发泡浆体流变特性对轻质混凝土匀质性的影响
潘正华，蒋亚清，赵文昊
(河海大学力学与材料学院，南京 211100)
发展装配式建筑，提高建筑节能水平，是“双碳”背景下我国建筑业实施可持续发展战略的重要方向[1]。多孔轻质混凝土是装配式建筑部件重要的基础材料，具有密度低、质量轻等优点[2]，近年来受到了业界的广泛重视。但多孔轻质混凝土在搅拌、泵送、浇筑过程中容易出现泡沫不稳定和陶粒上浮的现象，导致轻质混凝土匀质性不良，出现分层离析[3-4]，并造成混凝土整体强度不足[5]。李晋禹等[6]研究发现，控制泡沫的破损率可降低发泡浆体的沉降，增加水泥浆体稠度可阻碍水泥浆体中的气泡上浮，减慢气泡表面液膜排液速度，稳定气泡。周涛涛[7]通过掺入矿物掺合料，利用矿物掺合料的高比表面性，增加了水泥浆体中的总比表面积，更多的自由水被用于湿润固体颗粒表面，减少了颗粒之间流动的自由水，浆体稠度提高。景帅帅[8]研究发现，掺入纤维素，搅拌后浆体表观密度减小，新拌浆体泡沫与颗粒间的接触因纤维素黏膜的面面接触，进一步减少了点面接触的可能，减少了泡沫的破裂。周翔[9]研究发现，掺入羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)，通过HPMC分子链相互搭接形成立体网络结构,浆体黏度增加，提高了泡沫的稳定性，从而解决泡沫混凝土由长时间未固化而引起的塌模问题。詹镇峰等[10]通过优选陶粒骨料、掺入粉煤灰等技术途径，减少了陶粒上浮，配制出匀质的混凝土。张郁[11]通过采取优选较小粒径的陶粒骨料、增大浆体的屈服剪切应力和黏度等措施，减轻了陶粒的上浮情况，使陶粒混凝土基体更为均匀。良好的匀质性是轻质混凝土达到预定质量目标的先决条件，而发泡浆体的流变特性是影响轻质混凝土匀质性的重要因素，直接决定着轻质混凝土的泡沫稳定性、宏观性能的发展等。但目前关于发泡浆体流变特性对陶粒在浆体中匀质性影响的公开文献报道较少，同时在实际生产中1 100级轻质混凝土抗压强度达到10 MPa的目标也较难实现。
本文通过Herschel-Bulkley(H-B)流变模型拟合加入不同掺量增稠剂的轻质混凝土发泡浆体的流变参数，建立H-B塑性黏度计算模型，探究流变特性与陶粒分布和发泡浆体沉降的关系，确定1 100级轻质混凝土抗压强度大于10 MPa时发泡浆体的流变参数，为轻质混凝土的配制提供一定的参考。
1.1 原材料
水泥：海螺P·Ⅱ52.5R级硅酸盐水泥，性能指标如表1所示；
粉煤灰：南京火电厂Ⅱ级粉煤灰，活性指数为87%，技术指标如表2所示；
陶粒：南京平达工程有限公司提供，性能指标如表3所示；
发泡剂和增稠剂：南京平达工程有限公司提供的FM7型发泡剂(发泡倍数>30)和增稠剂VMA1；
水：可饮用水；
减水剂：自制高减水保坍型减水剂，固含量为40%。
表1 水泥性能指标Table 1 Performance indexes of cement
表2 粉煤灰技术指标Table 2 Technical indexes of fly ash
表3 陶粒性能指标Table 3 Performance indexes of ceramsite
1.2 轻质混凝土制备方法
按表4试验配比，制备目标密度为1 100 kg/m3的轻质混凝土。先用搅拌机将水泥、粉煤灰、外加剂等与水混合搅拌1 min,搅拌期间将FM7型发泡剂置于发泡机内,通过向发泡机中挤压空气形成泡沫,然后将制备的泡沫引入水泥浆中继续搅拌30 s,搅拌结束后加入陶粒搅拌30 s,最后浇筑成型。
表4 1 100级轻质混凝土配比Table 4 Mix proportion of 1 100 grade lightweight concrete
1.3 轻质混凝土性能测试方法
力学性能试验：成型100 mm×100 mm×100 mm试件，标准养护28 d后，参照《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)进行测试。
图1 流变参数测试程序Fig.1 Rheological parameters test procedure
