加气混凝土砌块吸水系数的试验研究

加气混凝土砌块吸水系数的试验研究

随着我国城市化的快速发展，社会商品能源总量的占用率也显著提高，其对经济发展和人民正常工作和生活的影响日益明显。例如,我国空调高峰负荷已经超过4500万kW,相当于三峡电站满负荷生产电力的2.5倍。因此,开展建筑节能研究势在必行。而传统的红砖、普通混凝土制品已难以满足资源与环境保护和现代化建筑发展的需求,加气混凝土作为一种充分利用工业废渣、改善环境的多功能新型墙体材料,具有质轻、节能利废、隔热保温、吸声隔音等优点,是今后整个建筑材料行业优先发展的品种之一。加气混凝土砌块中的气孔约占其体积的60%—75%。因此,气孔的形状、大小、数量和分布几乎影响着加气混凝土砌块的所有性能,如强度、容重、吸水、保温、隔热和隔声等。其中,吸水性是一项影响加气混凝土砌块施工性能,砌体抗裂、防渗性能和是否出现空鼓现象等的重要性质。由于加气混凝土中存在连通与封闭2种孔,导致加气混凝土砌块吸水量多而慢,导湿性差,这种吸水特性使得加气混凝土砌块在施工前的淋水过程中只是表面润湿,内部则未被润湿,然而待砌筑或抹灰后,砌块又直接从砂浆中吸取其水分,致使砂浆干燥而难以正常水化、硬化,其结果是砂浆与砌块间的粘结力下降、砂浆开裂,甚至造成空鼓、脱落等严重破坏。另一方面,砌块的吸水或传输水分的能力更是表征建筑材料防水抗渗以及长期耐久性的一项重要指标。人们在加气混凝土砌块的应用过程中,已逐步认识到加气混凝土砌块的微观结构对其吸水性有很大影响,与砌体抗裂、防渗性及与其密切相关的毛细吸水特性等方面的研究较少,加气混凝土性能的下降以及抹灰层脱皮、空鼓等问题有直接的关系。然而,目前国内外关于加气混凝土砌块的微观结构与吸水性之间的关系至今还没有形成一个理性的认识。因此,开展加气混凝土砌块的吸水特性的研究,对改善加气混凝土砌块性能和研究其施工、使用以及耐久性能至关重要。1实验1.1中烧石灰、砂子水泥为广州珠江水泥厂金羊牌PO32.5R型水泥;粉煤灰是填海回挖湿排粉煤灰,密度2200kg/m3,4900孔筛余为10%,粒径范围1—100μm;中烧石灰为广西平南石灰,磨细备用,使用前在800℃下预烧2h;消解速度:中速;有效CaO71%;消解温度60—90℃;消解时间:11min;石膏由广东省东莞市东江建材厂提供,磨细备用,有效CaSO4·2H2O超过85%;砂子为普通河砂,经清洗、烘干和粉磨后备用,4900孔筛余为20%;铝粉为工业化学试剂;外加剂SPT100由广州市超塑建材有限公司提供。1.2蒸压法蒸苗试验在东莞东江建材厂进行。将水泥、石灰、石膏、砂与粉煤灰按设计好的配方(2组,如表1所示)投入搅拌器进行搅拌,然后加入外加剂和水搅拌至均匀,再加入铝粉搅拌30s;料浆浇注到2m×1.4m×1.5m的模具中发泡静停1—2h后,将坯体表层割平,再切割成600mm×180mm×250mm等标准尺寸砌块,置于蒸压釜中于180MPa和0.98MPa下蒸养10h后出釜。鉴于原坯体尺寸较大,在发泡静停过程中上、中、下各层在组成、结构和性能上会产生变化,因此从2组配方坯体中按上、中、下3层分别取3块600mm×180mm×250mm砌块,参照GB/T11969—1997试验方法,将其切割成50mm×50mm×50mm试件进行毛细吸水试验,试验结果取每一层3块试样的平均值。