考慮破損泡沫前補償設計的泡沫混凝土制備方法

郝逸飛, 郭瑞云, 梁愷康

(1.河北工業大學土木與交通學院, 天津 3004011; 2.香港城市大學建筑與土木工程學院, 香港 999077)

泡沫混凝土因其內部存在大量孔隙,具有質量輕、隔音隔熱性能良好、自密實性強、沖擊耗能高等優點,在道路工程以及安全防護工程等多領域有著廣泛的應用,成為一種重要的建筑材料[1-4]。如用于底基層改善軟地基土性能、道路拓寬工程以及橋梁臺背回填[5];用于飛機阻攔、高速避險車道等軟道面阻攔系統實現安全防護[6]等。

泡沫混凝土發泡工藝的選擇,即化學或者物理發泡[7-9],對產品最終性能有著重要影響?；瘜W發泡法是指通過添加可以產生泡沫的化學試劑(如鋁粉、過氧化氫等)直接在混合料內部形成氣孔的一種發泡方式。陳潔渝等[10]研究發現化學發泡法不穩定,各部位發泡速度不一致,產生的泡沫尺寸和均勻度不可控。李啟金[11]提出化學發泡法制備的泡沫混凝土內部泡孔粗大、孔徑大小不一、泡孔間連通率高、試樣吸水率高。物理發泡法是指將發泡劑置入發泡機中,通過氣泵混合氣體形成預制泡沫群,再將預制泡沫群外摻到制備好的水泥凈漿中。與化學發泡方式相比,通過物理發泡方式形成的泡孔具有較好的穩定性和均勻性,有利于提高產品強度,且由于其工藝更易控制而被廣泛應用在各類工程中[12-15]。

預制泡沫群在泡沫混凝土制備過程中存在破損現象,主要由2個因素導致:一是泡沫自身隨時間發生的衰敗,包括重力排液、表面張力排液和泡沫內氣體擴散,破壞的形式包括不同大小泡沫合并以及泡沫上浮到液體表面的破裂[16];二是泡沫受到外界力產生破損,包括混合料內部顆粒對泡沫液膜的擠壓以及攪拌機葉刃對泡沫液膜的破壞。大量破損泡沫的泡沫壁轉變為多余的游離水殘存在混合料中,導致實際水灰比大于設計水灰比;且混合料流動性變大造成泡沫上浮,進一步造成泡沫混凝土出現分層和塌?，F象,影響材料最終強度。工程中常采用繼續添加泡沫的后補償法對破損泡沫群進行補償,使材料密度滿足設計密度需求。但是后補償法通常需要對泡沫進行多次補充,操作煩瑣且造成游離水的累積并進一步造成塌模、強度低等材料質量問題。

本文詳細研究了不同攪拌速率、水灰比和設計密度對泡沫群破損的影響,針對泡沫群破損及其對泡沫混凝土性能造成的影響,提出了一種在配合比設計中提前對破損泡沫群量進行補充,同時對多余水量進行去除的前補償泡沫混凝土配合比設計方法,在此基礎上制備了設計密度為400～1 000 kg/m3的泡沫混凝土,并與后補償法制備的泡沫混凝土比較物理和力學性能,研究結果為工程中高質量泡沫混凝土的制備做出指導。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

所用水泥為市售強度等級42.5普通硅酸鹽水泥。水為實驗室用水。物理發泡劑選用市售十二烷基硫酸鈉,又稱K12陰離子發泡劑,其性能指標見表1。

表1 K12陰離子發泡劑性能

1.2 制備工藝

1.2.1 后補償法

根據張巨松等的《泡沫混凝土》[17]設計配合比并在實驗室制備泡沫混凝土。首先將水和發泡劑按照40∶1的比例制備成發泡溶液置入發泡機中預制泡沫;再將水泥和水按照所需量稱取后置入攪拌機中攪拌3 min至混合均勻;隨后稱取所需泡沫體積置于攪拌機中同凈漿一同勻速攪拌2～3 min至表面沒有白色泡沫,測量泡沫混凝土漿體密度,若不滿足密度要求則繼續添加泡沫并稱重至滿足要求;將制得的泡沫混凝土漿體裝入模具中,澆注成100 mm×100 mm×100 mm試塊,覆保鮮膜在自然條件下養護1 d后脫模并置于標準養護條件下((20±2)℃,95RH)養護28 d。

