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微觀結構對加氣混凝土性能影響研究綜述

2017-02-15

前言:為了讓大家深入認識了解加氣混凝土的知識,把大連加氣混凝土砌塊(大連加氣塊)、板材(大連加氣板)的應用更好的推廣起來,我們整理了一些文章推薦給大家。

翟翼 李崇智 段鵬選

加氣混凝土是以硅質材料和鈣質材料按一定比例混合制成混合料漿,在混合料漿中加入發氣劑和其他外加劑,發氣劑與料漿發生化學反應,在產生氣泡的同時,料漿體積膨脹,氣體從料漿中溢出,而料漿逐漸凝結硬化,使大量的氣體保存在硬化的坯體中,就形成了具有多孔結構的加氣混凝土。常用的發氣劑包括鋁粉、雙氧水、漂白粉和電石等,產生的氣體分別為氫氣、氧氣、氯氣和乙炔等氣體。鋁粉作為相對較普遍的發氣劑,鋁粉本身的細度與純度,漿體的堿性的強弱對發氣量和發氣速度都會產生相應的影響。

加氣混凝土作為一種輕質多孔型材料,由于內部不存在粗骨料相,因此加氣混凝土性能相對于普通混凝土而言發生了巨大的改變。加氣混凝土的多孔性,使其具有顯著的輕質的優勢,同時兼具良好的熱工和隔聲性能。Narayanan認為加氣混凝土孔隙率相對較高,而加氣混凝土的性能,如強度、滲透性、收縮和徐變等性能與孔隙率和孔徑分布存在著密切的關系,Jacobs同樣認為加氣混凝土微觀孔隙結構及孔壁結構特征對加氣混凝土強度影響尤為重要。

因此研究孔結構特征對加氣混凝土性能的影響具有重要的意義。孔的特征影響著加氣混凝土的各方面性能,本文通過對加氣混凝土的孔結構特征進行概述,根據國內外的研究成果分析加氣混凝土性能與孔結構的關系;由于加氣混凝土水化產物的形成對其微觀結構的形態產生一定的影響,同時又與加氣混凝土整體性能相關聯,因此對加氣混凝土水化產物分析與毛細孔的形成機理進行了分析。

  加氣混凝土材料微觀結構的研究進展

1.1 對加氣混凝土的孔結構形成及界面過渡區的研究

加氣混凝土中的孔分為人工宏觀孔(人工加氣孔)和微觀孔組成,其中微觀孔又分為毛細孔和凝膠孔。其中孔的類型不同,對性能的影響也不盡相同。人工宏觀孔為發氣劑發氣后,氣體從混合料漿中溢出而形成的孔,而微觀孔多存在于宏觀孔的孔壁上,凝膠孔為水化產物之間的晶體距離或層間距等。Narayanan定義加氣混凝土的宏觀孔的孔徑為50500μm,50nm~50μ 的為毛細孔,50nm 以下的孔為凝膠孔。

毛細孔對于加氣混凝土的吸水性、內部水分的遷移、強度、耐久性存在影響。王秀芬認為毛細孔為未水化的游離水蒸發后及多孔集料(包括未水化的原材料)造成的,孔徑一般在100?~0.1mm 范圍內;Wittmann等人認為加氣混凝土在蒸壓過程中,生成的水化產物會產生微型收縮裂紋此種裂紋大量分布在宏觀孔的表面。而Ionis Ioannou等人對這種微型收縮裂紋進行了分析表明:這些微型裂紋兩側會出現薄片狀的托貝莫來石生長,并逐漸填充,填充度相對較低,托貝莫來石相互交叉,堆疊成網狀,分布在這些毛細孔中,Wittmann認為這些毛細孔對整體的孔隙率不會產生影響,而毛細孔是否連通對加氣混凝土的性能存在影響。

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如圖1所示,在人工的宏觀孔內表面存許多的微觀毛細裂縫,這些毛細孔大多數為游離水蒸發后形成的毛細孔,并且在宏觀大孔的內孔壁上會出現一些內部小孔結構,可以把此種孔結構稱為墨水瓶式孔結構。

