加气混凝土孔结构及其对强度 和干缩性能的影响(下)

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* 刁江京、李运北、郭树云同志参加了实验工作。

2  孔结构与干缩的关系

在定温度和湿度条件下，任何多孔材料，根据吸附和凝聚的理论，有一平衡含水率。根据表面现象的理论，吸附水和凝聚水的变化又将引起材料体积的变化。本文选取了3种加气混凝土不同毛细孔及气孔含量的10组试块，在作者自己设计的精密恒温恒湿装置内进行干缩实验。实验从吸饱水即相对湿度100%到绝干之间11个不同相对湿度下测定其平衡含水和平衡干缩值。实验在20℃温度下进行。同时测定试块的总孔率，毛细孔率及孔分布。

2.1 实验结果

种加气混凝土10组试样，其毛细孔率和气孔率见表2～表4。实验结果见图2～图4。平衡干缩值以mm/m表示；平衡含水率以含水量与试块绝干重量的百分数表示；百分含水率以含水率与饱含水率之百分数表示。

2.2 讨论

（1）通常的水在低于饱和湿度的环境中将会蒸发干净。但多孔材料中的水就不同了。由于加气混凝土的比面积较大，如水泥矿渣砂加气混凝土约15㎡/g~18㎡

/g，水泥石灰砂加气混凝土约为20㎡/g~25㎡/g，水泥石灰粉煤灰加气混凝上约30㎡/g~36㎡/g，所以吸附现象不能忽视，其吸附水层平均厚度t是相对湿度RH的函数。在毛细孔中，A.Wheeler认为可用Halsey公式来计算t：

由此可见，多孔材料在任何个相对湿度下均有一个固定的平衡含水率。同时，根据材料的孔分布曲线，由公式②和④可以计算出材料的平衡含水率。

根据表面现象的理论，多孔材料的干缩大致归结为3个因素：（a）由于毛细孔中的水不饱满而引起毛细孔张力。此张力只发生在失水的孔中，当孔充满水或失水完毕，此张力就解除。（b）由于孔壁的吸附水层失水而变薄，使材料孔壁的表面能增加而引起的收缩。（c）由于胶孔水（或层间水）的丧失而引起的收缩。对这些传统观点，T.C.Powers有较系统的研究。F.M.Lea对此也有论述。

R.F.Feldman认为吸附水的变化将引起干缩，并提出了干缩的模型。干缩的传统观点已为学者们所公认。

关于加气混凝土的干缩，H.Ziembicka认为干缩值是毛细孔含量的函数。

加气混凝土中，胶孔的数量很少，这是由于压蒸硅胶块品中的CSH凝胶较常温养护的CSH凝胶的结晶程度好。T.C.Powers等人发现，蒸汽养护后的硬化水泥浆体的比面积仅为常温养护的硬化水泥浆体比面积的5%左右。这都说明蒸汽养护或水热合成的CSH凝胶结晶程度较高，胶孔很少。本文用压汞法对密实试块的毛细孔量进行了测定，同时用真假比重法测定了总孔量，二者之差在0.5~0.9左

右。因此，可以断定胶孔量不超过1%。

（2）根据以上分析，作者认为，加气混凝土的干缩值可在3个不同相对湿度的阶段来研究。其中相对湿度RH为100%~43%的干缩值【注：国内外一般以吸饱水到相对湿度43%的干缩值来评定加气混凝土的干缩性能。】主要是由于毛细孔张力引起的。根据公式④，RH为43%时，大于2nm的孔将要逐步失水。从图2可以看出，RH为43%的平衡含水率应在3%~4%左右，而这时胶孔水约占1%，由公式②计算出的吸附水约占0.9%~1.7%，这两部分水之和不超过3%。因此可以说明这时还有一部分毛细孔水尚未丧失，故胶孔水是不会丧失的。这说明此时的收缩主要是由毛细孔失水引起的，与胶孔无关。

RH从4%到绝干的阶段内失水量按图2看约为2%，这正好等于此区间按计算所得丧失的吸附水。0.6%~1%与胶孔水1%之和，而胶孔水的丧失将引起很大张力。因此可将此区间的干缩看成主要是胶孔水（或层间水）的丧失所引起的。其干缩值约为RH100%～43%区间干缩值的4倍。

