Microstructure of high-strength foam concrete

A. Just⁎, B. Middendorf

TU Dortmund University – Germany

Introduction

Mineral-bound foams with porous structure and low mass density have established themselves in the construction industry. These fine-grained concretes are based on German standard DIN 4164, which in the meantime is no longer valid. They have a mass density le;2000 kg/m³ and are classified as lightweight concretes [14]. Subject to the production processes, mineral-bound foams are called autoclaved aerated concrete or foam concrete. The characteristics of these building materials are described in [4,7–12,14].

In this paper, a methodology is presented for controlling the characteristics of air hardening, mineral-bound foams, which contribute to the expansion of the application type of these building materials. Already well-known manufacturing processes can be developed further in such a manner that the new resulting lightweight concretes receive reproducible characteristics. In this way, the requirements of the modern building task can be fulfilled, also within the field of design. For the description and evaluation of the microstructure of mineral-bound foams, light microscopy combined with digital image analysis [16], as well as scanning electron microscopy are suitable tools.

Technical Bases

Foam is a dispersive system made of gas and liquid and/or gas and solids, where the proportion of gaseous volume is dominant. With all genuine foams, each individual bubble represents a cavity closed in itself, with no gas-filled connections between neighbouring gas bubbles. In the foam, the gas is an intermittent or dispersive phase, while the continuous phase exists as a matrix or liquid [8].

Fig. 1–Classification of mineral-bound foams according to the manufacturing process.

Fig. 1 shows the classification of mineral-bound foams according to the manufacturing process. The process of forming air bubbles in the fresh cement paste is significant. The methods of chemical expansion, as well as physical or mechanical foaming are well known and state of the art. Autoclaved aerated concrete is based on a mortar with finely grounded, quartzitic sand, cement and/or lime and water where a foaming agent, commonly aluminium powder, is added. The stable material is cured after being removed from its mould in saturated steam atmosphere in autoclaves within a few hours and thereby receives its final properties [14,15].

Foam concretes are given their structure for foaming by using foam generators or stirring up the cement paste using foaming agents and fast rotating pug mill mixers. The paste consists of the binder, usually cement, finely grounded quartzitic sand, water and foam generating admixtures. After moulding the foam, the concrete hardens under normal atmospheric conditions.

During the mechanical foaming procedure, a foam agent is added to the mortar. Numerous bubbles are mechanically introduced by high-speed mixers. A relatively unstable foam develops with an irregular structure and undefined void structures [11]. In practice, a more usual manufacturing method is physical foaming. A pre-manufactured foam consisting of water and chemical admixture is mixed with the additional components. Under these conditions, a more stable and fine pored mort

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高强泡沫混凝土的微观结构

泡沫混凝土分为两种：一种是利用发泡剂将物理发泡混凝土掺入快拌泥料搅拌机中，是在大气条件下的固化。另一种是蒸压加气混凝土通过添加铝粉进行化学发泡，然后在饱和蒸汽气氛中进行固化。

泡沫混凝土形成于生产过程中的化学发泡和空气固化，这些泡沫混凝土是一种新型的具有低质量密度和高强度特性的新型建筑材料，负责这些性质的宏观、中观和微孔。它是通过添加不同量和不同粒径分布的铝粉末创造。然而，水泥基体的微观结构受细观和微孔的影响。此外，通过对混凝土的化学添加剂的具体使用，可以优化硬化水泥浆体的基体。

利用扫描电镜研究了铝粉和化学添加剂对水泥硬化组织微观结构的影响。

1 介绍

多孔结构和低质量密度的矿物结合泡沫已在建筑业中确立了自己的地位。这些细粒度混凝土是基于德国标准DIN 4164，。其中有一种质量密度为le;2000 kg/m3分为轻质混凝土[ 14 ]。在生产过程中，与矿物结合的泡沫称为蒸压加气混凝土或泡沫混凝土。这些建筑材料的特点在[ 4.7–12,14 ]有描述。

本文提出了一种控制空气硬化矿物结合泡沫特性的方法，有助于扩大这些建筑材料的应用类型。已经使众所周知的制造工艺可以进一步发展，这种新的轻质混凝土具有可复制的特性。这样，现代建筑任务的要求就可以实现，也可以在设计领域内实现。光学显微镜结合数字图像分析[ 16 ]，以及扫描电子显微镜是对于矿物结合泡沫的微观结构的描述和评价的合适工具。

1. 技术基础

泡沫是由气体和液体或气体和固体组成的分散系统，其中气体体积占主导地位。每一个气泡代表一个封闭的空腔，相邻的气泡之间没有连接通道。在泡沫中，气体是间歇或分散相，而连续相则以基质或液体形式存在[ 8 ]。

图1 -根据生产工艺分类矿物结合泡沫。

图1展现出根据制造过程的矿物结合泡沫的分类。在新鲜水泥浆中形成气泡的过程是多样的，化学膨胀法，物理发泡法和机械发泡法都是众所周知的，也是最先进的。蒸压加气混凝土是以添加磨细石英砂、砂浆、水泥或石灰和水，发泡剂，常用的铝粉末，稳定性的材料从高压锅蒸汽氛围被去除形成模具后几小时内固化，从而获得最终性能[14,15]。

泡沫混凝土用泡沫发生器或发泡剂和快速旋转泥料搅拌机搅拌水泥浆，由粘合剂粘贴水泥、磨细石英砂、水和泡沫发生剂。在泡沫成型后，混凝土在正常的大气条件下变硬。

在机械发泡过程中，在砂浆中加入泡沫剂，高速混合器机械地引入许多气泡，相对不稳定的泡沫发展成不规则的结构和未定义的空隙结构[ 11 ]。实际上，物理发泡是一种更为常见的生产方法，由水和化学混合物组成的预制泡沫与附加成分混合。在这些条件下，一个更加稳定和细孔砂浆将形成[ 11 ]。

