加气混凝土的结构与性能：重新审视

加气混凝土的结构与性能：重新审视 作者 N. Narayanan, K. Ramamurthy 印度，马德拉斯技术学院，土木工程系，建筑技术和施工管理部摘要加气混凝土因为不含粗骨料，因而它相比普通混凝土,相对更加均匀，性质也发生很大的 变化。加气混凝土的性质取决于其微观结构（空隙一一糊状结构）和组成，粘合剂的类型， 孔隙形成和固化的方法。虽然加气混凝土最初的认为是一个很好的绝缘材料，人们对他的一 些结构特点产生新的兴趣。其重量较轻，节省材料，可以潜在的大规模利用废弃物粉煤灰。 本文的重点是分类调查的加气混凝土性能方面的物理性能（微观结构，密度），化学性能， 机械性能（压缩和拉伸强度，弹性模量，干缩）以及功能（保温，保湿、运输，耐久性，耐 火性和隔音性）特性。02000埃尔塞维尔科技有限公司版权所有。关键词：加气混凝土；结构；工程特性；耐火性；吸水性；1.简介加气混凝土是以硅质材料和钙质材料为主要材料，掺加发气剂，通过适当的方法使之成 为轻质混凝土。广义地说，加气混凝土是多孔混凝土团。其突出的优点加气混凝土容重较 轻，这可以减少承重结构的荷载设计比如基础。多孔构造，一方面可起到保温隔热作用，另 一方面可以减少材料。通过一些适当的生产工艺，加气混凝土的密度范围可以从300kg/m3 一1800 kg/m3，从而在结构承重、围护中得到广泛应用。过去人们已经对加气混凝土的性能 做了一些研究。首位对加气混凝土比较系统的研究者是由Valore ；后来的研究者是Rudnai 以及Short和Kinniburgh。虽然加气混凝土是最初设想作为绝缘材料，但从其新的结构特 点出发，其重量较轻，可以节省材料和可以大规模利用废弃物粉煤灰的潜力。因此，有必要 对其功能和特点进行重新审视。这次审视目的在于：分类研究加气混凝土相关的材料结构和性能。2.加气混凝土的分类21按孔形成的方法引气法（加气混凝土）：在液性或塑性阶段，气体形成的化学物质混合而成石灰或水泥砂 浆，从而导致大量体积增加，当气体逸出后，就形成了一个多孔结构。铝粉，双氧水漂白粉, 电石分别释放氢气，氧气和乙炔。其中，铝粉是最常用的加气剂。铝粉的工作效率是受其细 度，纯度和水泥碱度的影响，并且随着为防止在砂浆硬化前气体的逸出所采取的手段而变化。 在波特兰，水泥碱度较低，所以需要用另外的石灰碱或者氢氧化钠补充所需碱度。发泡法（泡沫混凝土）：这被认为是最经济的和孔隙形成过程可控的方法，因为它没有涉 及化学反应。这种方法是通过机械方法预先产生形成泡沫（发泡剂混合搅拌水的一部分）或 混合泡沫（发泡剂混合砂浆）实现的。所使用的各种发泡剂包括洗涤剂，肥皂胶树脂，树脂， 总皂苷，水解蛋白比如蛋白等。组合成孔方法：它是通过将发泡和引气相结合来生产泡沫混凝土的方法，这种方法也是采 用铝粉末和胶树脂。22按粘合剂的类型分类根据所用的粘合剂不同，加气混凝土可以按水泥或石灰来分类。人们尝试使用火山灰质材 料如粉煤灰或废石作为部分替代砂或粘结剂的材料。2.3根据养护方法依据养护方法的不同加气混凝土可以分为非蒸压（NaAc）混凝土和蒸压（AAC）混凝土。 混凝土的抗压强度，干燥收缩率，吸收特性等直接取决于养护方法和时间。湿养护混凝土的 强度发展缓慢。水化热引发石灰和二氧化硅之间的结合反应。这些反应在高温高压的水热反 应中已经得到证明。正如各种各样的作者建议的那样（持续时间816小时，压力416MPa）, 存在较大变化的压力和持续时间的变化。其他的重要意义在于其他组合的养护循环的周期随 着温度和压力的变化率而具有相同的龄期和状态。蒸压养护证明可以显著减少干燥收缩，使 它达到可接受的强度和收缩水平内，这点对于加气混凝土是非常重要的3加气混凝土性能表1给出了对加气混凝土的结构与性能研究概况。4物理性质4.1微观结构在加气混凝土中，孔形成的方法（即气体释放，或发泡）影响微观结构，从而影响其性 能。加气混凝土材料结构的特点是固体基质微孔和大孔。大孔的形成是由于出现在大孔壁之 间的曝气和微孔扩张造成的。