硬质聚氨酯泡沫塑料轻集料混凝土.docx

1、硬质聚氨酯泡沫塑料轻集料混凝土硬质聚氨酯泡沫废料轻骨料混凝土Amor Ben Fraj, Mohamed Kismi, Pierre Mounanga摘要：本研究探讨了力学性能和将硬质聚氨酯泡沫废料作为粗骨料 (8 / 20mm)的轻骨料凝土的耐久性参数。不同混凝土中加入聚氨酯泡沫废料和高效减水剂，对体积密度、烧失量、干燥收缩、抗压强度、动态弹性模量、总孔隙度、透气性和氯离子扩散系数的影响已被研究和分析。结果表明，与普通混凝土(没加聚氨酯泡沫废料)相比，加入了聚氨酯泡沫废料使混凝土的干密度降低了29-36%。密度的减少是由于轻质混凝土总孔隙度的增加造成的，这也导致了轻质混凝土更高的透气性和氯离

2、子扩散系数的增加。这些降低混凝土耐久性的负面影响，改善了水泥基体的特性。轻骨料混凝土的抗压强度在816 MPa，并且动态弹性模量在1015GPa，这拥有较高性能混凝土拌合物几乎满足了结构轻质混凝土机械密度的标准。这些结果巩固了聚氨酯泡沫塑料用于轻骨料混凝土生产使用的想法。关键词：轻骨料混凝土，聚氨酯泡沫废料，抗压强度，渗透性，收缩，氯离子扩散1.引言本文对混凝土中轻骨料的用途提出了许多积极的方面。Kayali 1最近总结了以下好处：加入轻骨料的混凝土引起的低密度可降低结构自重，基脚的尺寸大小，板和横梁。这就扩大了建筑的有效使用面积。运输费用和处理预制要素的设备也减少了。此外，轻骨料混凝土的低热

3、量传输提供更高的隔热性能，可以提高耐火性。轻质混凝土中使用的两种低密度骨料可分为：天然骨料(浮石，硅藻土，火山渣等)和人工骨料(膨胀珍珠岩，油页岩，粘土，板岩，玻璃，中空微球，聚苯乙烯或其他自然聚合有机高分子材料，塑料颗粒等)。人工骨料可以通过特定程序或来自工业废弃物或副产品中获得。许多用于轻质混凝土生产的工业废料(轻质碎砖头2，焚化炉底灰3，废旧轮胎4-6，塑胶废料79，褐煤发电残留10)或蔬菜副产品(木削片11，油棕榈壳12，亚麻副产品13)的研究已经开始。根据他们的来源(矿物，蔬菜或工业)和性质，这些轻骨料以特殊的方式影响混凝土的硬化性能。通过化学，机械和热预先处理这些废物有时是必要13

4、-15，大部分的研究得出结论认为，固体废物用作轻骨料构成了一个稳定它们物价有趣的方法。在塑料领域，肺泡泡沫废物占了每年产生的塑料废弃物相当数量的比例16。它们被用来作为燃料17或在工业制造过程添加18,19。虽然较少关于这方面研究发表，但是将发泡胶废物加入轻质混凝土的生产也是一个有趣的选择20,21。先前研究22 重点是用硬质聚氨酯泡沫废料粒子(0-10mm)生产的混凝土的热性能。目前的工作涉及到用聚氨酯泡沫中8-20mm的粗骨料生产的轻质混凝土进展和表征。聚氨酯泡沫轻骨料混凝土的力学性能和耐久性参数是正常混凝土的四倍。为了保持各种混凝土之间有一个可比的骨料粒度分布，对聚氨酯泡沫废料过筛，让粒

5、子大小8/20mm硅质粗骨料分布曲线相同的，使混凝土生产中便于控制。试点工作的目的是分析了加入聚氨酯泡沫同时增加粗骨料和高效减水剂对不同混凝土各种性能的影响，如体积密度，烧失量，干燥收缩，抗压强度，动弹性模量，总孔隙度，透气性和氯离子扩散系数。扫描电子显微镜(SEM)也进行了观测，以研究胶凝矩阵之间和轻骨料界面区的形态。2.实验研究2.1物料2.1.1水泥，普通骨料和高效减水剂本研究的水泥是澳电从圣皮埃尔拉考尔工厂(法国)的CEM I 52.5 N。其化学组成和主要理化性质如表1。沙子是河沙0/6.3 mm，比重是2580 kg/m3和吸水率为0.90%(质量分数)。粗骨料是硅质砾石8/20