蒸压加气混凝土常用作建筑单位，墙壁和天花板，以及作为非增强以及钢筋结构的元素。这些建筑单位用于建造房屋和工业建筑。目前泡沫混凝土的主要应用领域是回填和水平调节。到目前为止，用现有的产品还无法实现承重建筑单元的建筑材料。

泡沫孔隙度的性质对矿物结合泡沫的物理力学特性有重要意义，不仅要强调空隙率，而且要考虑影响毛细管和凝胶孔隙率的特性。由于空气硬化泡沫混凝土的物理力学特性，在技术应用上有很大的局限性。一方面，这是由于新鲜砂浆中的水含量高，另一方面，由于生成泡沫的方法不足，不能保证在使用目前的常规程序情况下进行最佳的孔隙分布。

因为承重施工单位所必需的强度，目前只能在饱和蒸汽气氛中在大约190°C的温度和1.2平方毫米的压力下进行蒸压硬化。其中的氢氧化钙和二氧化硅转化为硅酸钙（CSH）是通过这种方法成为可能，并降低固体收缩的趋势。

空隙率，这里基本上是指空气孔隙率，在加气混凝土的情况下，由发泡剂铝的附加量和粒径控制。因此，总的空隙面积和孔径分布都是可调节的。在空隙率分布中，与物理发泡相比，化学发泡具有更高的规律性和更高的再现性。

这种认识导致的结论是需要矿物类粘结剂，空气中固化的泡沫，为了保证其优质特性，应优选制造化学膨胀。泡沫混凝土中的高含水率阻碍了硬化水泥浆体基质的致密结构的形成。要保证水泥浆基质致密，必须降低水含量。这就导致了不一致性，只有使用化学添加剂才能转化为泡沫。

3.Materials and Methods

3 材料与方法

研究的泡沫混凝土是用水泥浆制成的，不使用骨料。部分加入外加剂和外加剂。表1列出了用于生产砂浆混合物的材料。

根据EN 197-1 [ 5 ]CEM I 42.5为粘结剂。利用铝粉的不同粒径，硬化材料中的气孔分布是可控的，而气孔容积由总数量来调节。

水灰比对水泥浆膨胀过程中体积的增大有着至关重要的影响。为了保证较低的水的体积在水泥浆体的扩展，基于聚羧酸盐疗法高效减水剂的引入是必要的。进一步优化了水泥浆体基质的结构。

图2 -泡沫混凝土抛光部分（左/ C比= 0.45；右/瓦特比= 0.35）；总图像宽度：80毫米。

采用活性添加剂硅微粉混悬液的形式，用光学显微镜相关的数字图像分析水银侵入孔隙度以及扫描电子显微镜对样品进行了检查，调查方法简述如下：

3.1.抛光截面的准备

采用数字图像分析技术对泡沫混凝土进行结构检测时，必须先用彩色环氧树脂对孔隙进行预饱和。样品首先通过烘箱干燥。从孔道中除去水分是至关重要的，因为它干扰了环氧树脂的渗透和聚合。然后将干燥的样品装进模具并在真空室中抽空，环氧树脂被注入结晶器直到样品完全浸入水中。过了一段时间后，真空慢慢地释放出来，使空气进入环氧树脂，使环氧树脂进入毛孔，当环氧树脂硬化后，将模具取出，并将其表面打磨。

3.2.数字图像分析

利用彩色环氧树脂填充水泥浆基体与空隙的对比度，进行图像分析，通过对每个物体（气隙）的光镜分析，确定了空气空隙的性质。

3.3.水银入侵孔隙率

孔径分布用压汞法进行测定。因此，样品首先通过烘箱干燥。之后，将样品放入一个膨胀后装有高达200兆帕的压力的水银，孔径半径可达到4 nm。

3.4.扫描电子显微镜

用导电涂料在高真空下进行成像。样品导电。图3 -抗压强度作为密度的函数，不论是否使用外加剂（ADM）和添加剂（添加）。图4–组织两泡沫混凝土；左：W / C比= 0.60，无硅微粉；右：W / C比= 0.35，硅微粉含量= 10%

有碳和金的层，扫描电子显微镜的加速电压为15千伏。

4.结果与讨论

硬化水泥浆体的结构是由基质和孔隙的空间排列所产生的，孔隙面积由凝胶孔、毛细孔和空隙组成。现有的凝胶孔隙度和毛细孔隙度主要负责微观结构的特征。关于结构优化的基本方法，同时保持其矿物结合泡沫的有效性，因为他们已经开发了例如，在[ 1-3,12,13,17,18 ]高性能混凝土甚至超高性能混凝土的空隙面积量身定制的结构，以及微孔结构。

改善水泥浆体结构的混凝土技术，例如，降低水灰比或填料的使用，往往使排列的空隙面积的生成变得更加困难。对于所需的膨胀化学反应序列，不得超过一定的粘度。一致性也影响到质量，如质量密度和强度，例如所需的质量密度越低，水泥浆的粘度就越低。

图5 -泡沫的孔径分布（Ehellip;）和参考样品（r），瓦特比为0.35。

测量这种基本的一致性是特别困难的，膨胀的化学反应开始于混合过程中，并在一小段时间内使浓度恒定不变。典型的测量程序，如流动时间的确定根据EN 14117 [ 6 ]或转矩控制流变仪意味着粘度已经证明了不足。

塑料砂浆的一个特性是对泡沫发展过程中体积的增加，它提供了可以预期的固体特性的解释。该反应在引入反应对象后大约20到40分钟完成，并且取决于温度。在这个相对短的时间内，这种测量提供了定性和定量的结果，表明固体材料的机械-物理特性

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