加气混凝土的结构与性能研究进展.pdf
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1、加 气混凝土的结构与性能研 究进展 彭军芝等 8 9 加 气 混 凝 土 的结 构 与性 能研 究 进展 彭军芝 , 彭小芹 ( 1 重庆大学材料科学与工程学 院, 重庆 4 0 0 0 4 5 ; 2 厦 门市建筑科学研究 院集团股份有 限公 司 , 厦 门 3 6 1 0 0 4 ) 摘要 加气混凝土是一种新型的 自保温墙体材料, 其性能取决于材料的结构和化学组成。简述了加气混凝土 的分类, 综述 了国内外加气混凝土在材料结构( 孔隙率和孔径分布) 、 水化产物、 物理性能和使用性能等方面的最新研 究进展 , 并对它们 之间的关 系进行 了探讨 。最后 , 针对加 气混凝 土的生产和工程应
2、用 实际, 阐述 了加 气混凝 土今后的 研究方 向和研 究重 点。 关键词 加气混凝土结构水化产物物理性能使用性能 A Re v i e w o n S t r u c t u r e a nd Pr o p e r t i e s o f Ae r a t e d Co n c r e t e PENG J u n z h i P EN( ;Xi a o q i n ( 1 Co l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g,Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y
3、,Ch o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ; 2 Xi a me n Ac a d e my o f Bu i l d i n g Re s e a r c h,Xi a me n 3 6 1 0 0 4 ) Ab s t r a c t Ae r a t e d c o n c r e t e h a s o u t s t a n d i n g p e r f o r ma n c e o n e n e r g y s a v i n g ,ma t e r i a l s s a v i n g a n d i n d u s t r i a l s o l i d
4、 wa s t e s r eu s i n g Th e p e r f o r ma n c e o f a e r a t e d c o n c r e t e d e p e n d s o n i t s mi c r o s t r u c t u r e( p o r e s y s t e m a n d t h e g e l s y s t e m) a n d c h e mi c a l c o mp o s i t i o n ,wh i c h a r e a f f e c t e d b y t h e t y p e o f b i n d e r ,me
5、t h o d s o f p o r e f o r ma t i o n a n d c u r i n g Th e r e s e a r c h p r o g r e s s o f a e r a t e d c o n c r e t e o n i t s p h y s i c a l s t r u c t u r e ,c h e m i c a l c o mp o s i t i o n,me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d f u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i
6、 c s i S r e v i e we d a n d t h e f u t u r e r e s e a r c h d i r e c t i o n s a n d e mp h a s i s a r e d i s c u s s e d Ke y wo r d s a e r a t e d c o n c r e t e ,s t r u c t u r e ,h y d r a t i o n p r o d u c t s ,p hy s i c a l p r o p e r t i e s ,e n g i n e e r i n g p r o p e r t