6、mm(比重：2590 kg/m3的，吸水率：0.49%，质量分数)。粗细骨料粒径分布如表2。低水灰比的混凝土中加入聚羧酸基高效减水剂是为了减少用水量，并提高其可操作性。聚羧酸基高效减水剂呈液态时，其比重是1050 kg/m3和20% 干含量。表1化学组成和水泥物理性能化合物(重量)化合物(重量)主要化合物按重量CaO64.35K2O0.98C3S62.01SiO220.20烧失量1.65C2S11.13Al2O34.85不溶性残渣0.22C3A8.11Fe2O32.80活性碱0.80C4AF8.45MgO0.90游灰1.30石膏6.56SO33.05布莱恩细度339m2/kgNa2O0.16密

7、度(-)3.16表2 粗细骨料级配筛余尺寸(mm)累计通过(%)筛余尺寸(mm)累计通过(%)细骨料轻质粗骨料细骨料轻质粗骨料20100599.216972.586.814921.2568.912.5610.6345.910110.31514.7830.161.56.31000.080.22.1.2聚氨酯泡沫轻骨料轻骨料混凝土加入聚氨酯泡沫废料的粗颗粒(8-20 mm)。表3提供了其主要物理力学性能。应该指出的是，与其他混凝土原料(水泥，水，沙子和砾石)相比，聚氨酯泡沫是一种非常好的可压缩材料，因此，它的密度可以根据所施加的压力测出。轻骨料的吸水率需要其浸水24小时后测定。聚氨酯硬质泡沫的力学

8、性能要用3个立方体的样品在20 C 1兹维克50千牛万能试验机上进行测试，并取其平均值。试样尺寸为50毫米 50毫米 50毫米且横梁移动速度为5毫米/分钟。轻骨料过筛分成5个不同粒径围(表2)。这促使设计轻质混凝土配合比必须严格控制粗骨料级配。这次研究不考虑粒径大于20mm骨料。先前研究22得出泡沫废物最好的部分集中在0-10mm。在这里，最小的轻骨料是8毫米筛粒子(表2)。表3聚氨酯泡沫轻骨料性能比重(kg/m3)容重(kg/m3)孔隙率(%)吸水率(%)形变小于10%抗压强度(kPa)氏模量(MPa)45219813.41745.62.2混凝土拌合物本次制作了4组加入聚氨酯泡沫骨料的混凝土

9、(LWAC-1，LWAC-1sat， LWAC-2sat 和 LWAC-3sat)和1组普通混凝土。5组混凝土配合比详情如表4。LWA用于LWAC-1，LWAC-1sat， LWAC-2sat 和 LWAC-3sat 浸水24小时前的参照，以改善混凝土拌合物的和易性。不考虑由预湿LWA消耗的水量的混凝土水灰比如表4。LLWAC-1sat， LWAC-2sat 和 LWAC-3sat 预湿消耗的水量分别为47 kg/m3, 49 kg/m3 和 62 kg/m3。表4 混凝土配合比和坍落度配方编号配合比(kg/m3)聚氨酯泡沫体积含量(%)水灰比坍落度/mm水泥水砂正常总量聚氨酯泡沫总量SPNW

10、C39722082486700.55170LWAC-139722082415.1340.5560LWAC-1sat39722082415.1340.55190LWAC-2sat41518386215.81.405350.4480LWAC-3sat35315672420.11.196450.4460LWAC-2sat 和 LWAC-3sat 的拌合物与实际相比由于减水剂而使水灰比降低了20%。LWAC-2sat拌合物聚氨酯泡沫和水泥含量的情况略有增加，而LWAC-3sat 拌合物水泥量减少，聚氨酯泡沫总含量则显着增加。2.3试验方法和测试步骤制样前要先测混凝土拌合物密度及其坍落度。混凝土样品模具

