2018, Vol. 39
2. 黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150050
2. College of Civil and Architectural Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China
泡沫混凝土是一种由水泥浆或水泥基材料(砂浆)均匀分布孔结构的轻质材料，通过机械引入空气产生具有至少总体积20%的小气泡。泡沫混凝土可以设计成密度范围为400~1 600 kg/m3。具有良好的隔热、隔音、自流平并易于生产等优点。虽然泡沫混凝土具有低机械性性能, 与正常强度混凝土相比，可用作低层住宅建筑中的隔断或承重墙。由于泡沫混凝土孔隙率高吸水率大，受冻后强度下降明显，不宜在寒冷地区室外使用。
普通混凝土冻融破坏机理主要有静水压理论[1]，此理论认为在冰冻过程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液结冰膨胀，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移，产生静水压形成破坏应力。引气剂的掺入，使水泥石内部均匀分布着封闭的气孔，减少了静水压力，混凝土抗冻性提高[2]。Powers等[3-4]提出渗透压力理论、混凝土冻融破坏的温差应力假说[5]等理论。由于泡沫混凝土存在大量的气孔，孔隙率高，力学强度低，冻融破坏机理与普通泡沫混凝土有一定差异。Tkalska等[6]研究了不同密度下的泡沫混凝土抗冻性，结果表明：抗压强度范围在0.22~2.1 MPa时，随抗压强度增大泡沫混凝土抗冻能力有所提高。冯扣宝等[7]的研究结果表明：高水灰比泡沫混凝土使连通孔隙增加降低了混凝土抗冻性，肖力光等[8]水灰比降低及聚丙烯纤维掺入，使孔分布更加均匀，泡沫混凝土的抗冻性能也随之升高。单星本的研究表明[9-10]：随着密度的减小泡沫混凝土的抗冻性逐渐变差，掺入憎水剂泡沫混凝土的抗冻性有了明显的提高。刘军等[11]研究表明：小水胶比、大胶粉掺量与预混胶粉预混双氧水的制备工艺有利于泡沫混凝土的抗冻。
本研究采用快速冻融法，测试泡沫混凝土吸水率及冻融循环后强度损失率与质量损失率，分析了容重、防水涂层等影响因素对泡沫混凝土抗冻性的影响。
1 泡沫混凝土抗冻性实验 1.1 泡沫混凝土的配制泡沫混凝土的原材料包括：北极熊牌唐山特种水泥厂生产的42.5级硫铝酸盐水泥；黑龙江产植物蛋白型发泡剂，使用时按1 :40加水稀释，发泡倍数为20；哈尔滨产高效聚羧酸减水剂。防水剂1：甲基硅烷类防水剂；防水剂2：黑龙江产OS型防水剂。
每立方米泡沫混凝土的配合比，具体见表 1所示。
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表 1 泡沫混凝土配合比 Table 1 Foam concrete mix ratio |
先按配合比表格，将水泥、石灰石粉加入混凝土搅拌机拌和均匀，再将提前搅拌好的减水剂与水的溶液加入搅拌机并搅拌，得到流动性良好的浆体。将发泡剂和水按照比例混合，用发泡机制备气泡高度稳定、泡沫细小且均匀的泡沫。把制备好的泡沫与搅拌好的水泥浆一起搅拌至均匀，最后将泡沫混凝土浇筑到预制好的模具中。抗冻性试验试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试件成型后编号、拆模，标准养护室内至28 d。
1.3 泡沫混凝土吸水率及冻融试验与评价指标测定养护28 d后试件的质量吸水率；按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)的规定混凝土快速冻融循环方法进行试验。评定依据：冻融若干循环后，1)泡沫混凝土砌块(JC/T 1062-2007)，质量损失率不大于5%，2)强度损失率不大于20%。
2 泡沫混凝土的力学性能对比分析泡沫混凝土质量吸水率如图 1所示，由图 1可知：低密度泡沫混凝土质量吸水率按照不涂、单涂层、双涂层的顺序降低，未涂层泡沫混凝土的质量吸水率最高，为72.90%，高密度泡沫混凝土的质量吸水率下降。质量吸水率同样按照不涂、单涂层、双涂层的顺序降低。双涂层水率最低为36.35%。
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| 图 1 泡沫混凝土质量吸水率 Fig. 1 Water permeability of foam concrete | |
综上所述，涂刷单涂层起到改善泡沫混凝土抗渗作用，双涂层的抗渗效果进一步提高。高密度泡沫混凝土抗渗性优于低密度泡沫混凝土。
本次试验混凝土试块经冻融循环后的外观变化立方体外观如图 2所示。
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| 图 2 冻融100次后PS1、PS1a试件 Fig. 2 PS1、PS1a specimens, after rozen 100 times | |
由图 2可见，PS1试件表面出现破损，试件表面严重剥落，呈现不规则形态；单涂层PS1a试件表面剥落较少，PS2、PS2a试件表面剥落情况与之类似。因此甲基硅烷对抗冻性的提高起到了显著作用。
混凝土试块经冻融循环后的质量损失如表 2所示。冻融后双涂层比单涂层试件质量损失低，双涂层抗冻效果好于单涂层。
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表 2 冻融试验质量损失率结果 Table 2 Mass loss rate results of freeze-thaw test |