1.2.2 前補償法

前補償法是基于后補償法提出的一種優化后的泡沫混凝土設計制備方法。與后補償法相比,前補償法通過提前對破損泡沫量進行補償,同時去除多余水量,調整原有的泡沫混凝土配合比設計,避免繼續添加泡沫的情況。試驗思路如圖1所示。

圖1 研究路線圖

消泡率的測試根據規范《現澆泡沫輕質土路基設計施工技術規程》(TJG F1001—2011)[18]進行:預制泡沫群與水泥凈漿在攪拌鍋中混合攪拌1 min后,使用1 L量筒接取泡沫混凝土漿體稱重后倒回,重復攪拌稱量6次,計算式為

(1)

式中:δ是消泡率;ρ0是泡沫混凝土漿體初始密度;ρmax是6次測量中泡沫混凝土漿體密度最大值。

改進后的泡沫混凝土配合比設計方法為

ρd=Sa·Mc

(2)

Mw=φ·Mc-V1δρf

(3)

(4)

Vb=(1+δ)(1-V2)

(5)

其中:ρd是泡沫混凝土設計密度;Sa是水泥水化系數,普通硅酸鹽水泥通常取1.2;Mc是1 m3泡沫混凝土的水泥用量;Mw是1 m3泡沫混凝土的用水量;φ是水灰比;V1是原設計配合比中1 m3泡沫混凝土中泡沫添加量;ρf為實測泡沫密度;V2是水泥凈漿的總體積;ρc、ρw分別是水泥和水的密度;Vb是泡沫摻量。制備的泡沫混凝土如圖2 所示。

圖2 利用前補償法制備的泡沫混凝土試件(800 kg/m3)

1.3 密度試驗

設計密度用于指導配合比設計,而干密度反映所制備泡沫混凝土的實際密度性能。為了對比不同制備方法下泡沫混凝土力學性能的變化,首先需要通過干密度試驗測得泡沫混凝土試件所屬干密度等級。干密度試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,每組取3個試件測量平均值。試件于標準養護室養護28 d后取出,置于干燥鼓風箱中,溫度設定為 65 ℃并烘干至前后2次相隔4 h質量差不大于1 g,取出后立即放入干燥器中冷卻至常溫,快速稱取試塊質量和實際體積后計算干密度[19]。

(6)

式中:ρg是泡沫混凝土干密度;m1是實測試塊烘干后質量;V3是實測試塊體積。

1.4 抗壓強度試驗

經過28 d標準養護后,將尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件放在萬能試驗機下壓板中心位置,養護時的側面為受壓面,保證受壓面平整。以1.0 kN/s的加載速率連續均勻加載,直至試件破壞?？箟簭姸热?次測量值的平均值。

(7)

式中:P是抗壓強度;F是實測壓力值;S是受壓面積。

2 結果與討論

2.1 消泡率影響因素

根據式(2)～(5)可知,前補償法配合比設計需要已知消泡率。消泡率受到攪拌速率、水灰比和設計密度等因素影響,為測量不同設計密度對應的消泡率,應選擇最優的攪拌速率和水灰比以減少其他因素對消泡率的影響。表2為測量不同因素對消泡率影響的試驗配合比。M1～M4用于測量攪拌速率對于消泡率的影響,試驗使用OS1800W規格的變速攪拌器,攪拌速度可調節為80、150、300、450和650 r/min;M5～M8用于測量水灰比對于消泡率的影響,水灰比變量為0.35、0.45、0.55、0.65;在保持攪拌速率和水灰比一定的條件下,M9～M12用于測量不同設計密度對應消泡率。

表2 不同影響因素對消泡率的影響試驗配合比

2.1.1 攪拌速率對消泡率的影響

圖3給出了攪拌速率與消泡率的變化關系,規范《現澆泡沫輕質土路基設計施工技術規程》(TJG F1001—2011)中規定的消泡率通常不應大于10%,如圖中水平實線所示。

