影响研究

欧楚萍隋玉武王冠通刘述张文生

(山东建筑大学 材料科学与工程学院， 山东 济南250101)

0 引言

泡沫混凝土是建筑项目中使用较多的工程建筑材料[1]，较多应用于生产轻质砌块，也可直接应用于屋面体系。 由于轻质、保温隔热、耐火隔音、密度小、施工方便，同时还能利用建设废弃物、工业废弃物、弃土淤泥等材料，泡沫混凝土有着广阔的应用前景[2-7]。 由于泡沫混凝土引入了泡沫，硬化后存在大量孔隙导致其强度较低，还容易出现早期塌模、干缩开裂等问题，影响了泡沫混凝土的施工，因此，亟需改善泡沫混凝土的性能[3-5]。

泡沫混凝土的基本性能受多种因素影响，多数学者着重对泡沫混凝土的成分、制备工艺、发泡剂和稳泡剂等性能进行研究，取得了较好的成果。Valore 等[8]研究了泡沫混凝土的材料组分、制备方式对泡沫混凝土物理性能的影响。 Narayanan 等[9]以十二烷基硫酸钠为发泡剂，制备泡沫混凝土并研究了促进剂对其强度的影响。 李良均等[10]成功研究出泡沫轻质混凝土材料，并作为油气管道的回填材料。 泡沫混凝土的性能也与内部孔隙特征密不可分[11-13]，张旭等[14]认为泡沫混凝土气孔壁厚和密实度主要影响其强度。 张冷庆等[15]发现泡沫混凝土的气孔孔径影响气孔孔径分形维数，孔径增大，分形维数会先变大后变小。 影响泡沫混凝土孔结构的因素较多，泡沫混凝土中取代水泥的粉煤灰和矿粉量、粉煤灰等级、泡沫混凝土容重、水胶比都会影响泡沫混凝土孔结构[16-19]。 总体来看，研究内部孔隙特征对泡沫混凝土基本性能影响的文献较少。

文章利用Image-Pro plus 6.0 软件分析了9 种泡沫混凝土内部孔隙孔径大小、表面积、圆度以及分形维数，研究了其对泡沫混凝土表观密度和28 d 抗压强度的影响，计算了孔隙特征对28 d 强度的相关度，为制备高强泡沫混凝土提供了参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

使用泡沫混凝土的胶砂试件为样品，所用材料为:普通硅酸盐水泥(P.O 52.5) 、发泡剂(浓缩型活性动物蛋白高效水泥发泡剂，郑州市鹏翼化工建材有限公司生产，基本特征见表1)、硅灰(颗粒大于800 目)、II 级粉煤灰、普通自来水、稳泡剂(硬脂酸钙，天津市北辰方正试剂厂生产)。

表1 高效动物蛋白发泡剂基本特征表

1.2 试验方法

按计量称取水泥、粉煤灰、硅灰、稳泡剂，放入搅拌锅中，加水搅拌。 称取动物蛋白发泡剂及水，用器皿将动物蛋白发泡剂和水混合后通过发泡机进行发泡，将制备好的泡沫倒入粉体浆料搅拌锅，快速搅拌2 min，停止30 s 后，再慢速搅拌2 min。 将搅拌锅里拌好的混凝土倒入40 mm×40 mm×160 mm 钢制模具中，3 d 后拆模，试块放入恒温箱养护，28 d 后取出进行表观密度、强度测试和圆孔观察分析。 样品制备参数见表2。

表2 试验样品水胶比、流动度及部分组分掺量表

1.3 试验测试指标

试验测试了胶砂试件的抗压强度和表观密度，利用SZ61 体视显微镜观察泡沫混凝土样品孔隙并拍摄图片，再利用软件Image-Pro plus 6.0 直接分析出图片中孔隙特征，选择具有代表性的，如较小的、较大的、均匀的以及一些较特殊的孔进行标记，从而得到孔的直径、比表面积、圆度以及分形维数，如图1 所示，每组试样选择了约280 个孔隙进行观察和计算，为了减少误差，得出的值再计算平均值，所测参数的计算公式和意义见表3。