11、分为圆柱形(直径：11cm，高度：22cm)和棱柱形(7 x7 x 28 cm)。成型后，样品要在温度20 2 C、相对湿度90的环境下养护24小时才脱模。圆柱形样品在20 2的水箱中养护直到测试前才能取出。棱柱形样品在温度20 2 C和50 5的相对湿度的实验室中晾晒。28天抗压强度，总孔隙度和180天转让参数(气体渗透和氯离子扩散系数)，用圆柱形样品测量。干燥收缩率，烧失量和弹性模量的动态测试用棱柱形样品(见图1)。 图1粗聚氨酯泡沫废料 图2不同配合比圆柱样品2.3.1坍落度试验和湿密度坍落度要根据具体实际情况来测。混凝土湿体积密度要根据混凝土的质量和体积来测。2.3.2干燥收缩和烧失量

12、 混凝土干燥收缩用一个校准千分表(精度： 0.001mm)在7728cm的棱柱形试样上测定。烧失量用精度 0.01g的天平测量。获得样品1天和28天的平均值。2.3.3力学性能28天抗压强度测试用圆柱形试样。弹性模量的动态要用Grindosonic 设备在28 天的棱柱形试样测定。本文提到的每个力学性能值从两个试样进行试验得到的平均价值。2.3.4扫描电镜检测压缩测试后，用扫描电子显微镜(SEM)观察聚氨酯泡沫混凝土片段。2.3.5气体渗透性用金刚石锯片切开圆柱型混凝土试样，获得两个平行的50mm厚的盘面。从每个气缸的中心部分提取一个盘面(图2)，并抛光和清洗。侧其厚度精确到0.1mm，并在弧

13、形表面用环氧树脂涂密封，是气体只能从盘面进出，确保测量精度。干燥和水饱和程度直接影响混凝土气体渗透性。本次试验中盘面在40干燥几星期，直至质量固定不变(0.01g)，以确保试样用相同的含水量。然后，把试样在测试前48小时放在20的干燥器中冷却。图3透气性测试实验装置的布局示意图渗透性测量使用中性气体氮气来进行渗滤实验(图3)。这种方法是运用各种不同的压力使气体以稳定的气体流量Q(立方米/秒)通过盘面。表观渗透率 KA(m2)的计算式如(式1)。 (1)L 是的样品厚(m)，A是横截面面积(m2)， 是的粘度系数(1.78 10-5 Pas，20)， Pinlet 是进气压力(Pa)，Poutl

14、et是出口压力(Pa)，T0 和 P0 分别是标准温度(0)和标准压力(1.01325 105Pa)，T是环境温度()。Klinkenberg提供的关系式(2)介绍了一种在的渗透系数的概念 K V (m2) (2)Pm 是平均气压(坝)，Pm =(Pinlet+Poutlet)/ 2， 是科林贝尔系数(Pa)。为了确定 K V， KA是通过测量压力(Pinlet)，计算平均压力倒数(1 /Pm)。从5条曲线看，其线性回归的相关性是令人满意的，其系数大于0.99(图4)图4 KA1 /Pm曲线2.3.6开孔孔隙率混凝土试件开孔率百分比可以使用下列公式(3)： (3)Wsat 是水饱和样品(使用真

15、空泵)的质量(g); Wdry是试样在40 和化学干燥器中冷却烘干后质量(g);及 Wsubm 是试样在静水条件下的饱和的质量(g)。该测量实在渗透测试后的试样进行的。2.3.7氯离子扩散系数 氯离子扩散参与了腐蚀钢筋可能导致混凝土结构耐久性的损失。混凝土抗氯离子渗透已基本研究了1,24,25。由于扩散实验费时，所以提出稳定状态迁移试验以加速混凝土试件中氯离子的渗透。 图5展示了Djerbi等人26开发的氯离子迁移机，在本实验中也有用到。经过透气性和孔隙度的测试，两块试样会被分别放在NaOH(0.025 mol/L)和KOH(0.083 mol/L)中。在上述溶液中加入NaCl (0.513

