西北寒旱環境下泡沫混凝土的可靠度研究

呂翔宇，張世民，石福周，劉務文，丁文海

(1.蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050；2.甘肅省交通工程建設監理有限公司，蘭州 730000； 3.甘肅路橋建設集團有限公司，蘭州 730000)

0 引 言

近年來，隨著高性能和節能減排結構保溫材料改革政策的大力實施，具有輕質、耐火、保溫、隔熱、無毒、無味等特點的環保型建筑材料引起國內外專家的熱議，并受到市場的青睞和諸多國家的重點扶持。例如泡沫混凝土，相比普通混凝土其具有輕質、保溫、隔音、抗震等優點[1-2]，而且可作為框架填充墻、保溫板和防火板等使用[3-4]。目前對于泡沫混凝土的特性和制備工藝已有深入的介紹[5-6]，但立足應用于不同環境下，泡沫混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量、質量損失、收縮率、導熱性、滲透性等性能參數呈現出不同的變化趨勢。Visagie等[7]研究了泡沫混凝土的抗壓強度與密度之間的關系，發現當泡沫混凝土密度小于1 000 kg/m3時，隨著密度的減小，泡沫混凝土的抗壓強度逐漸降低，但當密度大于1 000 kg/m3時，漿體中的固相組成對其抗壓強度影響更為顯著。Gong等[8]研究了內摻硅灰和礦粉對泡沫混凝土中孔隙結構的影響，結合SEM分析發現泡沫混凝土中摻入一定量的硅灰和礦粉，可以使其孔隙分布均勻，連通孔減少，孔徑減小，同時抗凍性和抗壓強度有所提高。李從波等[9]根據冬暖夏熱的地區特點，并按建筑節能要求選擇泡沫混凝土和陶粒混凝土分別作為保溫層和結構層，設計了150 mm厚的保溫夾芯復合墻，通過有限元模擬得到保溫層理論壓力為0.21 MPa(滿足豎向10 MPa荷載)，結構層理論壓力為15 MPa。Tikalsky等[10]研究了粉煤灰代替水泥對泡沫混凝土抗凍性的影響，發現粉煤灰可優化試件內部孔隙，但對其抗凍效果影響并不大。針對此，郭雷等[11]在泡沫混凝土表面分別噴涂復合防水劑(甲基硅烷類與硅烷類防水劑混合體)和硅烷類防水劑，試驗發現，未涂防水劑的泡沫混凝土抗凍融次數為100次，表面噴涂防水劑的試件抗凍融次數提升到200次。吳雨明[12]通過凍融循環試驗對泡沫混凝土的性能進行了研究，發現泡沫混凝土中摻19 mm的聚丙烯纖維和適量的高效減水劑，其抗壓強度是未摻纖維和減水劑泡沫混凝土的4.3倍，且經過凍融循環后，普通泡沫混凝土出現了不同程度的損傷，而摻纖維和減水劑的泡沫混凝土抗壓強度僅損失4.4%，且內部微裂縫較少，孔隙結構幾乎完整。楊杰[13]利用磷石膏、礦渣、水泥作為泡沫混凝土的基礎材料，研究基體配方、料漿黏度、發泡劑種類與摻量對磷石膏礦渣泡沫混凝土力學性能和干表觀密度的影響，得出最佳配合比并進行了碳化試驗，發現增加磷石膏的粉末細度和摻入高效減水劑可有效提高磷石膏礦渣泡沫混凝土的抗碳化性能。

綜合上述發現，目前泡沫混凝土制備技術及材料優化選取方面的研究較為成熟，但其推廣應用，還需考慮所處環境導致的耐久性和力學性能損傷程度。而我國西北地區寒冬漫長，常年干旱，建筑物保溫、隔熱性能差，人民的生活質量難以保障。如若將泡沫混凝土大力推廣并應用于西北地區，可解決建筑物保溫、隔熱性能差的問題。但西北地區鹽漬土分布廣泛，氣候環境惡劣，各損傷因子的不確定性和隨機性，使得建筑材料受侵機理復雜，而泡沫混凝土多數作為墻體保溫、隔熱材料，勢必會受到外界環境的影響，則研究泡沫混凝土的耐久性及全壽命問題具有十分重要的意義。因此，本文將泡沫混凝土暴露于具有典型西北寒旱特性的西寧地區進行耐久性檢測試驗，利用Wiener隨機分布概率密度函數進行可靠度分析，并通過檢測泡沫混凝土的性能退化數據建立壽命預測模型。

