蒸压加气混凝土孔结构与性能研究综述

蒸压加气混凝土孔结构与性能研究综述

0蒸压加压混凝土的应用展望技术专家一直关注蒸压混凝土墙的裂缝，这也是阻碍蒸压混凝土推广的主要原因。蒸压加气混凝土的主要特征是多孔性,而对蒸压加气混凝土孔结构缺乏系统深入的研究阻碍了对其性能控制水平和工程质量通病防控能力的提升。因此对蒸压加气混凝土孔结构的特征及其对性能的影响进行系统深入的研究,将有助于我国量大面广的中小蒸压加气混凝土生产厂商提高和控制产品质量,同时也有助于工程界深入全面地理解和掌握蒸压加气混凝土性能及其变化规律,从而提高蒸压加气混凝土的应用水平,减少工程质量通病。本文综述了国内外蒸压加气混凝土孔结构及对蒸压加气混凝土性能的影响方面的最新研究进展,并针对加气混凝土的生产和工程应用实际,阐述了蒸压加气混凝土孔结构与性能的研究方向和研究重点。1预应力管道的性能测试孔结构研究主要包括孔隙率、孔径分布和孔几何学。目前孔隙率、孔径分布、孔的状态的测试及其评价已成为混凝土材料科学研究的重要内容,在国际上许多混凝土专家甚至把孔作为水泥混凝土中的一个重要的组分。1.1孔结构的研究对于水泥混凝土材料的孔结构,国内外的学者建立了各类模型进行研究。如Powers-Brunauer模型认为凝胶孔占有凝胶本身体积的28%,孔径为1.5~10nm。毛细孔孔径一般在10~1000nm之间。近藤连一等也提出不同的模型对混凝土中水泥石的孔隙进行了划分。我国著名的科学家吴中伟在1973年提出了混凝土中的孔级划分和影响系数,根据不同孔径对混凝土性能的影响分为无害孔级(<200ue6a6)、少害孔级(200~500ue6a6)、有害孔级(500~2000ue6a6)和多害孔级(>2000ue6a6),并提出:增加500ue6a6以下的孔,减少1000ue6a6以上的孔,可大大改善混凝土的性能。由此可见,各国的研究者均从各自的研究角度和对材料性能的理解提出了相应的孔的分类标准。蒸压加气混凝土是一种典型的宏观多孔材料,其孔的分类特征直接影响着加气混凝土的微观结构和性能。然而,对于蒸压加气混凝土的孔结构,国内外的研究相对较少。加气混凝土中的孔由宏观孔和微观孔组成,宏观孔是由发气剂发气后气体溢出所形成,微观孔则存在于宏观孔孔壁。有文献认为,宏观孔是指孔径超过60μm的孔。Alexanderson认为50~500μm范围内为宏观孔,50nm~50μm范围内为宏观毛细孔,50nm及以下为微观毛细孔,存在于气孔壁。郑万廪将蒸压加气混凝土中的孔按粗细分为3类:孔半径在0.1~0.8mm之间的气孔;孔半径在数十微米至50ue6a6之间的毛细孔;孔半径在50ue6a6以下的胶孔,并认为3类孔在孔径和孔形上均有很大差异,所以对材料性能的影响也是不同的。总的说来,水泥混凝土中孔的研究结果对蒸压加气混凝土孔的研究具有重大的借鉴意义,但以往的研究对蒸压加气混凝土中占大多数的气孔还关注得不够,对孔径特别是气孔的孔径的认识和分类还偏粗糙。而蒸压加气混凝土中的气孔恰恰是其主要的组分和影响其性能的重要原因。因此,有必要对蒸压加气混凝土的孔特征进行研究并详细分类以为深入研究其性能提供帮助。1.2片后分析和分析要认识蒸压加气混凝土的孔,首先要对孔的特征进行表征。目前材料孔结构的表征方法有光学法、压汞法、气体渗透法等。光学法:对于多孔材料来说,扫描电镜(SEM)是一种确定孔结构和孔径的精确方法。扫描电镜图片不仅能定性评价孔结构特征,同时也能给出蒸压加气混凝土水化后产物的微观形貌。另外,也可采用特殊光学系统的相机拍摄加气混凝土的结构形貌图片。无论采用何种方法,在获得孔结构图片后,可采用计算机技术或数字处理技术对图像进行处理,转化为数字相片后进行分析。