RH43%~4%阶段的干缩，主要是吸附水层变薄所引起的。从图2看，这区间的失水量约为1.5%~2.5%。按计算此区间丧失的吸附水应是0.3%~0.7%，因此仍有1.2%~1.8%的毛细孔水丧失。但由于这是已经失水的毛细孔继续失水，不会增加毛细孔张力。所以这区间的干缩主要是由吸附水层变薄引起的，其干缩值大约与RH100%～43%的干缩值相当。

（3）RH100%~43%阶段的干缩主要由毛细孔张力引起的，其张力的大小主要决定于同时失水的毛细孔量和孔径大小。对于圆柱形的孔，根据Laplace公式：

P—毛细孔张力，以kg/c㎡表示，r—孔半径，以Å 表示。由公式⑤可看出，P与r成反比，孔愈小，张力愈大。r为200 Å可形成75kg/c㎡的张力。

由于3种加气混凝土的孔结构不同，因此在同一相对湿度间隔内失水的孔量也不同。水泥石灰粉煤灰加气混凝土在200Å 左右有一个很集中的孔峰（见图4），当RH从100%~97%时，失水的孔迅速增加，同时失水的孔量很大，因此干缩值迅速增加，出现一个“台阶”（见图2）。当RH逐步降到90%时，失水的孔径逐步进入孔峰的位置，同时失水的孔量虽有增加，但由于同时又有许多孔失水完毕，减轻了毛细孔强力，所以干缩值增加不多。当RH降至85%，失水的孔迅速减少，失水完毕的孔将大大多于失水的孔，大量的毛细孔张力将解除，此时干缩值随水分的丧失反而减小，即出现所谓“干涨”。RH再降低，则由于吸附水层变薄和孔径更小的孔的失水，又会引起收缩。从图4可看出，水泥矿渣砂加气混凝土的孔分布较分散。由于孔分布的连续性，同时失水的孔量较少，不出现“台阶”，也往往观察不到“干涨”。水泥石灰砂加气混凝土的干缩特性则介于它们两者之间。因此，加气混凝土在RH100%~13%阶段的干缩特性主要决定于毛细孔的结构。首先决定于孔分布集中的程度，其次决定于孔峰的位置，而与毛细孔总孔量关系不大。

（4）气孔对干缩有一定的影响，密实试块要比加气试块的干缩值大。这主要由于密实试块失水较加气试块难，因此同时失水孔量比加气试块多。加气试块或大水料比的密实试块，由于有相当一部分大孔先已失水完毕，这部分空间对小孔的蒸发是有利的，所以失水较易，干缩值较小。这可以从图2看出。

（5）3种加气混凝土在相对温度43%的平衡含水率约在3%~4%，这相当大气中它的长年含水率。此时的平衡干缩值以水泥矿渣砂为最小。但从1/2吸饱水率到RH43%这一段干缩值的变化来看，则以水泥石灰粉煤灰加气混凝土为最小。因此，只要在施工时适当控制水泥石灰粉煤灰加气混凝土的含水率，它的实际干缩值可以在0.1mm/m~0.2mm/m之间（见图3）。至于RH小于43%的干缩值虽然很大，但在一般大气条件下是不可能达到的，所以不影响使用。

结论

（1）加气混凝上的毛细孔，气孔对强度均有很大影响，但影响是不同的。它们与强度的关系均可由作者修改过的Balshin公式来表示：

水泥矿渣砂、水泥石灰砂、水泥石灰粉煤灰3种加气混凝上的毛细孔强度指数n'分别为2.6、2.4、1.9；气孔的强度指教n分别为3.6、3.0、3.2。因此，在同样容重下，提高毛细孔含量，减少气孔含量是提高加气混凝土强度的有效途径。而n-n'的差值愈大，效果愈明显。

（2）加气混凝土在相对湿度RH大于43%的干缩值，主要决定于同时失水的毛细孔量和孔径大小。因此，首先决定于孔分布的集中程度，其次是孔峰的位置，而与毛细孔的总孔量关系不大。相对湿度小于43%的干缩是由于吸附水和胶孔水的丧失引起的，其干缩值虽然很大，但在大气环境下是不可能发生的，因而不影响使用。

（3）一种加气混凝土的孔结构不同，其干缩特性也不同。粉媒灰加气混凝土的干缩具有“台阶”的特点，而只要在施工时适当控制含水率，其干缩值可控制在

0.1mm/m~0.2mm/m之间。