1.3测试方法1.3.1双胶合胶密封加气混凝土砌块的吸水试验如图1所示,试验步骤如下:1)测量试样的尺寸,精确到0.1mm,将试件四周用环氧树脂密封,留上下2个表面不密封;2)将密封好的试件放入电热鼓风箱中,在50℃下保温24h,烘干至恒重,冷却至室温后称重,精确到0.1g将试样放入水温为(20±1)℃的恒温水槽中,然后加水至距离试件底部5mm处,每隔一定的时间,用湿布抹去表面的水分,立即称取试件的质量,该过程必须在45s内完成。1.3.2亚微观孔结构的观察和处理将加气混凝土砌块切割至厚度0.5—1cm,利用显微镜(型号:XTZ系列连续变倍体视显微镜,上海光学仪器六厂)进行观测,并利用MiVint图像分析软件对亚微观孔结构图片进行分析和处理。2结果与分析2.1干体积密度等物理性能加气混凝土砌块的配合比和抗压强度、干体积密度等物理性能如表1所示。由表可1见,上、中、下3层砌块的抗压强度差别不大,但砌块的密度由上至下递增。2.2改性加压混凝土斑块的孔隙率表1中所列6组加气混凝土砌块的吸水量与吸水时间的关系示于图2。加气混凝土砌块在前20min吸水量就约占整个吸水过程(72h)的35%,表层0.5—2cm处就为水所浸润,而内层吸水则十分缓慢。从图2中可以看出,加气混凝土砌块的吸水质量M与吸水时间t之间满足抛物线的函数关系M=a+btn(n＜1)(1)Μ=a+btn(n＜1)(1)Hall的研究结果表明,混凝土、砂浆等建筑材料的吸水主要依靠毛细孔中表面张力,以连通孔为水的输送渠道,吸水速度和时间平方根呈线性关系,如式(2)所示i=a+s×t1/2(2)i=a+s×t1/2(2)式中,s为毛细吸水系数(Capillarysorptivitycoefficient);i为单位面积的吸水高度(Inflowheight);t为吸水时间(min);a为修正系数,为一常数(>0)。假设在加气混凝土砌块的吸水饱水过程中,其中孔是全充满水,则吸水高度:i=Mρ×A×Pi=Μρ×A×Ρ(其中,ρ为水的密度,A为试块面积,P为毛细孔隙率)。选n=1/2,对图2中的数据进行函数拟合,拟合曲线如图3所示,函数关系见表2。图3和表2表明吸水高度i与吸水时间t1/2间具有良好的线性关系。当t=0时,吸水高度i=a(a为一常数)。说明水分在加气混凝土砌块中存在一个瞬时扩散高度,这主要是由于砌块与水接触开始时,砌块表面存在大量的连通孔,在表面张力作用下,水通过毛细孔迅速进入砌块内部。根据Laplace公式(3),可以计算加气混凝土砌块表面的理论平均孔半径,计算结果列于表3。ΔP=ρgi=2γr(3)ΔΡ=ρgi=2γr(3)式中,γ为水的表面张力,20℃时为72.57mN/m;r为加气混凝土砌块的孔半径。式(3)还表明,加气混凝土砌块的吸水高度只决定于其中的连通孔半径,当平均孔半径越小,i越大;反之,i越小。(i-a)∝t1/2表明水在稳定迁移时满足Fick第一定律,也就是说,加气混凝土砌块对水的吸收处于稳定态时,主要受水向加气混凝土砌块内部的扩散过程控制,其中该直线的斜率s为扩散系数,s的大小在很大程度上表明了混凝土的渗透性。Abbas和MethaPK等学者指出,混凝土的渗透性与混凝土的孔隙相关,主要取决于内部孔隙的连通状况以及渗透路径的曲折性。因此,扩散系数是总孔隙数量、连通孔数量以及孔结构与分布的函数。一般,孔隙率越小,连通孔越少,扩散系数相应越小。从表2中的数据可以看出,上层和中层加气混凝土砌块的初始吸水高度明显高于下层砌块,理论平均孔径明显小于下层砌块,尤其是试样5,孔径只有1.17mm,为6个试样中最小的。