7、i e s 0 引言 加气混凝 土是一种轻 质多孔 材料 , 容 重范 围为 3 0 0 1 8 0 0 k g m。 , 轻质为其最突出的优点之一。同时, 由于它的多 孔性 , 加气混凝土也是一种优良的保温隔热材料。由发气剂 引入气泡产生 的微小气孔是加气 昆凝 土的主要组成部 分。 在我国, 加气混凝土最初只是作为一种可供选择 的新型墙体 材料。近年来 , 随着全球对节 能减排和生态保 护的不断重 视 , 人们逐渐认识到加气混凝土在节能、 节材、 工业 固体废弃 物利用等方面的优异表现 , 对加气混凝土的研究 日益受到重 视 。 本文综述了国内外加气 昆 凝土在材料结构 ( 孔隙率和孔 径
8、分布) 、 水化产物、 物理性能和使用性能等方面的最新研究 进展 , 并针对加气混凝土的生产和工程应用实 际, 阐述 了加 气混凝土今后的研究方向和研究重点。 1 加气混凝土 的分类 1 1 加气方式 加气混凝土的加气方式分为内发气 和 b J J H 气两种 。采 用内发气方式的一般为蒸压加气混凝土, 采用外加气方式 的 一 般为泡沫混凝土。 内发气方式是指通过在石灰或者水 泥料浆 的搅拌 阶段 加入化学发气剂产生气泡 , 从而使 料浆体 积膨胀 , 当气体从 中溢出, 坯体就形成具有多孔结构的材料。铝粉、 双氧水、 漂 白粉、 电石因其分别可产生氢气 、 氧气、 氯气 、 乙炔等气体 ,
9、均 可作为加气混凝土的发气剂口 , 其中铝粉是使用最普遍 的发 气剂 。铝粉的发气过 程受到铝 粉细度 、 纯度 以及料浆 的碱 度、 温度的影响, 因此在加气混凝土 的制作过程 中需特别注 意协调铝粉的发气 , 以避免料浆在凝结 固化前发气过程过早 结束从而使加气混凝土的发气不理想 2 。对于碱度较低 的 浆料一般可通过加入石灰或氢氧化钠来提高碱度从 而协调 铝粉的发气。 外加气方式是指通过机械方式事先 制备好泡沫并在料 浆搅拌时加入或者在料浆中直接加入引气剂 , 通过搅拌产生 气泡。能通过搅拌产生气泡的发气剂包括洗涤剂类 、 树脂皂 类 、 油胶树脂类 、 水解蛋 白类( 如角蛋 白) 口
10、 。 1 2 胶凝材料种类 加气混凝土根据料浆使用 的胶凝材料分为水泥基加气 混凝土和石灰基加气混凝土。在我国, 水 泥基加气混凝土多 用于生产泡沫混凝土, 石灰基加气混凝土多用于生产蒸压加 气混凝土。国内外有大量采用工业废渣和尾矿渣等废料来 部分替代水泥和砂的报道 j , 当这些废渣 和废料用于生产 蒸压加气混凝土时 , 其掺量往往都 比较大 , 因此蒸压 加气 昆 凝土在 固体废弃物利用方面有较大的优势。 *厦 门市建设科技计 划项 目( 2 0 0 7 0 2 ) 彭军芝 : 男, 1 9 7 6年生 , 博 士研 究生, 主要从事水 泥混凝 土材料研究 E - ma i l : j z
11、 p e n g 7 6 1 2 6 c o rn 9 0 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 1 年 1月( 上) 第 2 5卷第 l 期 1 3 养护方式 加气混凝土根据养护方式分为蒸压加气混凝土和非蒸 压加气混凝土 。养护方式和养护时问直接影响到加气混凝 土的强度 、 干燥收缩 、 吸湿等性 能。蒸压反应可加速石灰 等 钙质材料与砂等硅质材料之间的水热反应 , 文献 1 , l O 详 细 讨论了蒸压过程 中的水热反应过程。对于蒸压养护的压力 和蒸压时间, 不同的研究者有不同的建议 , 但一般蒸养时间 为 8 6 h , 蒸养压力为 4 1 6 MP a 【 “ _ 。 。 2 材料 结
