路用泡沫混凝土在凍融循環作用下的試驗研究

戴 健

(湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

由于泡沫混凝土自身具有低密度、減震吸能、導熱、吸聲等優越性能，近年來在道路工程中得到了大范圍應用[1-4]。然而在寒冷地區推廣使用時，因泡沫混凝土空隙較多，吸水后引起凍脹和凍融等現象，導致混凝土強度損失大。因此，研究泡沫混凝土在凍融循環試驗下的強度表現具有理論和工程價值。

為此，國內外學者開展了一系列相關研究。吳雨明[5]利用凍融試驗研究了不同配合比下的泡沫混凝土試塊力學性能，得出了減水劑可有效降低凍融循環對混凝土結構的損傷；馮扣寶等[6]通過凍融循環試驗證明了超輕水泥基發泡混凝土抗凍融性能極差，僅經6次凍融循環試驗，其抗壓強度降為零；劉軍等[7]證明了較低含量的水膠比和預混雙氧水對泡沫混凝土的抗凍性能有所提高；陳品明等[8]對路用泡沫混凝土的耐久性進行了研究，得出混凝土在凍融循環作用下的微裂縫變化規律;CHEN等[9]對泡沫混凝土做了一系列凍融循環試驗，試驗溫度控制在-40℃～40℃，研究摻有輕集料與聚丙烯纖維的2種泡沫混凝土的降解特性，結果表明泡沫混凝土抗壓強度的衰解隨凍融次數的增加而加劇；李相國等[10]在分析孔結構的分類基礎上，研究了孔結構對泡沫混凝土的強度、耐久性、保溫系數等宏觀性能的影響。

雖然相關學者已對泡沫混凝土進行了大量研究，但對于凍融循環試驗作用下道路泡沫混凝土的力學特性研究較少。本文利用凍融循環試驗研究了泡沫混凝土分別在10、50、100、150、200、300次凍融循環后的各項性能指標，揭示了多次凍融循環下混凝土試塊的抗壓強度和殘余強度變化規律。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本試驗所選用的原材料依據現行《泡沫混凝土應用技術規程》(JGJ/T 341—2014)，水泥選用42.5#普通硅酸鹽水泥；粉煤灰等級采用一級；泡沫劑的選用滿足發泡要求，依據現行行業標準《泡沫混凝土》(JGJ/T 266—2011)采用HT復合發泡劑；自來水符合現行行業標準《混凝土用水標準》(JGJ 63—2006)。本工程路用泡沫混凝土設計強度為：28d無側限抗壓強度不小于0.8MPa，設計容重為6.0kN/m3。為保證所制作的泡沫混凝土符合強度和密度要求，本試驗通過計算和試配確定泡沫混凝土的配合比和各組成的具體用量，具體參數如表1所示，泡沫混凝土制作流程如圖1所示。本試驗采用試塊尺寸為 100mm×100mm×100mm 的標準立方體試塊，制作試塊的路用泡沫混凝土取自現場澆筑出料口，保證了試驗試塊原料與實際工程的一致性。首先將試模清理潔凈，然后涂刷脫模劑，底部脫模孔用紙片覆蓋防漏；澆筑路用泡沫混凝土時，邊澆筑邊輕輕敲擊試模，使試塊內部無大氣泡滯留，為防止路用泡沫混凝土干縮，制模時采取路用泡沫混凝土，澆筑高度高于模口，待終凝脫模前用刀刮平。試塊澆筑完成 30h后脫模，放標準養護室內養護28d。

表1 1 m3泡沫混凝土的配比容重/(kN·m-3)水泥/kg水/kg粉煤灰/kg泡沫劑/L水灰比5.8299132100546.80.55

圖1 泡沫混凝土制作流程圖

1.2 試驗工況及流程

1.2.1試驗工況

綜合考慮我國不同區域可能出現的年平均凍融循環次數，本試驗分別在1、10、50、100、150、200、300次凍融循環時測定路用泡沫混凝土各項性能指標。試驗分成2個工況: ① 工況1：溫度變化為20℃～10℃～0℃～-20℃～-10℃～0℃～10℃～20℃，考慮凍融循環次數對試件混凝土的影響；② 工況2：溫度變化為60℃～-20℃～60℃～20℃～60℃，考慮極端溫度變化對試件混凝土的影響。