人们观察到大孔隙的直径为601m以上。由于空隙的存在，力口 气混凝土的发展方向显著改变了。加气混凝土多孔系统按孔隙大小分布功能可以分为人工气孔，簇间孔隙和粒间孔，也可以 按微孔分布在基体中具有的特性来分类。另一个被广泛接受的分类法是按孔径的50-500lm 范围，（5lm尺寸作为普通砂浆毛孔比较大）充气或表面活性剂的引入，50纳米或更小的微 毛细管形成的薄壁之间的气孔（简称微）和极少数的孔50 nm到501m,称为巨-微管。图1（a）- （c）显示了典型的加气混凝土的孔隙系统。虽然在AAC和NAAC的结构中孔 隙系统大致相同，但是结构的变化引起的水化产物不同，这也解释了其属性的变化存在差 异原因。在高压养护中，发生化学反应的一部分的硅质材料与钙质材料，如石灰和从水泥水 化中解放出来石灰，形成比表面积低得多微晶结构。Tada和Nakano指出由于超孔隙水的存 在NaAc具有较大体积的细致毛孔。据观察，大孔隙的直径及分布对抗压强度不具有影响。孔隙度，孔径分布和渗透率：混凝土的基本性能，如强度，渗透性，收缩率和徐变是与孔 隙度和孔径分布密切相关的。因此，细孔结构的表现特征是极为重要的，而更多的是在加气 混凝土的情况下，孔隙率可能高达80%。根据固化的组合物和方法，加气混凝土的孔隙率 和孔尺寸分布有很大的差别。加气混凝土的较高的孔隙率被认为是大孔体积增加的后果，这 反过来导致更薄的孔壁，从而减少了微孔体积比例。研究表明孔隙必须具备预处理方法，如 烘箱干燥的样品来确定孔隙度是否已经导致细胞结构破坏。虽然蒸压混凝土的发泡气体与 气泡渗透方法形成的孔隙度之间有很大的差别，但是并不很大。人工气孔对渗透率的影响比 较小。411确定结构和孔隙度的方法电子扫描显微镜（SEM）：使用高分辨率扫描电镜是确定多孔材料的孔径及其分布的精确 方法。通过显微照片对总孔隙率进行定性估计，并用来确定水泥水化后形成的化合物的结构。自动图像分析：该方法有利于确定加气混凝土基体中的大孔的孔径分布特征。它配备了一 个特殊的光学系统摄像机，在专用计算机数字化技术的帮助下，可用于对产生的图像结构进行处理。图像处理器会将模拟图转换为数字图像。压汞法（MIP）：压汞法一般是在压力200Mpa左右进行，这相当于75的孔径。对表面张力 的基本方程进行修正，并用来寻找汞渗透的孔径。积分和微分分布的孔径在压汞仪和自动图 像分析结果的基础上编制报告。人工气孔，这种孔径尺寸较大，不能采用这种方法。透气性：孔的类型，孔径大小和分布是渗透的影响因素。因此，气体渗透的测量间接反应 AAC孔隙结构的特点。这些毛孔是连续的，并允许气体流过材料的整个厚度。只有这些毛 孔影响透气性。各种制造方法造成的二分多孔结构演化可利用该方法确定。4.2密度水胶比影响孔率，从而影响相关密度。对于一个给定的密度，水灰比与砂率成正比。采用 火山灰的AAC法时，水固比比水灰比影响更大，更重要的是，与孔隙的形成方法无关。加 气混凝土，一个较小的固体水比导致高孔隙率，从而导致空隙破裂，在这两种情况下密度增 加的后果不同。因此，水的需求是根据现场混合材料一致，而不是与预先确定的水灰比或水 固比一致。加气混凝土的许多物理性质依赖于密度（300-1800公斤/立方米），其密度需要与性能相符 合，这一点非常重要。对于指定的密度，水分条件（即，烘箱干燥条件下或在平衡大气下） 需要指出来。该材料在高压下可能比干燥绝缘条件下重15-25 %。这个值可以在非常低的密 度下与加气混凝土一样高。在不断变化的温度和相对湿度条件下，采用AAC方法时混凝土 的密度显着增加，后来证明是这是碳化过程引起的结果，碳化过程与干密度的增加成正比例。如前所述，加气混凝土的密度有很大的变化范围，通过改变加气混凝土的组成部分，搅 拌出有特殊要求的加气混凝土，同时也会改变气孔的结构、尺寸和性质。稳定且规则的球形 细胞微结构对于良好的结构工作性能有很大的影响。同样在大体积的混合料中，为了得到密 度均匀的加气混凝土，必须保证毛孔均匀分布。事实证明，基体中大孔的形成会显著降低混 凝土的密度。