12、构 2 1 微 观 结构 加气混凝土中的孔由宏观孔和微观孔组成 , 是直接影 响 材料的微观结构 和性能的主要 因素。宏观孔为发气剂发气 后气体溢出所形成的孔 , 微观孔存在于宏观孔孔壁上 , 可 分为毛细孔和胶凝孔 1 】 。文献 1 6 认为, 宏观孔为孔径超过 6 0 m 的孔隙。而另一个广为接受的划分标准则认为加气混 凝土中孔径为 5 0 5 0 0 # m的孔为宏观孔, 5 0 n m5 0 m的孔 为宏观毛细孔 , 5 0 n m及以下的孔为微观毛细孔, 其主要存在 于气孔壁上 。图 1为加气混凝土中 3类孔的典型形貌 “。 虽然蒸压加气混凝土和非蒸压加气混凝土 的宏观孔特征存 在
13、一定程度 的相似性 , 但其孔壁却存在较大的差异。这主要 是由于各 自的水化过程不同, 进而引起孔 隙结构的差异。蒸 压加气混凝土中, 由于硅质材料和钙质材料水化反应相对充 分, 孔壁上形成致密的毛细孔 , 而非蒸压加气混凝土 由于孔 隙水的存在而形成大量小孔口 。 图 1 加气混凝土中的子 L 1 1 Fi g 1 Po r e s i n a e r a t e d c o nc r e t e 1 1 2 2 孔隙率和孑 L 径分布 加气混凝土是一种孔隙率高达 8 O 以上的材料 , 它的强 度、 渗透性 、 扩散性 、 收缩和徐变等性能都与孔 隙率和孔径分 布密切相关 , 孔结构特征对
14、加气混凝土性能具有重要影响。 加气混凝土的孔隙率越高, 则宏观孔越多 , 气孔壁变薄 , 微观孔的比例减小口 , 但文献 1 1 表明宏观孔对加气混凝土 的渗透性影响较小 。此外 , 不同的发气方式也会引起加气混 凝土孔隙率的较大变化 。 2 3 材料结构S n S L 隙率的表征方法 扫描电镜( S E M) : 对于多孔材料来说 , 扫描 电镜是一种 表征孔结构形貌和孔径的有效方法。扫描电镜 图片不仅能 定性反映孑 L 结构特征 , 同时也能观察加气混凝土水化产物的 微观形貌_ 】 。 自动图像分析法 : 这种方法可用于表征加气混凝土中大 孔的孔隙率和孔径分布。该方法用具有 图像采集系统和
15、特 殊光学系统的相机拍摄加气混凝土的结构形貌, 用计算机图 像分析 软件 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 2 0 0 MP a以下进行, 压强不能过高 , 因而限制了孔径 的 测量下限。压汞法一般可测 4 ( ) 【 ) m1 8 n m范 围较宽的孔 分布 , 另 外 压 汞 法 可 以用 来 表 征 宏 观孔 孔 壁 中 的微 观 孔 1 , 但不能表征孔径较大的宏观孑 L 。 气体渗透法 孑 L 的类型、 大小 以及分布与渗透性密切相
16、关 , 因此通过测试气体在加气混凝土 中的渗透性能可直接反 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 。 2 4容 重 用水量是影响加气混凝土容重 的主要 因素之一 , 常用水 料 比来初步衡量配方中用水量是否恰当 。 。但实际生产 中, 水料比低则气泡不易形成而导致气泡量少, 水料 比高则气泡 容易破裂也导致气泡量少, 两种情况都会使得制 品的容重增 加 。因此, 在加气混凝土实际制备过程 中, 用水量更多的是 由所需料浆的稠度决定而不是事先设计的水料 比 2 。 加气混凝土的许 多物理性能都与容重相关 。描述加气
17、 混凝土的容重, 还需说明含湿状况( 含水率) 。加气混凝土的 出釜容重比绝干状态下重 1 5 2 5 , 干容重偏小时这一数 值甚至高达 4 5 。研究表 明, 蒸压加气混凝土的容重随 着环境温度和相对湿度的变化而明显变化, 变化 的幅度与其 干容重 有关 _ 2 。 3 水化产物 通过 x射线衍射分析可知, 加气混凝土的水化产物为以 托贝莫来石为主的水化硅 酸钙 ( C - S - H) D 4 , 2 6 z s 。水化产物 的生成机理是 : 富钙 C S - H C _ S - H一 1 1 3 A托 贝莫来石。 由于水化产物是结 晶、 半结 晶和无定 形托贝莫来石的混合 物, 蒸压加
