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泡沫混凝土難以同時(shí)保持輕質(zhì)和高強(qiáng)度，其中孔隙優(yōu)化是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。本研究從流變控制入手，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出高性能泡沫混凝土（HPFC）。并采用X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)探討流變性與孔隙特征之間的關(guān)系，揭示了相應(yīng)控制機(jī)制。研究表明：流變參數(shù)，特別是粘度，顯著影響孔徑、均勻性、球形度、分形維數(shù)和連通性。因此，存在實(shí)現(xiàn)理想孔隙結(jié)構(gòu)的最佳粘度范圍，為1.30±0.15Pa·s。力學(xué)性能表明，粘度通過(guò)影響曳力影響動(dòng)態(tài)和靜態(tài)條件下添加的泡沫的平衡，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)孔隙優(yōu)化后，HPFC表現(xiàn)出高抗壓強(qiáng)度（同密度下比普通泡沫混凝土高2-3倍）和與高性能混凝土相當(dāng)?shù)膬?yōu)異耐久性。

2.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（OPC）、硅灰（SF）和粉煤灰（FA）作為膠凝材料。采用固含量為0.22的聚羧酸醚高效減水劑（SP）。使用硬脂酸鈣（Ca濃度：6.8％）作為泡沫穩(wěn)定劑。使用高效發(fā)泡劑（BASFGYP3711）來(lái)生產(chǎn)泡沫。

2.2 HPFC樣品的制作過(guò)程

圖1 HPFC的制作流程

HPFC產(chǎn)品的制作流程如圖1所示：i）將膠凝材料預(yù)混合1分鐘；ii）加入水和SP，攪拌直至形成灌漿料（約4-5分鐘）；iii）使用物理發(fā)泡機(jī)添加發(fā)泡劑產(chǎn)生空氣泡沫；iv）將泡沫加入到新鮮的灌漿料中，混合2分鐘；v）將新拌的HPFC澆注到不同的模具中，然后將其放入20℃的環(huán)境室中24h；vi）最初24小時(shí)后，將樣品脫模并將其轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)固化室（20±2℃和RH>95%）中達(dá)到所需的固化年齡（28d）。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

分別對(duì)所致制備的HPFC進(jìn)行密度、新拌性能、孔隙結(jié)構(gòu)（孔隙均勻性、分形維數(shù)、球形度、孔隙連通性）、機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能、耐久性（吸水性、快速氯化物遷移、電化學(xué)阻抗譜）進(jìn)行測(cè)試。

為了實(shí)現(xiàn)在相同密度/孔隙率水平下，抗壓強(qiáng)度和耐久性至少是普通泡沫混凝土的1.5-2倍，需要考慮三個(gè)關(guān)鍵因素：i）設(shè)計(jì)高強(qiáng)度且致密的水泥基漿體基質(zhì)；ii）使用合適且含量的穩(wěn)定細(xì)膩的泡沫；iii）優(yōu)化混凝土基體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)。

3.1 高強(qiáng)度、致密漿體基體設(shè)計(jì)

采用改進(jìn)的Andreasen和Andersen顆粒堆積模型來(lái)設(shè)計(jì)用于制造HPFC的致密水泥基漿體。

使用硅灰的原因是為了填充水泥顆粒之間的孔隙，形成致密的基體，其火山灰活性可以進(jìn)一步增強(qiáng)漿體基體的強(qiáng)度。

3.2 確定合適的泡沫含量

根據(jù)目標(biāo)密度（ρt）確定泡沫含量：

之后，計(jì)算出泡沫體積：

式中，VSL為固體和液體材料的體積比，m_W和m_SP為1m3泡沫混凝土中水和SP的質(zhì)量，ρ_C、ρ_SF、ρ_W和ρ_SP分別為水泥、SF、水和SP的密度，分別為，V_F為泡沫的體積比，k為根據(jù)實(shí)驗(yàn)和配料特性調(diào)整系數(shù)。

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本研究旨在通過(guò)流變控制來(lái)優(yōu)化HPFC的孔隙結(jié)構(gòu)。對(duì)于水泥基材料，其流變特性主要取決于所使用的膠凝材料體系和水膠比。對(duì)于膠凝材料體系，先前的文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)使用輔助膠凝材料（SCM）對(duì)混凝土流變學(xué)具有顯著影響。在這些材料中，粉煤灰（FA）因其球形形態(tài)而成為常見(jiàn)的選擇，可充當(dāng)調(diào)節(jié)流變特性的潤(rùn)滑劑。同時(shí)，事實(shí)證明，用FA替代水泥是降低HPFC相關(guān)成本和環(huán)境影響的可行策略。因此，通過(guò)使用不同質(zhì)量比（0-40%）的FA實(shí)現(xiàn)了膠凝材料體系的流變控制。另一方面，水膠比是影響混凝土流變性能的直接因素。因此，選擇該因素作為漿料流變控制的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。鑒于低水膠比是高強(qiáng)度漿料的基礎(chǔ)，根據(jù)之前的參考文獻(xiàn)和初步實(shí)驗(yàn)，水膠比范圍確定在0.16至0.24之間。