圖3 攪拌速率對消泡率的影響

隨著攪拌速率增大,泡沫混凝土消泡率逐漸增大。攪拌速率為80 r/min時,泡沫混凝土消泡率為5.7%;攪拌速率為650 r/min時,泡沫混凝土消泡率達到31.2%。

攪拌速率對消泡率造成影響的原因主要包括3點:一是葉刃在旋轉過程中對泡沫造成的擠壓破壞;二是攪拌速率通過影響泡沫混凝土漿體的黏度進而對消泡率造成影響,水泥漿體是一種剪切變稀的非牛頓流體,這種流體的特性是隨著攪拌速率的提升,漿體的黏度會逐漸下降,導致對泡沫的黏結能力下降,進一步導致泡沫容易上浮破損[16,20-21];三是攪拌會影響液體表面張力進一步對消泡率造成影響,根據伯努利方程

(8)

可知,表面張力的變化實際是由液體壓強的變化導致的,而流動液體中的壓強又與液體流速有關,攪拌速率越大,液體所受壓強越大,即表面張力越大導致泡沫越容易被破壞[22-23]。式中:p是流體中某點的壓強;ρ是流體密度;v是該點的流速;h是該點所在的高度;C是一個常量。在液體固定高度處,隨著漿體攪拌速度上升,液體流速v上升,水泥漿體剪切變稀,黏度逐漸下降,泡沫逐漸上浮破損。此外漿體流速增大導致流體壓強p減小,即泡沫在該點處受到的壓力減小,而液體表面張力一般隨壓力的減小而增大,因此攪拌速率越快,泡沫越容易被破壞,消泡率升高[23-24]。

2.1.2 水灰比對消泡率的影響

圖4顯示了在攪拌速率和設計密度一定的條件下,隨著水灰比增大,泡沫混凝土消泡率逐漸上升。水灰比為0.35時,泡沫混凝土消泡率為5.3%;水灰比為0.65時,泡沫混凝土消泡率為14.2%。

圖4 水灰比對消泡率的影響

水灰比對消泡率造成影響的原因是水灰比影響混合料的黏度。水灰比越大,混合料黏度越小,泡沫在水泥凈漿中上浮受到的黏滯阻力變小導致上浮速度過快,直至氣液交界處。泡沫暴露在空氣中的破損速度遠高于在混合料中,當泡沫接觸空氣時,除了與液面接觸處受到浮力外,泡沫四周僅受重力,在重力的作用下,泡沫上部水分向下流走,上部泡沫壁越來越薄至完全破損。而泡沫在液體中四周受力,泡沫壁不會有明顯的遷移現象,泡沫更加穩定,如圖5所示。

圖5 氣液環境中泡沫穩定性差異

2.1.3 設計密度對于消泡率的影響

根據2.1.1和2.1.2試驗結果,攪拌速率80 r/min時,泡沫混凝土消泡率最低;工程實際中制備泡沫混凝土水灰比常為0.35～0.45,與水灰比0.35相比,盡管水灰比0.45下泡沫混凝土消泡率有小幅度上升,根據劉秋美等[25]、張亞明[26]試驗得出的最優水灰比,本文選擇水灰比0.45以及80 r/min的攪拌速率為控制條件制備不同設計密度的泡沫混凝土。設計密度對消泡率的影響如圖6所示。

圖6 設計密度對消泡率的影響

隨著泡沫混凝土設計密度增大,消泡率不斷上升。400 kg/m3泡沫混凝土消泡率最低,為4.8%;1 000 kg/m3泡沫混凝土消泡率最高,為14.2%。

設計密度對消泡率的影響主要是由泡沫與漿體之間的密度差以及漿體對泡沫的擠壓破壞導致的。研究[16]表明隨著設計密度的上升,漿體密度逐漸增大,泡沫所受浮力增大,泡沫在漿體中穩定性變差導致消泡率增大。此外隨著設計密度的增大,單位體積內漿體比例增多,泡沫比例減小,泡沫與漿體顆粒之間的接觸面積增大,與泡沫之間的相互接觸相比,粗糙的漿體顆粒更容易對泡沫造成破壞。