发泡浆体沉降距试验：按1.2节中相同方法搅拌，成型φ160 mm×500 mm的圆柱试件。参照《泡沫混凝土用泡沫剂》(JC/T 2199—2013)测量混凝土终凝之后料浆沉降距。
流变性能试验：采用BROOKFIELD RST-SST流变仪，按1.2节中加入陶粒前的搅拌顺序搅拌发泡浆体，测定未加陶粒的新拌发泡浆体流变性能，将新拌浆体置于50 mL的烧杯中，使用直径为15 mm、长度为30 mm的桨式转子(VT-40-20)。测试程序如图1所示，20 s内剪切速率由0 s-1连续增加到100 s-1，静停10 s后在60 s内剪切速率从0 s-1增加到100 s-1，再在60 s内从100 s-1连续下降至0 s-1。选取下降阶段剪切速率为80～20 s-1的数据，使用H-B流变模型进行拟合。H-B流变模型如式(1)所示。
(1)
1.4 分形维数计算方法
标准养护28 d后，在标准试块中间位置平行切下2 cm厚的切片。打磨光滑后拍摄图像，利用Photoshop 软件获取陶粒分布情况，二值化处理后，使用计盒维数Db来表征陶粒的分形特征[13]。
Db=lgNk/lgk-1
(2)
式中：Nk为边长为k的网格覆盖住全部结构的最小数量。
2.1 流变参数拟合结果
浆体流变性能会影响新拌轻质混凝土的匀质性[14]，H-B模型适用于新拌发泡浆体的流变参数拟合[15]，但无法直接得出浆体的塑性黏度，因此本文对H-B模型塑性黏度的转化公式进行推导。
新拌水泥基材料是一种可塑性流体，采用Bingham模型可以对大多数水泥基材料的流变模型进行分析。Bingham模型流变拟合曲线如图2(a)所示，剪切应力随剪切速率呈线性变化，计算方法比较简单。Bingham模型的流变方程如式(3)所示。
(3)
式中：ηB为Bingham模型拟合的塑性黏度，Pa·s。剪切应力与剪切速率分别为流变仪测试过程中得到的参数。
图2 Bingham模型和H-B模型流变拟合曲线Fig.2 Rheological fitting curves of Bingham model and H-B model
(4)
对于Bingham模型，黏度为定值，即其流变方程的斜率，可按式(4)求解。因此本文对H-B模型进一步处理,流变拟合曲线如图2(b)所示。塑性黏度可按式(5)计算。
(5)
新拌发泡浆体流变参数拟合结果如表5所示。随着增稠剂掺量的增加，增稠剂凝聚保水作用逐渐增强，且会聚集在孔壁内和气孔表面，并以网络状附着于水泥水化产物表面，充当一定的“微纤维”作用。同时，当泡沫掺入到水泥浆体中时，泡沫表面带有的负电荷会与水泥水化产生的Ca2+等相互吸引，使水化产物覆盖在泡沫表面。泡沫与水泥颗粒相互吸引，形成“泡沫桥”，在水泥颗粒之间形成一种粘接，增大屈服应力。因此，发泡浆体的黏度η和屈服应力τ0不断提高[16]。但泡沫不同于骨料，其在浆体中易变形，导致浆体间易流动，具有一定的滚珠效应，会降低浆体的塑性黏度。而且随着增稠剂掺量的增加，增稠剂的稳泡作用降低了浆体的破泡率，更多的泡沫参与滚珠变形。同时，增稠剂胶质颗粒会吸附于水泥颗粒表面形成乳胶膜,在降低颗粒间摩擦力的同时也抑制了絮凝结构单元的形成,从而降低发泡浆体的黏度。因此，发泡浆体的黏度不断提高，但提升幅度减小。
2.2 分形维数计算结果
图3为HCJ3组轻质混凝土中陶粒分布的分形维数计算，各组分形维数见表6。如图3所示，lgNk与lgk-1具有良好的线性关系，表明分形维数可以准确描述陶粒分布的复杂性和陶粒的填充能力。如表6所示，分形维数随着增稠剂掺量的增加而不断提高，这是由于陶粒密度较小，在浆体内的运动速度与黏度成反比[10]，黏度越大，陶粒在浆体中受到的浮力低于重力和黏滞阻力之和，陶粒上浮被抑制，因此分布更加均匀。分形维数越大，陶粒在浆体中分布的空间几何结构越复杂，填充空间的能力越强[17]。
表5 发泡浆体的流变参数Table 5 Rheological parameters of foamed slurry