在传统术语里，加气混凝土的密度与其组成成分和孔隙率密切相关，即组成容 量（t）是密度与特定质量的比值，孔隙率则用公式（1-t） 100表示。5化学特性在蒸压加气混凝土中，采用X射线粉末透射法进行的研究表明，加气混凝土主要的反应 产物是分属于雪硅钙石组的一种硅钙水化物。其反应过程可表示为：多钙C-S-HtC- S-H 11: 3雪硅钙石。反应产物是由结晶、半结晶体和几乎无定型的雪硅钙石等物质组成的，这 些物质具有不同程度的结晶率。结晶率为雪硅钙石与总的硅钙水化物的比值。事实同样表明 硅酸钙是唯一存在的水物相物质。与蒸汽养护得到的产物相比，这些反应产物具有更小的比 表面积。SEMs体系表明，在蒸压加气混凝土中微毛细管被慢慢重塑为具有双链硅结构的雪硅 钙石。这种结构的增长速度和各方向的增长程度，在气体的形成和发泡方法中引起不同程度 的孔径。此外，随着时间的增长，他们没有显示任何变化。雪硅钙石表现出不同寻常的现象， 也就是：通过电子显微镜传输的数据分析，即使在300 C的温度下11.3A的基础空间也不 会收缩到9.3A的程度。非蒸压加气混凝土把他们从最初的针形水合物转化为角状的方解石 晶体，然后经过湿养护，转化为封闭状的方解石晶体。6 力学性能61 抗压强度试样的尺寸和形状、孔隙的形成的方法、加载方向、时间的变化、含水量、使用的各成 分的性质、固化的方法都对加气混凝土的强度有一定的影响。气泡的孔隙结构、孔隙壳的机 械性能对抗压强度有显著的影响。大孔径的孔的形所引起密度下降，从而引起强度的显著下 降。通常，抗压强度与密度的增加呈现出线性增长的关系。如表2所示，文献中给出了不同 的密度对所应的不同的抗压强值。就像高温高压的环境对于雪硅钙石获得稳定形式所起到的 作用那样，高压蒸汽养护同样可以显著提高加气混凝土抗压强度。加气混凝土最终强度的获 得，取决于高压蒸汽养护的持续时间和养护时的压力大小。不同类型的加气混凝土都表明， 高压蒸汽养护的持续时间及压力同加气混凝土的抗压强度存在联系。在28天到六个月这段时 间内(或者稍微超过这段时间)，非蒸压加气混凝土的强度增加30%-80%。强度的增加一部 分原因是由于碳化的作用用表2加气混凝土的主要性能 干密度(公斤/立方米)抗压强度(MPa)的静态弹性模量(千牛/平方毫米)热导率(W / MC)4005006001.3-2.80.18-1.170.07-0.112.0-4.41.24-1.840.08-0.137003.9-8.52.42-3.580.13-0.212.8-6.31.76-2.640.11-0.17抗压强度的大小与所处环境湿度的大小成反比。在与正常环境相类似的干燥程度下，强 度就会有所增加，而在完全干燥的环境中，强度会有较大的增加。一些实验记录了某些材料 在类似环境中所具有的数据。并且提出了校正系数，以用来评估抗压强度从湿到干的状态下 的增长情况。部分或全部使用火山灰作为填料的替代物，蒸压与非蒸压加气混凝土的抗压强 度与密度都会有所提高。同时密度对于抗压强度的影响，也会使蒸压加气混凝土产生石材废 料。强度预测关系：已经提出几个联系评估加气混凝土的抗压强度。对于泡沫混凝土，修正后的菲拉特方程如下所示：S =K 1 / (1 + (w/c*)+(a/c) m。该公式表示了强度S,水灰比（a/c），气灰比（a/c）三者之间的关系，其中K,是经验系数，发 泡混凝土中强度与凝胶空间比的关系表达式是由Durack和Weiqing总结出来的。加气混凝土的多孔性对其自身的抗压强度有显著的作用。一些多孔性与强度的关系表达 式如下所示：（1） 席勒方程：s二p）,Pcr是强度为零时，关键的孔隙度参数，Ks为一个 常数。（2）帕尔凝胶空间比：s = Kgn，K为凝胶的固有强度值，g为凝胶空间比。水合物 是凝胶与填料同非水化物一同形成的物质。（3）水灰比及特定水泥的密度决定的强度孔隙关系式： n = 1 -Id（1 + 0.2p ）/（1 + k）py】，p特定水泥的重度，Y水的单位重量，d水泥的单ccc wcwc位重度，n为孔隙度,k为水灰比，b为经验常数。