1 實 驗

為了更準確地分析泡沫混凝土在西北寒旱地區的耐久性損傷劣化問題，將所選西寧市區土質中的化學成分進行了分析，結果如表1所示。

表1 土質中主要化學成分Table 1 Main chemical composition in the soil

水泥選用P·O 42.5R水泥；粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰，比表面積為475 m2/kg，密度為3.17 g/cm3；礦粉的勃氏比表面積為521.4 m2/kg，密度為2.95 g/cm3。原材料的化學成分如表2所示。發泡劑選用天津某化工公司生產的HT牌復合型發泡劑，減水劑選用浙江某材料有限公司生產的萘系高效減水劑。

表2 水泥、粉煤灰和礦粉的主要化學成分Table 2 Main chemical composition of cement, fly ash and slag

為了充分表征泡沫混凝土在西北寒旱地區中耐久性的退化特點，設計4種不同配合比，如表3所示，試件為尺寸100 mm的立方體。制樣步驟為：首先按比例將稱量好的干料倒入錐形懸臂雙螺旋混合機中攪拌均勻，再加入減水劑和適量水，攪拌得到膠凝材料漿體，然后加入泡沫(利用發泡機稀釋至一定倍數的發泡劑水溶液制備而成)攪拌至均勻，得到泡沫混凝土漿體，再倒入模具并插搗數次，24 h后拆模，搬至標準養護室養護28 d。最后采集基礎數據，并運送到室外暴露點。

表3 泡沫混凝土配合比設計Table 3 Mix ratio design of foam concrete

由于室外暴露點采集試驗數據較為困難，本次試驗利用無損檢測進行試驗數據采集。采用超聲波速檢測儀及高精度電子天秤分別對泡沫混凝土進行聲速和質量的測試。每隔120 d對試件進行一次數據采集，根據泡沫混凝土相關耐久性規范對動彈性模量和質量的損失量進行歸一化處理(最大限額降低儀器等的相對誤差)，分別通過動彈性模量評價參數φ1和質量評價參數φ2對不同時間段下泡沫混凝土的耐久性進行評估[14]。其中：當0<φ≤1時，試件出現耐久性劣化；當φ≤0時，表明試件已經失效[15]。各參數如公式(1)和(2)所示。

(1)

式中：Er為相對動彈性模量；Vt為時間t時測得的波速；V0為初始波速。

(2)

式中：Mr為相對質量；Mt為時間t時測得的質量；M0為初始質量。

2 結果與討論

2.1 基礎數據分析

4種配合比制得的泡沫混凝土在標準養護28 d后，得到的基礎參數及孔隙分布情況分別如表4和圖1所示。

由表4和圖1可知，隨著目標容重的增大，泡沫混凝土的抗壓強度、抗折強度及導熱系數逐漸增大，但孔隙率呈降低趨勢，干燥收縮值呈波動式下降。究其原因，4種配合比中各摻合料的摻量不同，水泥摻量增加，泡沫混凝土抗壓強度、抗折強度和干燥收縮值增大。當摻入礦粉和粉煤灰時，不僅可替代部分水泥，減少水泥用量，降低泡沫混凝土的開裂傾向，改善水泥漿體的和易性，而且還具有一定的“微集料效應、形態效應以及水硬活性效應”，可增加泡沫混凝土基體密實度，優化內部孔隙結構。但礦粉和粉煤灰對泡沫混凝土前期強度貢獻有限，所以通過摻入適量石灰或石膏起活性激發劑的作用。另外，石膏為鈣礬石的生成提供了有利條件，可改善泡沫混凝土干燥收縮性能。同時對比4類泡沫混凝土的基礎性能參數發現，C類試件的性能相比A和B類試件更為優越，雖D類試件測試的抗折強度和抗壓強度高于C類試件，但其孔隙率、導熱系數和干燥收縮值不利于西北特殊環境。同時結合圖1發現，A和B類試件孔隙大小差異大，分布不均勻，很容易導致水分、鹽類、CO2等有害物質進入試件內部，造成內部結構破壞，從而縮短試件的服役壽命。