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圖3對宏觀孔壁上微觀毛細裂縫進行放大,可以發現片狀的托貝莫來石相互叢生,形成網狀結構,同時片狀的托貝莫來石填充在毛細裂縫中。

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而圖2中可以清晰的觀察到加氣混凝土的凝膠孔結構,并且可以觀察到更小的微觀毛細裂縫。對于普通混凝土,集料與漿體之間存在著界面過渡區,而界面過渡區作為混凝土中最薄弱的環節,通常被視為混凝土中的強度限制相,由于過渡區的存在,混凝土的應力水平遠低于水泥漿體基質與骨料兩種相中的任意一個,很多學者對其界面過渡區大量的研究。Narayanan推斷加氣混凝土中也同樣存在界面過渡區,其做了一種假設,認為加氣混凝土的加氣孔為零密度集料,與正常混凝土的高強度集料相與低強度漿體相相比,加氣混凝土為零密度低強度集料相與高強度的漿體相,使內部的自由水可以滲透到零密度集料中,同時水化產物的生長并沒有受到集料的限制,水化產物在孔的內表面形成,晶體發生自鎖效應使結構更致密,使界面過渡區大量的減少;同時由于加氣過程為化學反應,生成的氣體壓縮了漿體,從而使漿體更致密,減少了過渡區的存在。

1.2 對水化產物的分析研究

加氣混凝土的水化產物以1.1nm 托貝莫來石(5CaO·6SiO2·5H2O)為主,由于水化產物是結晶、半結晶和無定型托貝莫來石的組成的混合物,因此蒸壓加氣混凝土的結晶度不是固定的,結晶度表示托貝莫來石占水化硅酸鈣的比例。

張志杰等人利用XRD衍射和SEM分析了粉煤灰蒸壓加氣混凝土體系中水化產物。石灰消解生成的Ca(OH)2大量參與反應快速生成結晶完整的水石榴石,隨著蒸壓時間的延長,體系中硅和鋁繼續從粉煤灰中溶出,改變了水石榴石所處的堿性環境,水石榴石開始分解,進而生成托貝莫來石。

Narayanan對粉煤灰蒸壓加氣混凝土和砂加氣混凝土的水化產物進行了分析,同時對比蒸汽養護和蒸壓養護水化產物的區別。由于組分、養護方式和養護條件的不同,生成的水化產物不同,并影響著加氣混凝土的性能。水泥、粉煤灰蒸壓加氣混凝土的水化產物收縮率大于砂加氣混凝土。蒸壓養護使加氣混凝土的水化產物結晶度更好,而粉煤灰蒸壓加氣混凝土水化產物結晶度不如砂加氣混凝土。因此,托貝莫來石并不是在反應初期形成,其形成過程中有許多中間相的水化產物,例如水石榴石,在蒸壓環境中及更多的氧化物參與反應。不同種類的加氣混凝土雖在最終水化產物相相同,但水化產物結晶度存在差異。

2 微觀結構對加氣混凝土性能的影響研究

2.1 對加氣混凝土強度的影響

加氣混凝土是一種多孔材料,強度作為加氣混凝土重要的力學性質,強度與加氣混凝土的其他性能之間存在著密切的聯系。同時加氣混凝土的強度也受到各方面性能的制約。蒸壓加氣混凝土的強度受到其組成成分、孔結構與孔徑分布、含水率、養護條件以及水化產物的結晶度等多方面因素影響。Norifumi等人通過對比砂的細度和養護時間來研究加氣混凝土的斷裂韌性、強度以及彈性模量,并對水化產物與強度的關系進行了蒸壓時間與XRD衍射匹配分析。

蒸壓進程的開始,隨著托貝莫來石的形成,加氣混凝土的強度逐漸提高。而高溫、高壓以及高濕的環境都能促進托貝莫來石的生成,因此蒸壓養護能明顯提高強度。但蒸壓時間過長,導致白硅鈣石生成,從而使加氣混凝土的強度降低,孔隙結構的改變使彈性模量隨之改變。密度也是加氣混凝土強度的影響因素,密度減小,抗壓強度明顯下降,同時發氣方向同樣對抗壓強度也存在著影響。對于砂加氣混凝土來說,托貝莫來石的晶體更大,強度更高但孔隙率受到影響。