2.2 前補償法的效果驗證

在保持水灰比0.45以及80 r/min的攪拌速率的前提下,將圖7中不同設計密度對應的消泡率代入式(2)～(5),計算得到不同設計密度對應的前補償法制備泡沫混凝土的配合比。為了驗證前補償法對泡沫混凝土制備質量的提升效果,采用后補償法制備設計密度相同的泡沫混凝土試塊。前/后補償法對應的泡沫混凝土配合比如表3所示,制備的泡沫混凝土干密度與抗壓強度對比見表4。

圖7 前/后補償法制備的泡沫混凝土干密度

表3 基于前/后補償法試驗配合比

表4 不同制備方法下泡沫混凝土性能

2.2.1 前補償法對泡沫混凝土密度的影響

前/后補償法對泡沫混凝土的密度影響如圖7所示,隨著設計密度上升,前/后補償法制備的泡沫混凝土干密度逐漸增加。設計密度越大,前/后補償法制備的泡沫混凝土之間干密度差值越大。

前補償法提前在配合比中減少多余水量同時增加預制泡沫摻量,在泡沫混凝土制備過程中,泡沫依舊會破損,但是破損后的剩余泡沫量可以滿足泡沫混凝土的制備要求,同時破損泡沫形成的多余水量對配合比中提前去除的部分水量做出了補充。與前補償法相比,后補償法通過多次“補泡-稱量”過程使得泡沫混凝土漿體密度符合制備需求,然而當試塊烘干時,由于累積多余水量較多,后補償法制備的泡沫混凝土由多余水量蒸發導致的孔隙較多,材料疏松,干密度相對較小[27]。

2.2.2 前補償法對泡沫混凝土抗壓強度的影響

前補償法和后補償法制備的泡沫混凝土抗壓強度如圖8所示,其中陰影部分為規范《泡沫混凝土》(JC/T 266—2011)中不同密度泡沫混凝土對應抗壓強度區間。

圖8 前后補償法對于泡沫混凝土抗壓強度影響對比

隨著設計密度上升,泡沫混凝土抗壓強度逐漸上升。與后補償法相比,前補償法制得的泡沫混凝土強度更高,1 000 kg/m3的泡沫混凝土抗壓強度最高提高了39.6%。與后補償法制備的泡沫混凝土相比,前補償法制得的泡沫混凝土強度上升是因為其他條件一定時,提前去除多余游離水,泡沫混凝土實際水灰比較低,水泥顆粒間距小,水泥水化產物容易填充顆?？紫禰28-29];且泡沫混凝土中的水分較少,水分在自然條件下揮發后留下的空位較少,形成的氣孔大小均勻,有利于泡沫混凝土強度發展[30-31]。

3 結論

攪拌機葉片剪切、漿體顆粒摩擦等因素會導致泡沫破損,工程實際中常用的后補償法盡管可以使漿體密度滿足設計要求,但是忽略了泡沫群破損形成的游離水殘留導致的實際水灰比升高、漿體流動性增大、泡沫混凝土強度下降等問題。

1) 本文基于消泡率概念以及不同因素對泡沫群破損的影響提出了一種破損泡沫前補償的泡沫混凝土設計制備方法,即在配合比設計中提前對泡沫破損量進行補充,同時去除多余水量。

2) 應用前補償法制備泡沫混凝土,有效降低了泡沫破損對泡沫混凝土的影響。與后補償法相比,通過前補償法制備的泡沫混凝土在保持設計密度等級不變的條件下,抗壓強度最高提高了39.6%。

3) 前補償法對于泡沫混凝土工程實際有著重大意義。應用前補償法設計的配合比降低了泡沫的實際用量,尤其在大用量的泡沫混凝土工程中,可以有效節省施工成本。此外,基于前補償法少量取樣對配合比進行修正,制備出的泡沫混凝土有著優秀的力學性能,有助于提高泡沫混凝土整體工程質量。