这可能是加气混凝土料浆在发气、静置过程中,由于重力产生的分层作用使得上层料浆重力较小,导致其中孔径较大的气泡在浮力的作用下易于逸出,而在下层料浆中,由于较厚的上层料浆的重力作用,使得孔径比较大的气孔得以约束和保持。由表2可见,上、中层加气混凝土砌块的水渗透系数s也都高于下层的。由于各层砌块的饱水孔隙率都在35%上下,但下层砌块的理论孔半径比上、中层的小得多,这说明上、中2层加气混凝土砌块的孔连通程度比下层砌块大。其原因可能是由于料浆中气泡在浮力作用下上浮,造成中、上层加气混凝土砌块中气泡发生交汇而形成了较多的连通孔。鉴于加气混凝土砌块的孔结构对其性能的影响,采用体视显微镜对加气混凝土砌块的亚微观孔结构进行了观察研究。2.3孔径分布的特征试验选取第2组试样进行孔结构分析,由体视显微镜可以清楚地观察到加气混凝土砌块中的亚微观气泡和孔,观察结果示于图4。图4可以看出,加气混凝土砌块的断面上主要是不规则的孔,孔总面积约占断面积的60%—75%,其中大多数孔都发生一定的重叠。这主要是由于加气混凝土砌块在发气和静置过程中气泡上浮和交汇所造成。试样4—6三组加气混凝土砌块为同一理论设计配合比,但是由于在原坯体中所处位置不同,其气孔尺寸和分布范围产生变化。试样6砌块的孔径分布在490—950μm(分析中一般采用孔内切圆直径代表孔径),但大多数为700—800μm范围的孔,孔径分布均一,其所对应的毛细吸水率较低;试样4砌块的孔径分布为500—940μm,孔径分布较均匀,大部分孔径分布在650—720μm范围,孔径相对较小,该砌块所对应的毛细吸水率与试样6相比稍高;试样5的孔径在360—900μm范围,孔径分布范围大,大部分气孔孔径分布在350—450μm之间,该砌块孔径小且分布不均匀,其对应的毛细吸水率也最大。这说明具有均匀孔分布且孔径主要分布在700—800μm范围时,加气混凝土砌块将具有较低的毛细吸水率。上、中层砌块的孔径小于下层,孔径变化趋势与理论计算结果对应的变化趋势一致。理论计算孔径值较实际观测值大20%—40%,其原因是:1)加气混凝土砌块中的孔多为相交和连通,实际观测时是以单孔统计分析的,而理论计算值则为相交、连通孔的孔径之和;2)实际观测时以孔内切圆直径代表孔径,其较理论值偏小。图4中可以发现上、中层砌块的连通孔明显多于下层,同时上、中层砌块的毛细吸水率也大于下层,这是因为气孔与气孔之间的连通,将为加气混凝土的毛细吸水提供吸水通道,使得吸水速率和吸水量大幅度提高,这也与前面的理论分析结果基本一致。由以上分析可知,加气混凝土砌块中存在着的大量孔,特别是连通孔,因此加气混凝土较易吸水,在与水接触时,由于表面张力的作用,其表层0.5—2cm范围立刻被水充满,随着时间的延长,水会进一步向加气混凝土内部扩散。因此,在加气混凝土砌块使用过程中应采用保水性良好的砂浆,在抹面以前应该每隔一定的时间对砌块浇水使之润湿,直到其深部吸水饱和,这样可防止砌块后期吸取砂浆中水分导致砂浆不能充分水化与硬化而致开裂、空鼓甚至剥落等严重损坏。3添加计量比的毛细吸水性能a.加气混凝土砌块的吸水高度与时间满足i=a+s×t1/2的函数关系,其中a为常数,主要由加气混凝土砌块的表面状况和表层孔半径决定;s是毛细吸水系数,主要取决于加气混凝土砌块的总孔隙率、连通孔数量及其孔的分布。b.加气混凝土砌块的毛细吸水与气孔孔径分布均匀性、气孔孔径大小和气孔的连通性有关。砌块内气孔孔径分布越均匀,毛细吸水将越小;当加气混凝土砌块的气孔直径主要分布在700—800μm范围