压汞法:这种方法是测定材料孔径分布、比孔容积和比表面积技术中最基本也是应用最广泛的方法。压汞法通常需在200MPa以下进行,压强不能过高,因而限制了孔径的测量下限。一般压汞法可测400μm~1.8nm范围较宽的孔分布。压汞法可以用来表征宏观孔孔壁中的微观孔,但不能表征孔径较大的宏观孔。气体渗透法:孔的类型、大小以及分布与渗透性密切相关,因此通过测试气体的渗透性能直接反应加气混凝土的孔结构。气体渗透法只适合允许气体通过的连通孔。考察不同制作方法下孔结构的差异可采用此方法。另外,还可采用其他方法进行孔结构表征,如陈岩采用测试小角度X射线散射法(SAXS),Koudriavtsev等采用了NMR法,SunZhenhua等则采用了TPM法(Thermoporometry)对砂浆的孔结构进行了测试。由于蒸压加气混凝土中大量的孔都是宏观气孔,因此对宏观孔的关注更胜于微观孔。然而上述常用于表征材料孔特征的现代测试方法除光学法外均不太适合测试宏观大孔。但光学法往往需要昂贵的设备和专业的软件,不利于在蒸压加气混凝土工厂中的推广应用。因此对于我国这样中小等规模工厂占多数的情况,开发更通用更廉价的宏观气孔表征方法来指导生产实践更具实际意义。1.3托贝莫来石的晶体结构蒸压加气混凝土的孔壁是孔存在的骨架,也是影响蒸压加气混凝土性能的关键因素。通过X射线衍射分析已知,蒸压加气混凝土孔壁的水化产物为以托贝莫来石为主的水化硅酸钙(C-S-H)。反应的顺序是富钙C-S-H→C-S-H→11.3ue6a6托贝莫来石。反应产物是结晶、半结晶和无定型托贝莫来石的混合物,这说明蒸压加气混凝土中孔壁的结晶度是不固定的,结晶度是托贝莫来石占总的水化硅酸钙的比例。原料中唯一的水化相是硅酸钙。蒸压加气混凝土的水化产物的比表面积比湿养加气混凝土水化产物的比表面积小得多,说明其结构更致密。SEM照片表明蒸压加气混凝土中的微观毛细孔壁是双链硅酸盐结构的11.3ue425片状托贝莫来石结晶。这些托贝莫来石具有不一样的特性,其晶胞层间距即使在300℃的高温也不会从11.3ue425收缩到9.3ue425。综上,对于蒸压加气混凝土孔壁的水化产物及晶体组成,国内的研究已较充分。2由蒸汽加压混凝土的多孔结构影响其性能2.1关于含湿情况对材料配比的影响研究表明,试件尺寸和形状、孔的形成方式、加载方向、龄期、含水率、原材料特征以及养护方式均影响加气混凝土的强度。容重也是影响强度的重要因素,容重减小,强度明显下降,容重与抗压强度呈线性相关。其中气孔结构和孔壁自身的物理力学特征对抗压强度的影响明显。事实上人们很早就发现,材料的孔和固相体积的比例对材料的强度等性质有直接的影响。早在1896年,法国学者R·Feret就提出了混凝土的强度与孔隙率的关系式:式中:R为混凝土强度,c、W和a分别为水泥、水和空气的绝对体积,K为实验常数。该式直接反映了混凝土的强度与空气体积成反比关系,由于空气体积与混凝土孔隙率关系密切,上述实际上类似于混凝土强度与孔隙率之间的关系。此后1918年美国D.A.Abrams提出了混凝土强度和水灰比之间的关系:式中:R为混凝土强度,K1、K2为经验常数。Abrams公式虽没有直接表明含湿状况对强度的影响呈反相关,但因混凝土孔隙率取决于水灰比,故公式实际上是一个间接的强度与孔隙率之间的关系式。20世纪60年代,T.C.Powesr基于对水泥石结构的假设及大量试验结果,提出了反映水泥石强度与其孔隙率关系的胶空比公式:R=A·Xn(式中A为凝胶体强度,胶空比X=凝胶体积/(凝胶体积+毛细孔体积),n为回归常数)。