图3 轻质混凝土中陶粒分布的分形维数计算Fig.3 Fractal dimension calculation of ceramsite distribution in lightweight concrete
表6 轻质混凝土中陶粒分布分形维数Table 6 Fractal dimension of ceramsite distribution in lightweight concrete
图4 陶粒分布分形维数与发泡浆体沉降距的关系Fig.4 Relationship of fractal dimension of ceramsite distribution and settlement distance of foamed slurry
2.3 轻质混凝土匀质性分析
陶粒分布分形维数与发泡浆体沉降距的关系如图4所示。随着浆体沉降距的增加，陶粒分布分形维数不断下降。浆体黏度较小时，气泡破裂，浆体发生沉降。此时，陶粒在浆体中受到的浮力大于重力和阻力之和，陶粒开始上浮，浆体下沉，陶粒分布复杂性降低。
发泡浆体沉降距随浆体黏度及屈服应力变化的等值线图如图5所示。轻质混凝土发泡浆体沉降高度与黏度和屈服应力呈负相关。随着黏度和屈服应力的提高，硬化过程中表面张力提高，泡沫破灭难度提高，发泡浆体整体趋于稳定。当浆体黏度大于1.85 Pa·s、屈服应力高于103.90 Pa时，沉降高度不足2.64 mm。
2.4 轻质混凝土力学性能分析
发泡浆体沉降距和陶粒分布分形维数对轻质混凝土抗压强度的影响分别如图6和图7所示。混凝土的抗压强�人孀欧⑴萁屦ざ群颓αΦ脑黾佣岣撸馐且蛭龀砑烈酝缱锤阶庞谒嗨锉砻妫涞币欢ǖ摹拔⑾宋弊饔茫哂性龀硪约拔扰莨δ埽呕饲嶂驶炷恋目捉峁梗够炷两峁垢用苁礫18-19]。当浆体沉降距减小、陶粒分布分形维数提高时，混凝土整体匀质性得到提升。轻质混凝土的匀质性会对其整体强度造成影响，因此轻质混凝土强度不断上升。
轻质混凝土抗压强度随浆体黏度及屈服应力变化的等值线图如图8所示。优化发泡浆体流变性能可提升轻质混凝土匀质性，是提升轻质混凝土力学性能的关键。当浆体黏度大于1.74 Pa·s、屈服应力大于92.87 Pa时，轻质混凝土可获得较好的匀质性，可使1 100级轻质混凝土获得较好的力学性能，28 d抗压强度可达到10 MPa, 能够满足预制件工厂的使用。
图5 发泡浆体沉降距随流变参数变化的等值线图Fig.5 Contour map of settlement distance of foamed slurry with rheological parameters
图6 发泡浆体沉降距对轻质混凝土抗压强度的影响Fig.6 Influence of settlement distance of foamed slurry on compressive strength of lightweight concrete
图7 陶粒分布分形维数对轻质混凝土抗压强度的影响Fig.7 Influence of fractal dimension of ceramsite distribution on compressive strength of lightweight concrete
图8 轻质混凝土抗压强度随流变参数变化的等值线图Fig.8 Contour map of compressive strength of lightweight concrete with rheological parameters
1)非线性H-B模型适用于表征轻质混凝土发泡浆体的流变性能，H-B塑性黏度计算式为ηH-B=0.016 67K(80n-20n)。
2)轻质混凝土发泡浆体的泡沫沉降距与浆体流变性能呈负相关。随着浆体黏度和屈服应力增加，沉降距降低，浆体中的陶粒分布分形维数提高，有效抑制了陶粒漂浮和泡沫沉降，使轻质混凝土整体匀质性提高。
3)具有高匀质性和适宜抗压强度的轻质混凝土发泡浆体流变参数为：塑性黏度大于1.74 Pa·s，屈服应力大于92.87 Pa。
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