水泥粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系.docx
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水泥粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系
第38卷第44期第38卷第期2010年4月
硅酸盐学报
JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETY
Vol.38·,621No.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58.9MPa降低到了40.2MPa;气孔体积分数为0.27~0.30的1kg干胶凝材料(水泥加粉煤灰添加600mL泡沫时,混凝土的抗压强度从32.7MPa降低到了23.6MPa,而气孔体积分数为0.62~0.66左右的1kg干胶凝材料添加2L泡沫时,混凝土的抗压强度仅从3.06MPa降低到2.47MPa,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10µm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(201004–0621–06
RELATIONSHIPBETWEENCOMPRESSIVESTRENGTHANDAIR-VOIDSTRUCTURE
OFFOAMEDCEMENT-FLYASHCONCRETE
FANGYonghao,WANGRui,PANGErbo,ZHOUYue
(CollegeofMechanicsandMaterials,HohaiUniversity,Nanjing210098,China
Abstract:
Theeffectsofflyashandfoamvolumeonthedryapparentdensityandcompressivestrengthoffoamedcement-flyashconcretewerestudied.Theair-voidstructuresofthefoamedconcreteswereinvestigatedbyareadingmicroscopeandimageprocesssoftware.Therelationshipbetweenthecompressivestrengthandtheair-voidstructureswasstudied.Theresultsshowthatreplacementofcementwithflyashwillreducethecompressivestrengthofthefoamedconcrete.Whenthereplacementofcementwithflyashincreasedfrom20%(inmass,thesamebelowto50%,thecompressivestrengthoftheconcretewithoutfoamdecreasedfrom58.9to40.2MPa,andthatoftheconcretewiththeair-voidfractionof0.27–0.30addedwith600mLfoamin1kgdrybinder,i.e.,thecementandflyash,decreasedfrom32.7to23.6MPa;whilethatoftheconcretewiththeair-voidfractionof0.62–0.66addedwith2Lfoamin1kgdrybinderdecreasedonlyfrom3.06to2.47MPa;Thestrengthreducingratesare32.0%,28.0%and19.3%,respectively;Thecompressivestrengthofthefoamedcement-flyashconcreteishighlycorrelatedtotheair-avoidstructurefactors.Amodeldescribingtherelationshipbetweencompressivestrengthandair-voidstructureparametersofthefoamedconcretewasproposed.
Keywords:
foamedconcrete;strength;air-voidstructure;cement;flyash
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:
2009–10–07。
修改稿收到日期:
2009–11–27。
基金项目:
国家十一五科技支撑计划(2006BAJ04A04–02;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。
[6–7]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强度与孔隙率的关系式[7,9–10]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,
Receiveddate:
2009–10–07.Approveddate:
2009–11–27.Firstauthor:
FANGYonghao(1956–,male,professor.E-mail:
fangyonghao195609@
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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Ⅱ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:
100混合,用高速搅拌机搅拌10min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70.7mm×70.7mm×70.7mm试块,每个配合比成型6块试件。
试件在(20±3℃,
表1水泥的物理性能
Table1Physicalpropertiesofcement
Specificsurfacearea/(m2·kg–1Density/(g·cm–3Waterrequirement/%
Settingtime/minInitial
Final
Soundness
Flexuralstrength/MPaCompressivestrength/MPa
3d28d3d28d
3923.0528.5144274Qualified4.68.925.051.0
表2粉煤灰的化学组成与性能
Table2Chemicalcompositionandpropertiesofflyash
Fineness(>45mm/%Density/(g·cm–3
Chemicalcompositionw/%
SiO2Al2O3Fe2O3
CaO
MgO1.32
SO30.33
Ignitionloss
Waterrequirementratio/%Activityindex/%
79.3
18.32.1860.4624.804.903.532.37103
相对湿度大于90%的条件下养护3d后脱模,在(20±2℃,相对湿度大于90%的养护室内养护至28d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15mm处和试块中心取3×3=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-Proplus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10µm的气孔含量很少,而发泡剂引入的气孔孔径均在10µm以上,对图像分析结果的统计分析中仅统计平均Feret孔径为10µm的气孔孔径,并近似认为硬化水泥–粉煤灰浆体中孔径小于10µm的气孔含量为零,孔径大于10µm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,φ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。
形状因子的计算公式为:
P2
S=
4πA
(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φ与某一截面上的面密度(或面积分数a相等,即φ=a。
因此,可用每个气孔的截面积占分析区域的面积分数ai表征该气孔所占体积分数φi,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
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图1泡沫混凝土试样的显微照片和二值化图像
Fig.1Microscopicpicturesandbinaryimagesoffoamedco
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