16、mol/L)并在其过12V的电流。试验温度为201 。有流动度不变，有效氯离子数De (m2/s)可以通过能斯特普朗克方程变形来计算。这个方程忽视电迁移流的扩散和对流流动。根据这个假设，给出如下公式(4)： (4)C0 是氯离子浓度(mol/m3靠近负极的溶液，假定其不变)，QCl-是氯离子经过一段时间t(s)的量(mol/m2)，L是试样后(m)，z是价离子数(z=1)，F 是法拉第常数(F= 96480 J / V)，E是电压降(V)，R是气体摩尔常数(J/mol/K),T是温度()。 图5 氯离子迁移机 图6瑞士万通自动滴定仪氯离子浓度的电位滴定方法使用瑞士万通自动滴定仪以0.05M A

17、gNO3滴定。(图6)3.结果分析3.1 加工性能与密度3.1.1 坍落度检测 混凝土坍落度列于表4，围在60至190mm。用干的轻骨料(LWAC-1)代替普通骨料(NWC)会造成坍落度的损失。高孔隙率轻骨料会吸收大量水和粘贴水泥使同一时间拌合物可操作性降低。预先使轻骨料水饱可以减轻这种可操作性的损失：明显的，LWAC-1sat配方的混凝土比LWAC-1和NWC的混凝土有更高的坍落度。可操作性的涨幅与轻骨料最初的含水率有关，轻骨料中的水部分进入水泥混合基质中。为保持轻骨料预湿的积极作用，LWAC-2sat和LWAC3-sat用水饱和聚氨酯泡沫生产混凝土。这些混凝土的坍落度比LWAC-1sat小

18、：这种差异是由于LWAC-2sat其较小的水灰比导致水泥含量高，和LWAC3-sat聚氨酯泡沫总量含量较高引起的。与LWAC-1sat相比，高效减水剂加入不能有效增加或保持了可操作性。然而，实验意图是获得塑性混凝土混合物。3.1.2 密度由于聚氨酯泡沫密度较低，混凝土湿密度和28天干密度显着减少。LWAC-1, LWAC-1sat, LWAC-2sat 和LWAC-3sat湿密度分别是1791 kg/m3，1779 kg/m3， 1776 kg/m3 和 1656 kg/m3，而28天干密度分别为1699 kg/m3, 1679 kg/m3, 1678 kg/m3和1538 kg/m3。这些值

19、比标准混凝土的密度值低27-33。聚氨酯泡沫骨料混凝土可以被看成是轻质混凝土28。由于泡沫的密度值降低导致配料增加。预湿轻骨料对LWAC混凝土影响很小：比LWAC-1和LWAC-1sat混凝土的密度小12 kg/m3。LWAC-1sat混凝土密度较低的原因是在轻骨料中含的水一部分进入水泥，造成了它的密度略有下降。3.2 微观结构扫描电镜观察图7显示了轻骨料混凝土样品的砂浆微观结构/聚氨酯泡沫骨料断裂界面。该样品是从使用压缩测试中取得的圆柱试样片段，并观察前没有经过任何处理(干燥或抛光)。在水泥基复合材料，界面区(界面过渡区) 对力学行为和材料的传输性能有较大的影响。界面区的性能一般涉及两个主要

20、现象：一方面，“屏风效应”在普通骨料表面发生，另一方面，混凝土骨料在振动下有水积聚(微出血)。第一个现象使在粗骨料附近形成水灰比梯度；第二个现象可能导致粗骨料周围形成一定水灰比梯度29 奥利维耶太平绅士，赛马马索和B博尔德特，在具体的界面过渡区， 进阶杰姆基于母校 2 （1）（1995年），页。30-38。 抽象 | PDF格式（928 K）的 | 查看记录在Scopus | 引用者在Scopus（50）29。不同的类型界面过渡区的特点有骨料孔隙率，孔隙度和骨料周围水泥出血量。基于这些原因，在轻骨料混凝土的界面过渡区，与普通骨料混凝土是不同的1。和Gjorv 30 研究显示，对于膨胀粘土骨料混