（4）波尔山表达式：s = s G-ps为在零孔隙度时的强度，n为常数。0 0当研究含有石废料的蒸压加气混凝土的强度与孔隙度关系式的时候，人们提出了一个 称为孔隙度因素的数值，即固体颗粒的体积与孔隙的体积比。这个因素与抗压强度具有线性 关系。6.2弹性模量蒸压加气混凝土在受压状态下得到的表达弹性模量的公式，大多数是关于抗压强度的 关系式。蒸压加气混凝土的关于弹性模量的预测关系式都编译在表三中。6.3拉伸强度和弯曲强度瓦洛尔证明蒸压加气混凝土的直接拉伸强度（T）与抗压强的的比值范围在0.15-0.35之 间，拉提斯卡把误差的范围限定在10%-15%。这种误差变化在一定程度上证明了拉伸强度在 测试时比抗压强度更为敏感。弯曲强度与抗压强度的比值在0.22-0.27之间变化。对于具有极 低密度的加气混凝土，这个比值甚至可以达到零。蒸压加气混凝土的断裂模量可以用下式进 行较精确的估计：MOR =0 .27*+ 0 .21f ，其中f表示抗压强度，单位为Mpa。ctct6.4干燥收缩加气混凝土中的材料吸收水分，从而引起了干燥收缩的发生。由于加气混凝土具有 较大的空隙率（40-80%）,并且气孔具有很大的表面积（大概在30m2/g），所以干燥收缩对 于加气混凝土有很大的影响。伴随着更高比例较小的尺寸的毛孔的尺寸减小，干燥收缩也进 行的更为剧烈Ziembika将收缩的体积和表面微孔（孔径在75T000A）联系在一起，Schmbret 将之归因于孔隙的分布。Nielson给出一种结构模型，即将液体看作是孔洞内的压缩水。多 孔建筑材料的毛细张力理论表明，孔隙中的水由于张力的存在，在气体壁上产生了一个吸附 力。有研究称，当只有水泥作为粘合剂时，混凝土的干缩，要远远高于由石灰或者石灰 水泥作为粘合剂的干缩。随着活性二氧化硅量的增加，干缩率也随之增加，并且达到30%-60% 之间的最大值，然后逐渐降低。蒸压养护的压力、产品的细度、化学成分、添加剂如火山灰 的大小和形状、储存的时间和气候都会影响混凝土的干缩。添加剂像Superplasticiser、 硅粉对干缩效果影响不大。所以，可以确定，影响加气混凝土干缩的主要原因是凝固时的物理结构的影响，而非化学组成。空气中养护的试件有很高的干缩率。湿养护的水泥混合砂浆表明，常温下，干缩值从 0.06%到超过3%，且密度越高、砂率越高，干缩值越小。Tada和Nakano认为非蒸压加气混 凝土的高干缩率是由于毛孔的体积较大。然而，同样的试件蒸压后，内部组成发生了根本性 的变化。而这一变化可能减少了空气养护构件干缩效果的1/5-1/4。这主要是因为以结晶状 为主的水化硅酸钙组成改变了。水泥为粘合剂的试件，在空气中养护后，再经蒸压养护后， 转化为为结晶态。Alexanderson 19称，结晶度对收缩性的影响是：提高结晶度，干缩率减少，抗压性 能先增大后减少。收缩率提高时，孔隙率降低。这也就解释了为什么结晶度也随之下降。收 缩度的最大最小值依赖于硅酸钙水化产物的发展。Georgicdes和Ftikos认为蒸压混凝土的 干缩是半径在20-200A微孔体积和比表面积。最终蒸压混凝土的收缩率取决于干密度。试件收缩的时间受材料性能、样本大小、气候条件影响。除此之外，最终的干缩率取决 于始末的温湿度。大部分情况下，如果相对湿度下降了，干缩量就会增加。在湿度范围相对 较高时（超过容积的20%）干缩量相对较小，温度损失也较小。这种状况的原因在于，混凝 土中大的孔隙较多，不利于收缩。7.功能特性7.1毛吸现象加气混凝土的孔隙加强了水、水蒸气、以及多孔系统之间的相互作用，使之存形成了各 种水分运输机制。在干燥条件下，毛孔是空的，水蒸气占主要地位，部分毛孔里湿度较高。 与水接触时，毛吸现象使孔隙大小分布、含水量之间的水分运输的影响，更加难以判断。 水蒸气的转移可用以解释水蒸气的渗透性和湿度分布系数，而毛细管吸力和水的弥散主导了 水分转移。