此外,还有不少学者提出了比较有影响力的强度与孔隙率之间的模型,如:(1)schill公式式中:Pcr是强度为零时的临界孔隙率,Ks为常数。(2)balhi公式式中:S0是孔隙率为零时的强度,n为常数。(3)rysw语句公式式中:σ0是孔隙率为零时的理想强度,p为孔隙率,bs为常数。(4)孔隙率对混凝土强度的影响上述不同学者提供的孔与强度的关系式实质上都反映了随孔隙率的增加,混凝土强度降低这一趋势。但上述公式的局限性也比较明显,即只考虑了孔结构中的孔隙率对混凝土强度的影响,没有考虑孔级配、孔的形貌等其他性征对混凝土强度的影响。因此,不少学者开始研究孔径分布、孔的形貌对强度的影响,取得了较好的成果。具体到蒸压加气混凝土,郑万廪通过实验证实蒸压加气混凝土的气孔与强度的关系符合Hansen表达式,孙抱真等也认为蒸压加气混凝土强度与孔隙率之间的关系符合Hansen表达式,并对系数进行了修正。然而,蒸压加气混凝土的强度不仅与孔隙率有关,也与生产时的水料比有关。因此,如能建立蒸压加气混凝土强度与孔隙率和水料比之间的关系,则对指导生产实际具有较好的指导意义。2.2孔结构对蒸压加压混凝土吸水性能的影响蒸压加气混凝土具有多孔性,水、水蒸气和孔之间存在着强烈的相互作用。在干燥状态下,孔是空的,如果放在湿度较大的环境,湿份将以扩散的方式在孔中传递;如果是与液体水接触,则毛细吸力是水在孔中传递的主要方式。材料在非饱和状态下的吸水性首先被引入土壤物理学,然后才被引入到建筑材料研究之中。其后,非饱和流体理论被系统地应用于多孔建筑材料的水分迁移中来。此后,不少学者对基于毛细吸力的材料吸水性进行了研究。具体到蒸压加气混凝土,贾兴文和赵成文等对蒸压加气混凝土的吸水性进行了试验研究,但并未考虑蒸压加气混凝土孔结构对吸水性的影响。周春英等认为,蒸压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范围时,加气混凝土砌块将具有较低的毛细吸水率,连通气孔越多,砌块所提供的毛细吸水通道就越多,毛细吸水率就越大,但其并没有对蒸压加气混凝土孔特征对吸水性的关系建立具体的关系模型。IoannisIoannou等认为蒸压加气混凝土的吸水过程符合达西定律,但应考虑大孔以及重力势的影响。综上所述,采用非饱和流体理论研究建筑材料的吸水性取得了较多的成果,但具体到蒸压加气混凝土这样一种拥有大量大孔的多孔材料,国内外对其吸水性的研究还比较缺乏,国内对蒸压加气混凝土吸水规律的研究更多是基于试验结果的经验性描述,尚缺乏较深入的吸水机制研究以及考虑孔结构特征对吸水性的影响。水泥混凝土材料在使用条件下,无时不处在湿度变化的环境下,因此水汽在材料中的迁移是材料不可避免的现象。为避免这种水分的迁移造成材料性能的劣化,就必须研究水分在混凝土内的迁移机理、模型、预测及控制方法。国外在这一领域的研究具有一定的研究基础,研究重点主要在建立适用于水分扩散分析的非线性扩散方程,并根据不同材料以及性能影响因素对水分扩散非线性方程进行修正,以及对孔隙内部湿度变化直接测试,根据测试结果分析与论证理论方程的可靠性以及试验和数值计算结果的一致性。国内在这一领域研究则仍没有得到足够重视与系统研究,研究工作相对较少。具体到蒸压加气混凝土,Qiu对蒸压加气混凝土的水蒸气渗透性能进行了较系统的研究,并建立了蒸压加气混凝土水蒸气渗透模型,王秀芬则对蒸压加气混凝土的等温吸湿性能进行了初步的实验研究。但应该注意的是,蒸压加气混凝土只有在环境湿度非常低的情况下,水分的迁移才是纯粹地以水蒸气的形式进行,大多数潮湿环境下蒸压加气混凝土中毛细孔仍存在液态水,因此认为蒸压加气混凝土水分的迁移是水蒸气和液体水同时进行更符合实际情况。