2.2 對加氣混凝土干燥收縮性能的影響

很多材料由于干燥過程的發生從而導致其尺寸減小,在材料本身的結構中,會產生收縮的微裂紋。Ziembicka認為相對于普通混凝土,加氣混凝土的孔隙率高、孔的比表面積大以及孔的分散性等相關因素,其受到干燥收縮的影響更大。而普通混凝土中存在粗骨料將進一步抑制干燥收縮,而加氣混凝土中不存在粗骨料相,這就導致干縮對加氣混凝土造成更大的影響。同時,Ziembicka還認為收縮的一部分原因為內部結晶水的遷移。而一些研究表明毛細孔中的水存在張力,使孔壁之間存在拉應力,在干燥過程中,拉應力不斷增大,從而導致收縮。Ramamurthy等人利用正交實驗,通過改變單一變量來分別研究各種因素對于加氣混凝土干燥收縮的誘因,實驗結果表明粉煤灰完全取代砂將會加劇干燥收縮,粉煤灰加氣混凝土的干燥收縮大于砂加氣混凝土;蒸壓時間、壓力值等養護條件對于收縮存在影響;石灰摻量與水泥摻量的比值越大,收縮值越大。

2.3 對加氣混凝土吸水性能的影響

加氣混凝土是多孔結構,其內部水分的運輸存在一個復雜且多變的機理,在干燥環境中,內部的孔是空的,加氣混凝土的吸水性主要由水蒸氣的擴散占主導作用,而當加氣混凝土在濕度較高的環境中時,水分填充了毛細孔,毛細吸附占主導作用。因此我們很難預測不同的孔徑分布和含水率兩種因素對于水分遷移產生的機理。Milos認為在相對濕度較高環境中,加氣混凝土的水蒸氣滲透系數比相對濕度較低環境中大5倍,甚至可能更多。

周春英等人利用毛細作用吸水試驗對加氣混凝土砌塊進行了吸水性研究,加氣混凝土砌塊的吸水高度與時間滿足的函數關系,對函數中各系數的物理意義及其影響因素進行分析探討。Ioannis認為加氣混凝土吸水包括毛細孔吸水與加氣孔吸水兩種方式,如圖5所示。

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加氣混凝土的吸水特性與一般材料的潤濕規律不同,毛細孔吸收水分,并將水注入到加氣孔中達到重力平衡狀態,加氣孔的飽和度小于50%,且毛細孔中的吸水量大于加氣孔的吸水量

3 主要結論

(1)毛細孔對于加氣混凝土的吸水性、內部水分的遷移、強度、耐久性等性能存在著長久的影響,而托貝莫來石為加氣混凝土主要的強度礦物,加氣混凝土的蒸壓方式、材料的組成、養護方式和養護時間等都會對加氣混凝土微觀結構形成存在制約,評價加氣混凝土微觀結構對性能產生的影響上不僅需要將宏觀孔的孔隙結構、孔徑尺寸作為控制變量,同時還需要對微觀毛細孔結構和水化產物相的組成等因素綜合來考慮。

(2)托貝莫來石并不是在反應初期形成,其形成過程中有許多中間相的水化產物,控制中間產物的相變可以影響到最終水化產物。同時結晶度對于加氣混凝土的強度和干燥收縮具有決定性的作用,如何控制加氣混凝土水化產物的結晶度將成為改善加氣混凝土性能的關鍵。

(3)托貝莫來石是加氣混凝土主要的強度礦物,而托貝莫來石的形成是通過蒸壓養護的進程逐漸開始的,同時由于加氣混凝土可以綜合利用固體廢棄物,在摻入這類固體廢棄物的工藝要求提出了新的挑戰,摻入后加氣混凝土本身的性能、微觀結構與水化產物的形成方式以及蒸壓養護條件是否改變需要去做進一步的探究。

  (4)加氣混凝土材料的吸濕性能是否影響后期應用的耐久性等指標,還需要對其進行持續的濕度監控,進一步確認加氣混凝土材料的吸水特性和吸濕機理,從而合理的利用加氣混凝土材料。


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