水泥_粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系.

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的增大而减小：当粉煤灰取 代

2、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 冰 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 m的气孔的体积分数和形状因子具有良好的相关性。建立了泡沫混凝

3、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：0454-5648（201004-0621 -06RELATIONSHIP BETWEEN COMPRESSIVE STRENGTH AND AIR-VOIDSTRUCTUREOF FOAMED CEMENT-FLY ASH CONCRETEF ANG Yonghao, WANG Rui , P ANG Erbo , ZHOU Yue(College of Mecha nics and Materials, Hohai Uni versity, Nanji n

4、g 210098, Chi naAbstract: The effects of fly ash and foam volume on the dry appare nt den sity and compressive stre ngth of foamed ceme nt-fly ash con crete were studied. The air-void structures of the foamed con cretes were in vestigated by a readi ng microscope and image process software. The rela

5、ti on ship betwee n the compressive stre ngth and the air-void structures was studied. The results show that replaceme nt of ceme nt with fly ash will reduce the compressive stre ngth of the foamed con crete. When the replaceme nt of ceme nt with fly ash in creased from 20% (in mass, the same below

6、to 50% the compressive stre ngth of the con crete without foam decreased from 58.9 to 40.2 MPa, and that of the concrete with the air-void fraction of 0.27-0.30 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

7、the air-void fraction of 0.62 -0.66 added with 2 L foam in 1 kg dry bin der decreased only from 3.06 to 2.47 MPa; The stre ngth reduc ing rates are 32.0%, 28.0% and 19.3%, respectively; The compressive stre ngth of the foamed ceme nt-fly ash con crete is highly correlated to the air-avoid structure

8、factors. A model describ ing the relati on ship betwee n compressive stre ngth and air-void structure parameters of the foamed con crete was proposed.Key words: foamed con crete; stre ngth; air-void structure; ceme nt; 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

9、节能中具有广泛的应用前景，受到了人们的广泛关注。1 -5作为一种建筑材料，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：2009-0-）7。修改稿收到日期：2009-1 -7。基金项目：国家十 一五科技支撑计划（2006BAJ04A04 -2;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。6 -q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

10、强度与孔隙 率的关系式7,9-0进行回归分析，均得到了较好的相关性。Kunhanandan等11研究了泡沫混凝土的气孔特征，Received date: 200-0 -7. Approved date: 2009-1 -27. First author: FANGYon ghao （1956-, male, professor. E-mail: fan gyo nghao195609622 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

11、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U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质量比1:10 0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 X70.7 mm 70.7 mm试块，每个配合比成型6块试件。试 件在(20 C,表1水泥的物理性能Table 1 Physical

12、properties of ceme ntSpecific surface area/(m2kg Density/(g cm 43 Water requirement/%Setting time/minlnitialFi nalSoundnessFlexural stre ngth/MPa Compressive stre ngth/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 compositi on and properties of fl

13、y ashFineness (45 mm/% Density/(gcm -Chemical compositi on w /%SiO 2 AI2O 3 Fe2O 3CaOMgO 1.32SO 30.33Ign iti on lossWater requireme nt ratio/% Activity in dex/%79.318.3 2.18 60.46 24.80 4.903.532.37 103相对湿度大于90%的条件下养护3 d后脱模，在（20 C,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

14、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 X3 = 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 m的气孔含量很少，而发泡剂引入的气孔孔径均在10pm以上，对图像分析

15、结果的统计分析中仅统计平均Feret孔径为10 m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 m的气孔含量为零，孔径大 于10 m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， 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

16、算公式为：P 2S =4 nA（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

17、 images of foamed con crete 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 appare nt den sity and compressive stre ngth and air-void structure parameters of ceme nt-fly ash foamed con cretewith differe nt mixing proporti onsMix desig nSample No.Mass ofMass of flyV olume of V olume of water/mL foam

18、/mLDry appare nt CompressiveAir-void structure parameterceme nt/g ash/gdensity/(kg?m 3 s-ength/MPa/ m 卩58.9? F 0.40 F 0.35F 0.30C80FA20 - 800 200 2840 1 9401.91 0.298 0.542 0.4360.3972.03 0.432 0.674 0.6650.6022.45 0.550 0.994 0.920.7142.88 0.664 1.15 0.9660.780C80FA20 800 200 284 600 1 363 32.7 103

19、564C80FA203 800 200 284 1 000 1198 19.3 C80FA20Y 800 200 284 1 400 895 C80FA205 800 200 284 2 000 629C65FA35 - 650 350 2977.2 1 5623.1 2 1900 1 871 52.31.86 0.289 0.526 0.43 0.3881.99 0.411 0.736 0.7210.6162.35 0.542 0.923 0.850.6802.65 0.651 0.998 0.9310.701C65FA35 650 350 297 600 1 334 30.4 98C65F

20、A353 650 350 297 1 000 1 15018.5 540C65FA35Y 650 350 297 1 400 856 6.92 1 623C65FA355 650 350 297 2 000603 2.93 1 956C50FA50-1 500 500 3100 1 823 40.21.8 0.273 0.501 0.38 0.3571.98 0.382 0.644 0.62 0.5842.4 0.543 0.9370.8570.688C50FA502 500 500 310 600 1 316 23.6 92C50FA503 500 500 310 1 000 1123 15

21、.8 516C50FA50 500 500 310 1 400 826 6.10 1 546 average of the shape factors;? is the total air-void fracti on; F0.40, F 0.35 and F 0.30 are the stre ngth impact factors ofthe air-voids on foamed con crete defi ned asF n = 刀 S i ni ? where S i and ?i are the shape factor and air-void fraction of the

22、iair-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(fWI 鼻 IW W A VV1ri tevft 1 he JfcfrEJlc.1frw*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

23、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 40.2 MPa，气孔 体积分数为0.270.30的1 kg干胶凝材料冰泥加粉煤灰 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

24、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：7,9-0f c =f c,0(1-p n(2

25、 (3(4 (5f c =f c,0e -k r p?p ?f c =k s In ? 0?p ?f c =f c,0-k 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 Dry appare nt den sity, compressive stre ngth and air-voidfracti on 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；p0为假设强度降低为零时的孔隙率；n , k r , ks , kH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。

26、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fc与未加发泡剂的硬化水泥浆体基体（近似认为 孔径大于io m的气的比值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,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 - 刀S i0.35? f c = f c,0 (1 - Fn 即：(7 (8 参考文献：1 KEARSLEYA E P, WAINWRIGHT

27、P J. The effect of high fly ash content on the compressive stre ngth of foamed con crete J. Cem Concr Res, 2001,31(1: 105-112. 2 KEARSLEYA E P, WAINWRIGHT P J. Ash content for optimum stre ngth of foamed con crete J. Cem Concr Res, 2002, 32(2: 2446. 3 JONES M R, MCCARTHY A. Utilisi ng un processed l

28、ow-lime coal fly ash in foamed con crete J. Fuel, 2005, 84(14/15: 1938-409. 4 KUNHANANDAN Nambiar E K,RAMAMURTHY K. I nflue nee of filler type on the properties of foam con crete 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: 16-9. YU Xingang, LI Dejun, TIAN Xu

29、echun, et al. New Build Mater (in Chinese, 2008(1: 16-9. 6 7 JAMBOR J. Pore structure and stre ngth developme nt of ceme nt composites J. Cem Concr Res, 1990, 20(6: 948 954. TANG Lup ing. A study on the qua ntitative relati on ship betwee n stre ngth 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 stre ngth of foamed concrete J. Cem Concr Res, 2002, 32(2: 233239. 9 R? LER M, ODLER I.Inv estigati on