表4 泡沫混凝土養護28 d基礎參數Table 4 Basic parameters of foam concrete cured for 28 d

圖1 泡沫混凝土養護28 d的孔隙分布(單位：mm)Fig.1 Pore distribution of foam concrete cured for 28 d (unit: mm)

2.2 評價參數分析

定期對暴露于西北寒旱地區的泡沫混凝土進行動彈性模量和質量測試，所得數據帶入式(1)和式(2)中，得到耐久性退化規律,如圖2和圖3所示。

圖3 泡沫混凝土質量評價參數Fig.3 Quality evaluation parameter of foam concrete

由圖2可知，4類泡沫混凝土動彈性模量評價參數φ1隨著暴露時間的延長呈先上升后降低的趨勢。其中A、B、D類泡沫混凝土在480 d的φ1值達到最大值(分別為1.22、1.28和1.26)，1 200 d時分別下降到0.67、0.72和0.76。而C類泡沫混凝土的φ1值在600 d達到最大值(1.27)，1 200 d下降到0.89。究其原因，泡沫混凝土服役于西北寒旱地區，主要受干濕循環、凍融循環、鹽類侵蝕、碳化、風力等因素的影響。干濕和凍融循環相結合，可加速破壞泡沫混凝土內部孔隙結構以及水泥石基體，從而為水分、鹽類、CO2等有害物質進入試件內部提供便利通道。結合表1可知，這些侵蝕性物質與水泥水化產物反應生成碳酸鈣、鈣礬石、石膏、水鎂石、硅灰石膏等晶體[16-17]，填充在泡沫混凝土大孔隙和微孔隙中，表現為試件初期密實度增加，其φ1值逐漸上升。隨著侵蝕時間的延長，試件內部微孔隙中的膨脹性產物不斷增多，微孔隙結構不斷被膨脹性產物破壞，表現為φ1值逐漸降低，泡沫混凝土劣化程度加劇。而C類泡沫混凝土的損傷程度相對較低，說明泡沫混凝土長期服役于特殊的西北寒旱地區，其動彈性模量變化幅度取決于試件內部孔隙率、孔隙結構、孔隙分布、容重、摻合料選取等。

圖2 泡沫混凝土動彈性模量評價參數Fig.2 Dynamic elastic modulus evaluation parameter of foam concrete

綜合上述試驗參數及分析發現，C類泡沫混凝土的φ1和φ2達到最大值所用的時間大于A、B和D類試件，原因為：A和B類試件孔隙率過大，孔隙分布不均勻，孔徑差距大，抗滲性相對較差；而D類試件孔隙率雖低，但水泥、石灰和石膏摻量過多，極易與侵蝕性離子發生反應，無膠凝性的產物較多，質量損失更加顯著；C類泡沫混凝土中摻加適量石灰、石膏、粉煤灰等摻合料，其孔隙率介于A、B和D類試件之間，孔隙分布均勻，孔徑相差較小，抗滲性、抗凍性等耐久性相對優越。所以C類泡沫混凝土更適用于西北寒旱地區。

3 基于Wiener退化過程的壽命預測模型

Wiener退化過程也叫Brown擴散過程，在概率論中描述物體隨機運動的趨勢或者現象，Wiener分布理論具有一定的計算和分析性質，多應用于某一產品因外界或自身因素而導致的損傷，其損傷過程趨于增加或減小的非單調趨勢[18-19]。泡沫混凝土或者其他類型的混凝土試件服役于西北寒旱環境中，其損傷劣化過程是外界環境因素與試件自身屬性相互作用的結果，所以可利用Wiener分布理論對泡沫混凝土服役于西北寒旱環境中的壽命進行建模。

根據一元Wiener分布理論，設N(t,μ,σ)為泡沫混凝土在t時刻下某個試件的耐久性退化量，其中μ為泡沫混凝土耐久性漂移參數，σ為擴散系數，且滿足式(3)。

N(t,μ,σ)=μt+σX(t)

(3)

X(t)為標準Brown運動，當E[X(t)]=0時，E[X(tn)X(tn+1)]取其時間參數的最小值(tn或tn+1)，即為標準Brown運動的性質，對于一元Wiener隨機分布過程[N(t),t≥0]還應滿足以下條件：