21、凝土，轻骨料混凝土多孔的表面改善了骨料与水泥浆体界面的粘结。他们解释说，由轻骨料粗糙表面提供联锁的这种现象，造成了致密，均匀的水泥基砂浆界面区。此外，罗和31说，普通混凝土的“屏风效应”不会发生在轻骨料混凝土界面过渡区。他们估计约5-10米宽区所产生的界面，这比正常的总体规模较小。图7揭示了水泥基体和聚氨酯泡沫骨料之间良好的附着力：水泥侵入并粘贴在LWA表面孔隙中。对于观察围考虑，是否有“围墙效应”是在与预湿或干聚氨酯泡沫骨料和水泥砂浆界面确定的。图7 聚氨酯泡沫骨料界面区28天的扫描电镜显微照片3.3 混凝土28天的力学性能3.3.1 抗压强度图8给出了28天抗压强度测试的结果。聚氨酯泡沫骨

22、料的纳入导致混凝土机械强度高减少。轻质混凝土28天的抗压强度与普通混凝土的比从78下降到57。许多研究已经表明，轻质骨料的使用使混凝土的力学性能下降非常明显32-35。这解释了轻骨料混凝土低机械性能和较高的孔隙率成因。还应当指出的是，轻骨料混凝土试样破裂机制是与普通混凝土不同：轻骨料混凝土的断裂发生在砂浆与轻骨料接口，它构成了轻骨料混凝土微观结构中的薄弱环节。由于普通混凝土界面过渡区与其他地方相比力学性质较弱，所以破裂主要发生界面过渡区。预湿轻骨料LWAC-1 和LWAC-1sat间，抗压强度下降41。这一观察似乎证实了先前的假设，根据这一情况，骨料饱和的水部分是水泥砂浆混合阶段进入的。它导致

23、了砂浆孔隙度增加，因此，在混凝土的力学性能降低。但是，这种技术通常是低水灰比(通常不大于0.40)的水泥系统和满足水泥水化所需的水36 D.P.本茨，第卢拉和J.W.罗伯茨合剂内部固化配比， Concr诠释 27 （2）（2005年），页。35-40。36。在目前情况下，水灰比(0.50)的混凝土，足以满足完成对水泥水化及饱和聚氨酯泡沫骨料供应，并且只增加孔隙率，对机械性的负面影响较小。LWAC-1sat, LWAC-2sat和LWAC-3sat之间的比较表明，高效减水剂降低水灰比并改善轻骨料混凝土的力学性能：高效减水剂的存在，水泥含量增加4.5抗压强度增加26。与LWAC-1saL 相比，L

24、WAC-3sat使用高效减水剂有可能将减少15水泥用量，增加了33聚氨酯泡沫。图9介绍了混凝土抗压强度与密度的关系。LWAC-1sat, LWAC-2sat和 LWAC-3sat作为中等强度的轻骨料混凝土的密度比较表现出的力学性能太低。相反，用干轻骨料制造的LWAC-1，几乎满足了轻骨料混凝土结构在ACI 318和 ASTM C 330标准。事实上，ACI 318规定，轻骨料混凝土结构(a)28天抗压强度一个最低的17MPa的强度值，(b)具有相应的空气干燥密度不超过1850 kg/m3,和(c)由所有轻骨料或正常粒料组合。据ASTM C 330，使用聚氨酯泡沫轻骨料的混凝土结构比普通粗骨料混

25、凝土比重少了880 kg/m3。 图8 混凝土28天的力学性能 图9混凝土28天干密度与抗压强度3.3.2 动态弹性模量 除了抗压强度，轻质骨料对动态弹性模量（E）也有影响，虽然其对E值影响较小1,13,16,33。Aamr-Daya等13说掺10%亚麻轻质水泥复合材料与不掺亚麻的相比，其抗压强度下降6777%且动态弹性模量下降49%。动态弹性模量值与混凝土干密度值分别绘于图8和图10。动态弹性模量值与干密度之间存在着线性关系。聚氨酯泡沫的多孔导致其动态弹性模量较低；轻质骨料增加可以预计动态弹性模量值降低。与普通混凝土相比，E值会降低59% -69%。图10 28天干密度与动态弹性模量通过观察