混凝土试块经冻融循环后的强度损失如图 3所示。图 3(a)为低密度泡沫混凝土强度损失；图 3(b)为高密度泡沫混凝土强度损失。
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| 图 3 混凝土强度损失 Fig. 3 Concrete strength loss | |
本实验以质量损失率5%、强度损失率20%为评价指标。泡沫混凝土PS1，到达50次冻融循环时强度损失率为3.24%，100次冻融循环时质量损失已超过5%，因此抗冻能力为50次。单涂层泡沫混凝土PS1a，在冻融循环达到150次、200次时，强度损失率为12.36%、29.77%，因此抗冻能力为150次。双涂层泡沫混凝土PS1b，在冻融循环达到200次、250次时，强度损失率为19.58%、40.14%，因此抗冻能力为200次。
不涂防水涂层泡沫混凝土PS2，到达100次，冻融循环时强度损失率为2.06%，因此抗冻能力为100次。单涂层泡沫混凝土PS2a，在冻融循环达到200次、250次时，强度损失率为11.98%、25.87%，因此抗冻能力为200次。双涂层泡沫混凝土PS2b，在冻融循环达到200次、250次时，强度损失率为9.64%、20.36%，因此抗冻能力为200次。
由以上实验结果可知：密度较高的泡沫混凝土比密度较低的泡沫混凝土抗冻性好；因为低密度泡沫混凝土的孔隙率相对较高，孔壁较薄，从吸水率看，低密度泡沫混凝土的吸水率高，可冻水量大，产生膨胀应力相对较大，其孔壁的抵抗膨胀应力能力较差，在较大的膨胀应力下更容易产生孔壁的结构破坏。因此强度下降明显；反之，高密度泡沫混凝土抗冻性相对较好。不论高密度或低密度的泡沫混凝土，双涂层泡沫混凝土抗冻性比单涂层泡沫混凝土好，单涂层泡沫混凝土比不涂的泡沫混凝土抗冻性好；由于涂层后泡沫混凝土的吸水率明显下降，对抗渗性的提高起到改善作用。
3 泡沫混凝土微观结构分析图 4是在SEM观测下的PS1和PS2泡沫混凝土气孔结构和孔壁缺陷。图 5为混凝土孔径统计分布图。
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| 图 4 气孔结构和孔壁缺陷 Fig. 4 Stomatal structure and hole wall defects | |
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| 图 5 泡沫混凝土内孔径分布 Fig. 5 Pore size distribution in foam concrete | |
由图 5可知试件PS1内部尺寸大多集中在650 μm。其尺寸较大，孔壁厚度较薄且不均匀，有很多更为细小的裂缝, 见图 4(a)。孔隙缺陷的存在增加了气孔彼此间的连通性，为水分的进入提供了通道；试件PS2尺寸大多集中在500 μm。孔壁较厚且均匀，孔壁上分布着孔隙缺陷相对较少。
图 6(a)、6(b)为PS1、PS1a试样表面的微观结构，可以清晰地看出，PS1表面水泥石浆体空隙大，PS1a表面水泥石浆体致密孔隙率低。
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| 图 6 泡沫混凝土表面微观形貌 Fig. 6 Microstructure of foam concrete surface | |
图 7为泡沫混凝土PS2的内部显微结构，由图可知水泥石内部有大量的针杆状晶体。对针杆状晶体由能谱分析可知其为钙矾石(见图 8)。
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| 图 7 PS2内部微观结构 Fig. 7 PS2 Internal microstructure | |
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| 图 8 PS2泡沫混凝土内部能谱分析 Fig. 8 Energy spectrum analysis of PS2 foam concrete | |
图 9是甲基硅烷防水剂、PS1a表层粉末试样及表层下粉末试样红外光谱分析图。由图可以看出，在1 130~1 000 cm-1存在Si-O-Si不对称伸缩振动吸收峰，1 475~1 300 cm-1存在-CH3弯曲振动吸收峰，在2 960~2 876 cm-1存在-CH3不对称伸缩振动吸收峰，3 500~3 200 cm-1存在分子间缔合羟基O-H伸缩振动吸收峰。甲基硅烷、试样表层以下及试样表层3 400 cm-1吸收峰的增强说明，甲基硅烷与孔壁表面的-OH缔合。甲基硅烷分子首先与孔隙溶液发生水解反应生成硅烷醇，然后与硫铝酸盐水化产物中的水化硫铝酸钙、氢氧化钙、水化氧化铝凝胶、水化硅酸钙凝胶中的羟基反应并相互缩合形成网状疏水性硅氧烷聚合物膜，从而提高混凝土抗渗性[12-13]。
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| 图 9 泡沫混凝土粉末试样红外吸收图谱 Fig. 9 Infrared absorption spectrum of foam concrete powder sample | |
1) 密度对泡沫混凝土性能有较大影响：泡沫混凝土密度变大，混凝土内部孔径缩小、孔壁厚度增加，有利于泡沫混凝土抗渗性及抗冻性提高。
2) 甲基硅烷对改善泡沫混凝土抗渗性作用明显：甲基硅烷可与泡沫混凝土界面上的-OH缔合，形成憎水性硅氧烷膜，网状疏水性硅氧烷使泡沫混凝土的渗透性得以改善，抗冻性显著提高。
3) 甲基硅烷与其他防水剂复合使用，可以获得更好的抗冻效果。
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