这种水分转移现象，基于不饱和理论，将多孔材料中，通过吸收和放出水的毛细 现象定义为一种易于测量的性质，称之为吸水性。此已证明，水分转移的性能可以更好地解 释吸水性要强于渗透性。这种毛细管吸力概念也符合以上特点，详细的解释了孔隙的作用。7.2耐久性加气混凝土主要由水化硅酸钙组成。该性能较之自然条件下熟化的混凝土更稳定，因而 其耐久性亦更胜一筹。然而，由于加气混凝土的孔隙率较高，则流体对之渗透性也越高。这 可能会损害内部的基质。冻融试验表明蒸压加气混凝土在饱和度20%-40%时，就需要特别关 注。当饱和度更高时，试件变脆，裂缝出现。因而有必要在含有硫酸盐侵蚀的环境下使用一 些保护措施，比如使用沥青类材料。碳化作用，让加气混个凝土的密度偏高，但不是特别严 重，除非暴露在二氧化碳浓度很高的环境。7.3导热系数导热系数取决于密度、湿度以及材料成分。由于导热条件性能主要是密度的一种功能效 果，因而试件是在潮湿环境还是在蒸压条件下培养，并不是十分紧要。空隙的数量大小和分 布，对于隔热效果有着关键的一步。孔隙越均匀，隔热效果越好。因为导热性受湿度影响（增 加1%的湿度，导热性能可增加40%）,所以数据不应该从烘干状态下得出。基于建筑热能要求， 最合适的材料设计由Tada给出。7.4耐火性实际上，加气混凝土的耐火能力要优于普通密度的混凝土，至少不会比一般混凝土逊色。因此，他的使用不会引起火灾。之所以有这样的言论，其中一个原因就是这种材料不同于一 般的混凝土，它相对均匀。不会因为分布不均匀引起混凝土的膨胀、破裂和分离57。它这 种好的耐火性能是它使热辐射向相反的方向传播。这种性能，配上低导热性和分散热量的作 用，使得加气混凝土拥有比传统混凝土拥有更好的耐火性能。7.5声学性能Valore 2推论加气混凝土并没有特别优越的隔音效果。原因在于，空气中传播的声音 的传递损失取决于质量定律。质量定律即频率与组成比分的表面密度的关系式。Tada认为 除了聚集原则，另一个原因还在于墙壁是刚性的，其内部对于声音传递有抵制作用，并且他 在声学上对大密度和高厚度的加气混凝土进行了研究和设计。Leitch表示，正如导热性和 耐火性那样，隔音效果也受到了封闭的孔隙影响。总言总结了有关加气混凝土结构和性能的研究，突出的观点是：（一）孔隙形成和固化的方法在其组织和性能方面扮演了一个重要的作用；（二）其性能受到密度的影响，因此需要根据其密度来对他们分类，同时也需要结合含 水量对其加以区分；（三）化学成分组成与不同的养护方法有关，雪硅钙石是在是养护时形成的产物，如果 再伴随上高压养护，就会形成更加稳定的形式；（四）蒸压加气混凝土的强度由于上述原因会更高；（五）强度与孔隙率的关系已形成了以巴利新表达式为基础的概念，这个概念表达出了加气混凝土的凝胶与空间比 的关系；（六）蒸压加气混凝土的干缩率很低；只达到了非蒸压加气混凝土的四分之一到五分之 一，材料特性和收缩环境同样影响干缩的进行；（七）加气混凝土表现出了很好的功能特征。致谢这项研究是印度全民技术协会研究者发起的。就此，作者表达他对印度全民技术协会在 经济上的支持的感激之情。参考文献【1】VALORE RC著,蜂窝混凝土组成及制备方法，1954年，J Am Concr研究所出版。【2】VALORE RC著，蜂窝混凝土的物理性能1954年，J Am Concr研究所出版。【3】Rudnai G著，轻质混凝土1963年出版。【4】Short A, Kinniburgh W著，轻质混凝土，1963年，亚洲出版社出版。【5】Sengupta J著，粉煤灰轻质加气混凝土块的开发与应用1962年，印度中心出社 版。【6】Verma CJ, Tehri SP, Mohan R著,石灰粉煤灰多孔混凝土的技术经济可行性研究， 1983年，印度中心出版社出版。【7 】Durack JM, Weiqing L 著【8】粉煤灰加气混凝土单位重量的减少【9】粉煤灰对加气混凝土性能的影响10】板岩粉和波特兰水泥蒸压加气材料【11】从废混凝土蒸压加气板岩【12】石灰水热反应【13】加气混凝土的收缩行为