4.1 FA和w/b對(duì)流變特性的調(diào)節(jié)

圖2（a）FA含量（a1）和w/b（a2）對(duì)HPFC坍落度的影響，（b）FA含量（b1）和w/b（b2）對(duì)HPFC動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性粘度的影響

圖2a表明，增加FA和w/b顯著提高了HPFC的和易性。圖2b表明，隨著FA含量的增加，HPFC的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性粘度均明顯降低，其中含水量的影響更為明顯。總的來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果表明添加FA或優(yōu)化水膠比是調(diào)節(jié)和控制HPFC流變性能的有效方法。

4.2 對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)

4.2.1 孔隙率和孔徑

圖 3 HPFC在不同孔徑范圍內(nèi)的孔幾何形狀和分布

圖3中FA0組的毛孔不僅明顯大于其他組，而且表現(xiàn)出更不規(guī)則的形狀。這強(qiáng)調(diào)了流變特性對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)控制的顯著影響。

為了進(jìn)一步明確孔隙特征，對(duì)孔隙率和孔徑分布進(jìn)行了定量分析。

圖 4 孔徑分布的相對(duì)頻率

圖5（a）FA含量對(duì)孔隙分布的影響（b）w/b對(duì)孔隙分布的影響

圖4與圖5顯示HPFC的孔隙分布存在兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域I是由水泥基漿體基質(zhì)內(nèi)的孔隙以及一些由細(xì)泡沫引入的孔隙。區(qū)域II僅僅由泡沫（即泡沫氣泡）引入的孔隙所引起。并且隨著FA含量或w/b的增加，第二個(gè)峰變得更加明顯。隨著FA含量的增加，第二個(gè)峰相應(yīng)的孔徑減小，表明泡沫孔變細(xì)。隨著w/b從0.16增加到0.24，第二個(gè)峰的孔徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這表明過(guò)高的水膠比也會(huì)導(dǎo)致泡沫孔徑變粗。可以得出結(jié)論，F(xiàn)A含量和w/b對(duì)泡沫混凝土的孔徑有顯著影響，這意味著流變控制的重要性。

4.2.2 孔隙連通性

流體和離子只能穿過(guò)多孔材料內(nèi)相互連接的孔隙；孤立的孔隙不能形成流體流動(dòng)通道。因此，孔隙網(wǎng)絡(luò)連通性是控制混凝土中流體傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。本研究分析了相同密度水平下HPFC的孔隙連通性。

圖 6（a）孔隙連通性的PNM模型。（b）“孔體-喉道-孔體”模型示意圖。（c）連通孔隙的喉道半徑（c1）和通道長(zhǎng)度（c2）分布。（d）FA（左）和w/b（右）對(duì)孔隙連通率的影響。

如圖6所示，孔隙網(wǎng)絡(luò)模型（PNM）由一系列“孔體-喉道-孔體”構(gòu)型組成，類(lèi)似于連通道管。喉道半徑代表通道半徑，通道長(zhǎng)度用喉道對(duì)應(yīng)的孔體之間的距離表示。從圖12a中可以看出，與其他組相比，F(xiàn)A0的孔隙結(jié)構(gòu)明顯更粗糙，這可能會(huì)增加基質(zhì)滲透性。具體而言，圖12c表明，添加FA或增加水膠比通常會(huì)改善HPFC基質(zhì)內(nèi)連接孔的喉道半徑和長(zhǎng)度；然而，過(guò)高的水膠比（例如WB24）會(huì)導(dǎo)致平均喉道長(zhǎng)度增加。根據(jù)建模結(jié)果，計(jì)算了基質(zhì)的連通孔隙率，如圖12d所示。該分析表明，增加FA含量或水膠比會(huì)導(dǎo)致孔隙連通率最初下降，隨后又上升。

4.2.3 流變性對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

為了確定HPFC的孔隙設(shè)計(jì)參數(shù)，需要了解流變學(xué)特性與孔隙結(jié)構(gòu)之間更具體的關(guān)系。

圖 7 孔隙特性與塑料粘度的關(guān)系：（a）孔徑；（b）孔隙均勻性；（c）孔隙球形度；（d）3D分形維數(shù)；（e）連通孔隙度。（f）和易性

如圖13a-e所示，除球形度外，其他孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均隨塑性粘度的增加呈凹函數(shù)關(guān)系，表現(xiàn)為先下降后上升；但球形度表現(xiàn)出相反的關(guān)系。這種現(xiàn)象的原因是：較高的球形度通常對(duì)應(yīng)于較高的孔隙均勻性和較低的分形維數(shù)。這是因?yàn)榉中尉S數(shù)越高，表面越復(fù)雜，比表面積越大，而球形度與比表面積成反比。這表明，泡沫混凝土體系存在一個(gè)最佳粘度范圍。