18、气混凝土的结 晶度是不 固定 的, 结晶度 由托贝莫 来石 占总的水化硅酸钙的 比例来确定。蒸压加气混凝土水 化产物的比表 面积比湿养加气 混凝土小得多 , 且结构更致 密。s E M 图片表明, 蒸压加气混凝土 中的微观毛细孔 中水 化产物为双链硅酸盐 结构 的 1 1 3 A 片状托贝莫来石结 晶。 这些托贝莫来石具有很好 的稳定性 , 其 晶胞 层间距 即使在 3 0 0 。C的高温也不会从 1 1 3 A 收缩到 9 3 A 2 。非蒸压加气 混凝土的水化产物则是在湿养过程中从针状转变为六边形 状最后转变为方解石结晶_ 3 。 加气混凝土的结构与性能研究进展 彭军芝等 9 1 4 物理
19、性能 4 1 强度 4 1 1 抗 压 强度 研究表明, 加气混凝 土的强度受到孔 隙、 容重 、 含水率、 原材料、 养护方式 以及荷载方 向等因素影响心 , 其 中孔 隙的结构和孔壁物理特征对其影响最大 。容重也是影 响强度的重要因素 , 容重减小 , 抗压强度明显下 降 , 容重与 抗压强度呈线性相关 。由于高温高压 和高湿 能促进托 贝莫 来石的生成 , 蒸压养护能明显提高强度。蒸压加气混凝土可 在短时间内通过蒸压养护获得最终强度, 而非蒸压加气混凝 土 3 0 48 0 的强度是在成型后 3 8天到 6个月之 问逐渐增 长的, 此后强度增长极小 , 部分强度增 长还是 由于碳化 的原
20、 因 。加气混凝土的含水率与强度呈反相关 , 即含水率增 加 , 强度下降。在 自然状态下干燥到平衡含水 率, 强度将增 加 , 处于绝干状态时强度将达到最大值【 川。 许多学者都对加气混凝土的强度预测模型进行 了研究 。 多数研究者 1 认为孔隙率对抗压强度有明显影响。以下 为一些考虑孑 L 隙率的强度预测模型 : S c h i l l e r等式l 】 蜘: SK 1 n ( P P) 式中: P 是强度为零时的临界孔 隙率 , K 为常数。 用于特定水泥的强度孔隙率关系式 : ”一 l E d ( 1 +o 2 p ) ( ( 1 +k ) p ) 式中: p 为水泥密度 , 为水的密
21、度, 为 昆凝土密度 , 是为 水灰比, 为经验常数 。 B a l s h i n表达式l 1 : S S ( 1一 P) 式中: S 。 为孔隙率为零时的强度 , 为常数 。 4 1 2抗拉 强度 和 抗折 强度 由于加气? 昆 凝土的抗拉强度受实验条件影响较大 , 研究 者对抗拉强度与抗压强度之 比( 拉压 比) 的取值范 围一直存 在矛盾, Va l o r e 认为蒸压加气混凝土的拉压 比在 0 1 5 0 3 5之间 , 而 L e g a t s k i 认为这个值在 0 1 0 0 1 5之间。抗 折强度与抗压强度之比的变动范围为 0 2 2 0 2 7 。对于容 重非常小的加
22、气混凝土 , 拉压比几乎为零l 。 4 2 干燥 收缩 干燥收缩是由于材料失去吸附水 而产生 。加气混凝 土 由于具 有 高 的孔 隙 率 ( 4 0 8 O ) 和 较 大 的 比表 面 积 ( 3 0 m。 g ) , 干燥收缩更明显。孔径越小、 孔隙率越高 , 加气 混凝土的收缩也越大。Z i e mb i c k a l ” 认 为干缩 主要与微观孔 ( 孔的尺寸为 7 5 1 0 0 0 A) 的体积和比表面积有关 , 而 S c h u b e r t 认为干缩还与孔径分 布有 关。胶凝材料干燥收缩 的毛 细管张力理论认为孔隙中的水存在表面张力, 从而导致孔壁 之间存在拉应力 ,
23、干燥过程中拉应力增大到一定程度则产生 收缩 。Ge o r g i a d e s 等 叼 认为蒸压加气混凝土的干燥收缩 值是孔径为 2 o 2 O O A的微观孔的体积和比表面积的函数。 加气混凝土的干燥收缩与其水化产物生成情况密切相 关。收缩值与 c 一 H( I ) 含量大致成正 比。 而与托贝莫来石和 水石榴子石含量呈线性负相关 , 其最大值依赖于 C - H( I ) 的 生成情况, 最小值则依赖 于C S - H( I ) 转化为托贝莫来石的情 况。因此 , 促使 C 一 H( I ) 向托贝莫来石晶体转化 , 是减小干 缩的有效途径 。 此外 , 加气混凝土的干燥收缩还受胶凝材料
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- 混凝土 结构 性能 研究进展
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