图1 利用软件Image-Pro plus 6.0 分析图片中孔隙特征图

表3 泡沫混凝土孔隙平均直径、表面积、圆度和分形维数计算与表征表

1.4 皮尔逊相关值

皮尔逊相关值表示两组数据之间是否有简单线性相关性，其计算公式由式(1)表示为

式中:ρX，Y为X、Y两组数据的皮尔逊相关系数，其值介于-1 和＋1 之间，正值表明正相关，负值表明负相关，其中0.8～1.0 表示极强相关、0.6 ～0.8 表示强相关、0.4～0.6 表示中等程度相关、0.2 ～0.4 表示弱相关、0.0～0.2 表示极弱相关或无相关；X为自变量数据中的某个数值；-X为自变量数据的算术平均数；Y为因变量数据中的某个数值；-Y为因变量数据的算术平均数。

两组数据之间是否真相关还需要显著性(双尾)值，当值＜0.05，说明两组数据真相关，否则这个相关性不准确。 对于大量数值需要利用软件计算皮尔逊相关值，如SPSS 软件。

2 结果与分析

2.1 孔直径、表面积、圆度及分形维数对表观密度的影响

在水泥、粉煤灰、发泡剂等制备材料掺量相同的情况下，相同和不同水胶比W/B对泡沫混凝土内部孔隙特征存在不同影响，孔隙直径、表面积、圆度及分形维数对表观密度的影响如图2 所示。

图2 不同水胶比(W/B)下泡沫混凝土孔直径、表面积、圆度和分形维数对表观密度的影响图

由图2(a)～(c)可以看出，不论水胶比的大小，随着孔直径、表面积、圆度和分形维数增大，泡沫混凝土的表观密度都减小，并且孔的特征值变化很小就能引起表观密度较大的变化。 如当W/B＝0.4，孔直径为0.189153 mm 时，对应的表观密度为896 kg/m3，孔直径为0.194001 mm 时，对应的表观密度为824 kg/m3，孔直径为0.201437 mm 时，对应的表观密度为748 kg/m3。 孔直径相差约为0.01 mm，表观密度相差148 kg/m3。 由图2 还可以看出，W/B从0.3 增加到0.35，再增加到0.4，泡沫混凝土中孔隙直径、表面积和圆度变小，但是孔隙的分形维数变大，因此水胶比会影响泡沫混凝土内部孔隙的特征。

2.2 孔直径、面积、圆度及分形维数对强度的影响

在水泥、粉煤灰、发泡剂等制备材料相同的情况下，相同或不同水胶比制备的泡沫混凝土内部孔隙结构不完全相同，内部的孔隙直径、表面积、圆度以及分形维数对泡沫混凝土28 d 抗压强度的影响如图3 所示。 不论水胶比的大小，随着孔直径、表面积、圆度和分形维数的增大，泡沫混凝土的28 d 抗压强度减小。W/B从0.3 增加到0.35，再增加到0.4，泡沫混凝土的孔直径、表面积和圆度都减小，但是孔的分形维数增大。 实验中，W/B＝0.4 时，泡沫混凝土的28 d 抗压强度普遍较高，因为水胶比增大使混凝土流动性增加，结构更加密实。 从设计目标来说，要确保泡沫混凝土28 d 强度＞3 MPa。 水胶比过大会增加后期的收缩，因此配合比中水胶比不应＞0.4。

图3 不同水胶比(W/B)泡沫混凝土孔直径、表面积、圆度和分形维数对28 d 抗压强度的影响图

2.3 泡沫混凝土孔特征对28 d 强度的线性相关性

在忽略水胶比对泡沫混凝土性质影响的前提下，利用SPSS 软件分析泡沫混凝土孔特征对28 d抗压强度的线性影响，计算后得到的相关性指数见表4。 孔的圆度的显著性值为0.012，其值明显＜0.05，说明泡沫混凝土孔特征的4 组成分中，只有孔的圆度与泡沫混凝土28 d 强度之间真正相关，皮尔逊相关系数是-0.787，说明二者属于负的强相关。由图3(c)也可以看出，孔圆度对泡沫混凝土28 d 强度的影响接近线性关系。

表4 孔直径、孔表面积、孔圆度和孔分形维数与28 d 抗压强度相关性分析表

3 结论

通过上述研究，得到以下结论:

(1) 随着泡沫混凝土孔隙的直径、表面积、圆度和分形维数的增加，泡沫混凝土的表观密度和28 d抗压强度降低，即相同水胶比情况下，孔隙越大，圆度越好，孔隙的相似性越好，泡沫混凝土的基本性能越差。

(2) 水胶比对泡沫混凝土的孔隙特征有影响，水胶比为0.4 时的孔隙直径、表面积和圆度最小，但是分形维数要大，制备的泡沫混凝土的28 d 强度最高，基本性能好。

(3) 孔隙的圆度与泡沫混凝土28 d 强度有强的负相关性。