粘度對(duì)孔徑的影響可分為兩個(gè)區(qū)域：區(qū)域Ⅰ表示隨著粘度的增加，可以?xún)?yōu)化孔隙參數(shù)，包括細(xì)化孔徑、增強(qiáng)孔隙均勻性和增加平均球形度。然而，區(qū)域Ⅱ表明粘度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)較差。

區(qū)域Ⅰ：合理提高粘度改善孔隙結(jié)構(gòu)。作用在泡沫氣泡上的垂直力決定了它們的向上運(yùn)動(dòng)。氣泡的這種向上運(yùn)動(dòng)通常會(huì)降低泡沫穩(wěn)定性并導(dǎo)致其聚結(jié)和破裂，從而降低泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)漿體基體的屈服應(yīng)力和粘度相對(duì)較低時(shí)，氣泡容易向上移動(dòng)。在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，氣泡往往會(huì)增大，加劇聚結(jié)并導(dǎo)致孔徑增大。此外，過(guò)低的粘度和基質(zhì)屈服應(yīng)力會(huì)加劇混凝土基質(zhì)內(nèi)的泡沫排出，進(jìn)一步導(dǎo)致氣泡聚結(jié)并損害孔隙結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于泡沫混凝土，適當(dāng)提高粘度和屈服應(yīng)力有利于穩(wěn)定泡沫和優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)。

區(qū)域Ⅱ：粘度過(guò)度增加導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)惡化。理論上，當(dāng)漿料靜止時(shí)，漿料的較高粘度和屈服應(yīng)力可以穩(wěn)定氣泡。然而，這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，過(guò)度增加粘度也會(huì)惡化孔隙結(jié)構(gòu)。這主要?dú)w因于攪拌過(guò)程中施加在混凝土內(nèi)泡沫上的應(yīng)力。在水平方向上，泡沫混凝土的攪拌旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力（FR），該阻力由流體相沿與氣泡速度相反的方向施加。對(duì)于相同的氣泡尺寸，F(xiàn)R與漿料的粘度成正比。當(dāng)粘度增加到一定程度時(shí)，F(xiàn)R超過(guò)維持氣泡形狀所需的表面張力Fst。此時(shí)，氣泡無(wú)法保持其形狀，并且開(kāi)始變形，氣泡趨于變成直徑較大的橢圓形。這也會(huì)加劇氣泡之間的聚結(jié)，導(dǎo)致孔隙粗化。

4.3 HPFC性能

4.3.1 機(jī)械性能

圖 8（a）不同F(xiàn)A含量（a1）和w/b比（a2）的HPFC的抗壓強(qiáng)度。

（b）抗壓強(qiáng)度（b1）和比強(qiáng)度（b2）與文獻(xiàn)報(bào)道的比較。（c）具有不同F(xiàn)A含量（c1）和w/b比（c2）的HPFC的顯微硬度。

圖8中數(shù)據(jù)顯示FA含量的增加最初導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增加，然后又下降。而增加w/b往往會(huì)降低抗壓強(qiáng)度。FA的作用機(jī)制主要?dú)w因于其對(duì)HPFC基體強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)的影響：i）最初，當(dāng)FA含量相對(duì)較低（<20%）時(shí)，其對(duì)水泥基漿體強(qiáng)度產(chǎn)生的不利影響最少。由于其火山灰活性可以產(chǎn)生額外的凝膠，它甚至可以增強(qiáng)基質(zhì)強(qiáng)度。ii）另一方面，合理使用FA可以通過(guò)流變控制來(lái)調(diào)節(jié)和優(yōu)化HPFC的孔隙結(jié)構(gòu)。隨著FA含量的增加，孔隙結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，包括細(xì)化孔徑、提高均勻性、增加球形度、減少連通性，有利于強(qiáng)度增強(qiáng)。關(guān)于w/b的影響：w/b的增加導(dǎo)致HPFC基體的平均顯微硬度下降，這不利于泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。同時(shí)適當(dāng)增加w/b可以?xún)?yōu)化HPFC的孔結(jié)構(gòu)。這種優(yōu)化確保了盡管水泥基漿體的基體顯微硬度降低，但 HPFC 的抗壓強(qiáng)度降低并不顯著。

總的來(lái)說(shuō)，水泥漿體強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于泡沫混凝土材料的抗壓強(qiáng)度發(fā)展至關(guān)重要。這凸顯了高強(qiáng)度漿體和最佳孔隙結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)于開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度泡沫混凝土產(chǎn)品的重要性。