1.2.2試驗流程

工況1試驗流程：取21塊混凝土試塊分為7組，每組3件，編號分別為1#～21#。21塊試件一起放入凍融試驗箱，在工況1的溫度變化條件下進行凍融循環試驗，溫度每改變1次試塊需養護4h，直到凍融循環次數達到規定次數后，取出1組試塊并養護4h后做無側限抗壓強度試驗。選取每組3個試件的算數平均值作為每組強度標準值，最后乘于系數0.95轉化為標準試件抗壓強度。

工況2試驗流程：選取21塊混凝土試件分為7組，試件編號分別為22#～42#，一起放入凍融試驗箱，在工況2溫度變化條件下對試塊進行降溫和升溫凍融試驗。當凍融次數達到規定次數后，取出1組試件養護4h后做無側限抗壓強度試驗。選取每組3個試件的算數平均值作為每組強度標準值，最后乘于系數0.95轉化為標準試件抗壓強度。

2 試驗結果及分析

2.1 凍融循環下試樣外觀形態

混凝土試樣經過多次凍融循環試驗后，其外觀形態會發生一定變化，強度也會隨之降低。試樣在凍融循環次數達到50次時混凝土表面損傷并不明顯，這是由于試塊內水分較少， 在升溫和降溫過程中，試塊的短期凍融對試樣的表面并沒有明顯影響以使其破損。在第150次凍融循環開始后試塊表面才開始出現微小裂縫，第200次凍融循環后試件表面混凝土裂縫明顯增多。

2.2 循環次數對試樣抗壓強度的影響

以工況1和工況2條件下的各組試件為研究對象，表2為凍融循環荷載試驗結果,圖2為無側限抗壓強度隨凍融循環次數的變化，從中可看出前期的凍融循環試驗對試樣強度影響不明顯。凍融循環次數從第150次開始，每增加一級凍融的次數，抗壓強度隨之降低，經過300次凍融后試樣的無側限抗壓強度分別達到最小值為1.0MPa和0.69MPa。與工況1中的試件相比，工況2中的試件在凍融過程中的無側限抗壓強度更低，這也說明了極端的凍融循環過程更會加劇強度的降低。

表2 凍融循環荷載試驗結果試樣編號工況1工況2循環次數/次對應實際年數/a每組抗壓強度值/MPa工況1工況21、2、322、23、241 0.21.461.324、5、625、26、2710 1.01.281.227、8、928、29、305010.01.241.1410、11、1231、32、3310020.01.251.1813、14、1534、35、3615030.01.521.3816、17、1837、38、3920040.01.271.0119、20、2140、41、4230060.00.691.00

圖2 無側限抗壓強度隨凍融循環次數的變化

2.3 循環次數對混凝土殘余強度的影響

圖3為工況1條件下試樣的殘余強度變化規律。可以看出隨著凍融次數的增加殘余強度呈現出先提高后降低的趨勢，在凍融循環次數達到200次，殘余強度達到最大值為1.31MPa。當凍融循環達到50次(對應實際通車10a)，其殘余強度由1.1MPa上升至1.3MPa，上升了18.7%，此時試塊表面無明顯影響。

圖3 凍融次數與殘余強度關系圖

凍融循環達到150次(近似通車30a)后泡沫混凝土試塊出現裂縫，其殘余強度隨著凍融循環次數的增加逐漸降低。這是因為前期由于泡沫混凝土中存在的微小空隙吸水，試件水化程度提高，強度隨之有所提高，繼續凍融循環的過程中，孔隙中的結晶壓使試件產生微裂縫，導致殘余強度降低。當循環次數達到300次(近似通車60a)時，其殘余強度由1.36 MPa下降至0.99MPa，下降了26.4%，此時雖然出現大量裂縫但未發生結構性破壞，基本上可滿足路用年限要求。

3 結論

1) 凍融循環過程中，混凝土的無側限抗壓強度出現較大波動，其中10次凍融后的試塊強度與5次凍融循環后的強度變化不大，而且極端凍融循環條件下試樣的強度會更低。

2) 在凍融試驗中，發現凍融循環混凝土試塊從150次凍融開始，每增加一級凍融次數，部分試塊出現微小裂縫，抗壓強度也隨著凍融次數增加而降低，在300次凍融后無側限抗壓強度達到最小值0.99MPa。

3) 當循環次數達到300次(近似通車60a)，其殘余強度由1.36 MPa下降至0.99MPa，下降了26.4%，此時雖然出現大量裂縫但未發生結構性破壞，基本上可滿足路用年限要求。