由此可见,基于蒸压加气混凝土多孔性的特点探讨其在实际情况下水分的迁移机制和模型更具有现实意义。2.3混凝土体系收缩干燥收缩是由于材料中水分流失而产生的。加气混凝土由于具有高的孔隙率(40%~80%)和比表面积,其干燥收缩更明显。孔径较小同时孔隙率又较高时,收缩也越大。Ziembika认为收缩主要与微观孔(孔的尺寸为75~1000ue6a6)的体积和比表面积有关,而Schubert认为收缩还与孔径分布有关。多孔建筑材料干燥收缩的毛细理论认为孔隙中的水存在表面张力,导致孔壁之间存在拉应力是产生干燥收缩的主要原因。只采用水泥作为胶凝材料的加气混凝土其收缩值比采用石灰或石灰加水泥作为胶凝材料的加气混凝土的收缩值要高,石灰-水泥体系的收缩值最小。料浆中参与反应的硅质材料量越多,收缩值越大,但达到一定值后收缩值下降。养护方式、养护时间、蒸养压力、硅质材料细度和化学成分、粉煤灰等掺合料、试件尺寸和形状、存放时间和环境等因素均会影响加气混凝土的收缩。湿养水泥砂浆在室温干燥时,其干燥收缩值为0.06%~3%之间,而自然养护的加气混凝土试件干燥收缩值则更大。Tada等认为非蒸养加气混凝土较高的收缩主要是因为其具有较大体积的小孔。然而,同样的样品当经过蒸养后,其矿物结构发生了根本变化(生成了结晶程度较好的托贝莫来石),收缩值可减小为未蒸养时的1/4甚至是1/5。Alexanderson的研究认为结晶度对强度和收缩都有明显影响,随着结晶度提高,收缩减小,强度则先增加,至最佳值后降低。收缩的最大值依赖于CSH(Ⅰ)生成的情况,而收缩的最小值则依赖于CSH(Ⅰ)转化为托贝莫来石的情况,水化产物中托贝莫来石和水石榴子石含量与收缩值呈线性负相关,CSH(Ⅰ)含量与收缩值大致成正比例关系,因此,促使CSH(Ⅰ)向托贝莫来石晶体转化,是减小收缩的有效途径。Georgiades等认为蒸压加气混凝土的干燥收缩值是孔径为20~200ue6a6微观孔的体积和比表面积的函数。综上所述,蒸压加气混凝土的收缩主要受孔结构以及孔壁水化产物本身性能的影响,其中孔壁水化产物对收缩的影响研究已较深入,而对于孔结构对收缩的影响尽管已为人们所关注,但二者之间具体的相关关系则仍停留在定性的层面,尚未建立起具有说服力的关系模型,还需进一步深入研究。2.4土热环境对蒸压加压混凝土导热性的影响在建筑节能日益受到重视的情况下,作为建筑围护结构材料的蒸压加气混凝土,其热工性能也逐渐为人们所关注。Ropelewski等研究了蒸压加气混凝土的热惰性,Laurent等研究了含水率以及环境温度对蒸压加气混凝土导热性的影响。然而值得注意的是,蒸压加气混凝土之所以具有优越的热工性能是由于其较高孔隙率的多孔结构使得导热系数较低,蒸压加气混凝土自身孔特征对热工性能的影响却被人们所忽视。另外,如能建立孔特征与热工性能的关系,实现对蒸压加气混凝土的导热系数进行预测,则对指导工厂生产和工程设计具有很重要的实际应用价值和理论价值,这一块的工作也较少为国内研究者所重视。2.5胶凝剂和驳岸材料等用量对混凝土抗压强度的影响蒸压加气混凝土主要由托贝莫来石组成,其比普通养护方式下的加气混凝土生成物更稳定,因而蒸压加气混凝土的耐久性也更好。然而,加气混凝土的孔隙率较高,液体和气体容易渗透,也导致其易于被侵蚀,因而在有例如硫酸盐等侵蚀时,需采用诸如沥青基材料做好保护措施。在含水率为20%~40%时冻融循环对蒸压加气混凝土有较大影响,54%是加气混凝土冻融破坏的临界含水率,含水率更高时,蒸压加气混凝土将变脆并完全裂碎。碳化也是导致加气混凝土长期耐久性能下降的一个因素,Fum