4.3.2 耐久性

泡沫混凝土固有的多孔隙結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致耐久性差。

圖 9（a）HPFC的吸水過(guò)程。（b）二次吸水率。（c）樣品和對(duì)照組的RCM結(jié)果。（d）HPFC基體的致密微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

圖9顯示增加FA含量首先會(huì)降低吸水率，在20%FA含量下達(dá)到最低值。這是因?yàn)楹侠淼牧髯兛刂苾?yōu)化了孔隙結(jié)構(gòu)、減少了孔隙連通性，從而降低了毛細(xì)管吸水率。但是過(guò)量的FA含量（40%）會(huì)減少生成的C-S-H凝膠含量，降低了水泥基漿體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)致密性。并且HPC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)（RDC）僅高出1.5倍。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的HPFC具有出色的抗氯離子滲透性，甚至可以與HPC相媲美。

圖 10（a）HPFC的EIS測(cè)試結(jié)果：FA（a1）和w/b（a2）對(duì)特性曲線(xiàn)的影響；（a3）電阻。（b）導(dǎo)電路徑和導(dǎo)電模型的示意圖。

圖10（a）顯示所設(shè)計(jì)的HPFC表現(xiàn)出更高的體電阻（Er），范圍在1–6kΩ·m之間，明顯超過(guò)普通混凝土。高電阻有助于提高混凝土的耐久性，表明其抵抗侵蝕物質(zhì)侵入的能力。高Er還源于設(shè)計(jì)的致密基體和低孔隙連通性，這有效地阻止或減少了混凝土中的主要導(dǎo)電路徑（圖16b）。具體來(lái)說(shuō)，主要傳導(dǎo)路徑涉及孔隙溶液的運(yùn)動(dòng)，其中連續(xù)傳導(dǎo)路徑（CCP）和不連續(xù)傳導(dǎo)路徑（DCP）會(huì)顯著影響電阻。在設(shè)計(jì)的HPFC中，具有低w/b，內(nèi)部環(huán)境明顯干燥，溶液孔隙極小，導(dǎo)致CCP和DCP引起的電阻增加。同時(shí)，與普通混凝土相比，HPFC的致密漿體基質(zhì)導(dǎo)致絕緣體導(dǎo)電路徑（ICP）的電阻更高。并且未連接的孔隙進(jìn)一步阻礙了所有三個(gè)導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致HPFC的電阻增加。

（1）提出了開(kāi)發(fā)新型HPFC的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，概括如下：首先，基于顆粒堆積理論，精確設(shè)計(jì)致密高強(qiáng)的水泥基漿體；然后，制造適當(dāng)含量的泡沫加入到設(shè)計(jì)的漿料中；最后，通過(guò)流變控制優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)。

（2）合理添加粉煤灰（FA）并優(yōu)化水膠比可有效調(diào)節(jié)HPFC的流變特性。結(jié)果表明，調(diào)節(jié)基質(zhì)流變性可以有效優(yōu)化相同密度水平下HPFC的孔隙結(jié)構(gòu)，如細(xì)化孔徑、提高孔均勻性、增加孔球形度、降低孔連通性等。

（3）過(guò)高和過(guò)低的基質(zhì)粘度都會(huì)降低孔隙結(jié)構(gòu)，表明存在最佳的流變范圍（粘度1.30±0.15Pa·s），以獲得優(yōu)異的HPFC孔隙結(jié)構(gòu)。因此，本研究表明，20-30%的FA替代率和0.16-0.18的w/b有利于制造高質(zhì)量的HPFC產(chǎn)品。

（4）HPFC基質(zhì)內(nèi)的粘度不足可能導(dǎo)致泡沫上升，主要是由于浮力和排水加劇，從而惡化孔隙結(jié)構(gòu)。相反，過(guò)高的基質(zhì)粘度會(huì)增加混合過(guò)程中施加在泡沫上的拖曳力（FR）。當(dāng)FR超過(guò)維持氣泡完整性的張力時(shí)，氣泡的結(jié)構(gòu)完整性將受到損害，從而也會(huì)惡化孔隙結(jié)構(gòu)。

（5）優(yōu)化后的HPFC表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，包括高強(qiáng)度（高達(dá)17.8 MPa，是等密度普通泡沫混凝土的三倍以上）、良好的和易性、出色的耐久性（低吸水率、高氯離子抗性和高電阻），導(dǎo)熱系數(shù)低。因此，這種混凝土可以被視為現(xiàn)代建筑行業(yè)的高性能建筑材料。

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[1] Dingqiang Fan,Chunpeng Zhang,Jian Xin Lu,Ligang Peng,Rui Yu & Chi Sun Poon.(2025).Rheology dependent pore structure optimization of high-performance foam concrete. Cement and Concrete Research 107737-107737.

https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2024.107737