(1)t時刻到t+Δt時刻之間的差量應服從ΔN=N(t+Δt)-N(t)～Y(μΔt,σ2Δt)，即為常態分布；

(2)對于兩個獨立的時間區域[tn,tn+1]、[tn+2,tn+3]且各時間點處于連續遞增，那么對于N(tn+3)-N(tn+2)和N(tn+1)-N(tn)也相互獨立；

(3)當N(0)=0時，函數連續且不間斷；

(4)根據一元Wiener性質，需對N(t)定義一個隨機過程[M(t);t≥0]，且M(t)在[0,t]內為N(t)函數的最大值。

設某一時間點下M(t)的概率密度函數為g(m,t)，那么在時間t內試件不失效的概率密度函數為：

(4)

式中：T為總時間點。

根據Fokker-Planck方程可得：

(5)

式中：m為Wiener隨機過程中某一時刻的取值；a為產品失效閾值。

為得到泡沫混凝土在西北寒旱環境中的損傷劣化分布函數，將式(5)代入式(4)中，得到可靠度函數R(t)：

(6)

為更準確預測泡沫混凝土在西北寒旱環境中的服役壽命，依據混凝土耐久性相關標準規定[20]，取泡沫混凝土的相對動彈性模量損失率為40%，相對質量損失率為5%，分別設置為試件退化指標的失效閾值。由Wiener過程函數性質可知試件在某一時刻的概率密度似然函數為：

(7)

式中：ΔNij為第i個泡沫混凝土在tij、tij(j+1)(ti0

通過式(7)分別對μ和σ求偏導數，得到參數μ和σ的極大似然估計值為：

(8)

式中：Nin為泡沫混凝土在某一時刻下的性能退化量；ΔNij=Nij-Ni(j-1)。

表5 泡沫混凝土性能退化參數估計值Table 5 Estimated values of performance degradation parameters of foam concrete

將表5所得參數估計值帶入式(6)中，得到泡沫混凝土在西北寒旱環境中的可靠度曲線，如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，不同配合比的泡沫混凝土服役于西北寒旱地區，其可靠度曲線均呈不同的變化趨勢。以動彈性模量作為泡沫混凝土耐久性評價指標，A、B、C和D類試件的可靠度分別在12 800 d、14 100 d、17 600 d和16 000 d左右達到失效狀態；以質量損失作為泡沫混凝土耐久性評價指標，則A、B、C和D類試件的可靠度分別在13 800 d、15 000 d、19 600 d和16 000 d左右達到失效狀態。從以上數據可以得出，C類泡沫混凝土服役壽命最長，說明在西北寒旱地區，泡沫混凝土耐久性不僅取決于容重，而且與水泥用量、摻合料種類引起的孔隙結構、密實度等都存在密切關系。另外，從兩種評價參數得到的可靠度曲線可以看出，動彈性模量對泡沫混凝土的耐久性損傷程度更加敏感，即同一試件所得的動彈性模量評價參數相比質量得到的壽命較短，主要是因為水泥、摻合料等水化產物與侵蝕性離子生成各種鹽類晶體，填充在試件內部孔隙中，微孔隙結構首先出現裂縫，然后連通到大孔隙，最后擴展至試件表面形成可見裂縫，而這一過程，利用超聲波檢測儀可優先得到試件內部結構損傷情況。

圖4 動彈性模量可靠度Fig.4 Reliability of dynamic elastic modulus

圖5 質量可靠度Fig.5 Quality reliability

4 結 論

(1)標準養護28 d后，C類泡沫混凝土的抗折強度和抗壓強度較高，干燥收縮值最小，且孔隙分布均勻，各孔徑相差較小，主要與容重大小、水泥用量、摻合料的選取和用量相關。

(2)4類泡沫混凝土暴露于西北寒旱環境中，以動彈性模量和質量作為試件的耐久性評價參數，發現兩種參數隨著暴露時間的延長均呈先升后降的變化趨勢，且C類泡沫混凝土兩種評價參數達到最大值所用的時間大于A、B和D類試件，表現為C類試件服役于實際環境的耐久性更為優越。

(3)利用Wiener退化過程建立了A、B、C和D類試件的壽命預測模型，以動彈性模量作為耐久性退化指標得到的壽命分別為12 800 d、14 100 d、17 600 d和16 000 d左右，以質量作為退化指標得到的壽命分別為13 800 d、15 000 d、19 600 d和16 000 d左右。相比質量,動彈性模量對泡沫混凝土耐久性損傷程度更為敏感。