26、LWAC-1和LWAC-1sat拌合物，预湿聚氨酯泡沫骨料不会显著改变动态弹性模量值。此外，使用高效减水剂降低水灰比(LWAC-2sat)来提高水泥基体性能不会影响E值。只增加聚氨酯泡沫配料(LWAC-3sat)会大幅度减少动态弹性模量。3.4 水迁移相关性能：烧失量，孔隙度和干燥收缩图11 表示烧失量。不同聚氨酯泡沫混凝土的烧失量是标准混凝土的1.93.5倍。烧失量与混凝土孔隙率和拌合物初始水量有关。水总量是包含拌合水（水灰比计算的水）和聚氨酯泡沫骨料增加而增加的骨料饱和水。轻质骨料混凝土较高的孔隙率(表5)有利于水分的扩散并导致烧失量较大。聚氨酯泡沫多孔混凝土(LWAC3-sat)显示了较

27、高的28天烧失量（图11）。这些结果与Saradhi Babu等研究的水吸收实验比较，轻骨料含量较高的轻质混凝土具有较高的水分迁移性能。他们说这是由可能出现微裂纹的低密度部分造成的。图11 聚氨酯泡沫混凝土烧失量(T=202；RH=505%)表5 孔隙率和混泥土迁移性能编号总孔隙率n (%)渗透性KV (10-17 m2)有效氯离子数De (10-12 m2/s)NWC7.001.621.87LWAC-111.203.271.62LWAC-1sat17.3222.305.30LWAC-2sat13.227.662.70LWAC-3sat18.1211.505.98应当指出的是，图11中烧失量是

28、以百分比来表示的，也就说他们依赖每个试样的初始值。因此，失去相同的水，烧失量最高的是最轻的混凝土。单位为克时，7x7x28 cm试样平均烧失量NWC为45.00g，LWAC-1为62.59g， LWAC-1sat为117.16g，LWAC-2sat为89.05g，LWAC-3sat为108.75g。这些烧失量与大量的孔隙是相关的（表5）。保持含水量不变，用轻骨料(LWAC-1)代替普通骨料(NWC)，烧失量增大，相关孔隙也增加。预湿轻骨料后的烧失量是干骨料的两倍甚至更多。水分迁移通常会引起混凝土三维变化。这些拜变化会造成前期和后期影响，从而损失会损失混凝土的耐久性。Neville 28说使用轻

29、骨料会导致更高的收缩，这是因为轻骨料的弹性模量较低37；此外，高吸收性的骨料都有高收缩性38。这种高吸收性导致对水的需求增加，进而增大水灰比，形成较大干缩变形2。干燥收缩是由于混凝土中毛细拉力失水造成的。目前研究的水灰比围，干燥收缩主要以自收缩为主39-41。应变测量后的试样在T=202；RH=505%环境下干燥来进行烧失量试验。图12表示干燥收缩曲线图。其中LWAC-1, LWAC-1sat, LWAC-2sat 及 LWAC-3sat 28天干缩值分别为8.1%, 72.5%, 49.7% and 149.5%。轻骨料含量较高的混凝土有更高的收缩值。如上所述，高收缩是由轻骨料的低弹性模量造

30、成的；后者受毛细管压力影响收缩总量超过普通骨料混凝土。这就解释了LWAC3-sat的高收缩值，其轻骨料含量远远超过其他组。此外，预湿轻骨料会为拌合物引入更多的水导致更高的孔隙率和水分迁移（图11）。对相同组成的水泥基体，增加轻骨料含量会，预湿所需的谁会增加，而收缩变形也会更大。这说明了用预湿聚氨酯泡沫骨料的LWAC-1sat的收缩值比用干骨料的LWAC-1的更高（图12）。LWAC-2sat说明了减少水灰比同时增加砂和水泥用量可以限制干燥收缩率的增加。事实上，尽管聚氨酯泡沫含量较高，但是干燥收缩值比LWAC-1sat的仍然低了13.3%。图12 聚氨酯泡沫混凝土敢干缩值(T=202；RH=505%)3.5 传输性能3.5.1 气体渗透性表5给出了研究的5种混凝土透气性。普通骨料混凝土（NWC）和加入聚氨酯泡沫的轻骨料混凝土 (LWAC-1）两个不同透气性。表6给出了那些在现有的少数研究进行的比较。考虑组成不变和粗骨料体积，Sugiyama等25获得了轻质混凝土气体渗透性高于普通骨料混凝土1.7-1.