凍融循環(huán)作用下陶粒混凝土抗壓性能研究

袁立月，陳克政，彭 飛，付翼博，孫劍飛，*，丁 琳，*

(1.黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院；b.建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

凍融作用是混凝土抗凍性以及力學(xué)性能發(fā)生退化的重要原因之一[1]。在我國北方寒區(qū)，建筑物經(jīng)常遭受凍融破壞，引起骨料與膠凝材料的之間黏結(jié)破壞，導(dǎo)致混凝土的耐久性能和力學(xué)性能發(fā)生變化，最終引起混凝土力學(xué)性能的下降[2]。尋求一種輕質(zhì)耐久性好、抗凍性強的建筑材料尤為重要，而陶粒混凝土作為一種輕質(zhì)新型建筑材料，具有保溫、隔熱、耐火等優(yōu)點[3-4]，可滿足我國寒區(qū)對建筑材料的要求。

針對陶粒混凝土，國內(nèi)外學(xué)者對其力學(xué)性能和凍融循環(huán)后的損傷破壞開展了相關(guān)研究。在力學(xué)性能方面，研究了陶粒粒徑及級配[5-6]、粗骨料的預(yù)濕方式[7-8]、添加不同類型的纖維等方式[9-12]，對陶粒混凝土抗壓強度的影響，并對抗壓強度與彈性模量等關(guān)系進行了回歸分析[13]。耐久性能方面，通過在凍融循環(huán)作用下，研究不同濃度的鹽溶液[14]、不同凍融循環(huán)次數(shù)以及不同凍融循環(huán)溫度對其耐久性的影響[15-17]，并建立凍融損傷模型，分析試件內(nèi)部損傷程度。王立成等[18]通過試驗，系統(tǒng)分析了定側(cè)壓下粉煤灰陶粒混凝土雙軸壓極限強度和變形性能隨凍融循環(huán)次數(shù)和側(cè)壓應(yīng)力水平的變化規(guī)律。杭美艷等[19]通過試驗研究結(jié)果表明，輕骨料混凝土的導(dǎo)熱性能比同強度等級的普通混凝土好，但其抗折強度、抗凍性能相對較差。

本實驗研究了4種不同強度等級的陶粒混凝土在凍融作用下抗壓性能、動彈性模量、表面形態(tài)以及破壞特征。并建立了相對抗壓強度與相對動彈性模量之間的關(guān)系式。

1 試驗概況

1.1 試驗原料

選取亞太集團生產(chǎn)的天鵝牌P·O 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥；細骨料為天然河砂，表觀密度為2 510 kg·m-3，含泥率為1.9%；粉煤灰采用黑龍江火電公司的Ⅰ級粉煤灰；外加劑為聚羧酸高性能減水劑；試驗用水為哈爾濱市自來水；粗骨料為輕質(zhì)黏土陶粒，其性能指標(biāo)見表1。

表1 黏土陶粒性能指標(biāo)

1.2 試驗配合比

根據(jù)JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》和文獻[19]。進行陶粒混凝土配合比設(shè)計，見表2。

表2 陶粒混凝土配合比

1.3 試驗設(shè)備

試驗所采用的凍融裝置為CDR-5型快速凍融機；采用進口MTS電液伺服萬能液壓試驗機進行抗壓強度試驗；采用北京康科瑞非金屬超聲檢測分析儀器儀測量動彈性模量。

1.4 試驗制作

本次試驗設(shè)計了4組100 mm×100 mm×100 mm的陶粒混凝土試塊，其強度等級分別為LC25、LC30、LC35、LC40，每組分別在0、15、30、45、60次下進行凍融循環(huán)。根據(jù)GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》測定凍融循環(huán)后每組試塊的抗壓強度。通過設(shè)計4組100 mm×100 mm×400 mm的陶粒混凝土試塊，測定經(jīng)過凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和動彈性模量損失以及抗壓強度損失，利用試塊的動彈性模量損失反映陶粒混凝土內(nèi)部的損壞機理。

試驗進行前，將陶粒預(yù)濕24 h。進行攪拌時，先將陶粒和沙子、膠凝材料進行干攪，使之充分混合均勻，水分兩次加入，分別攪拌60 s和120 s。采用人工邊插邊搗法裝入模具，在室溫下養(yǎng)護24 h后進行脫模，脫模后送入標(biāo)準養(yǎng)護室養(yǎng)護。在養(yǎng)護第24天時取出，放入(20±2)℃的水中浸泡96 h，使其內(nèi)部水處于飽和狀態(tài)。將制備好的陶粒混凝土放入凍融循環(huán)機中，凍融溫度設(shè)為-20～15 ℃，測定相應(yīng)凍融次數(shù)后的質(zhì)量、抗壓強度以及動彈性模量。

2 試驗現(xiàn)象

2.1 凍融循環(huán)后試件表面形態(tài)

以凍融60次后的試件為例，其破壞形態(tài)見圖1，與未凍融的試件相比，凍融后的試塊表面均有明顯砂漿脫落現(xiàn)象。其中膠凝材料較少的LC25組陶粒混凝土表面脫落現(xiàn)象最為嚴重，試件表面存在明顯的砂漿骨料脫離現(xiàn)象并堆積著脫落后的水泥砂漿粉末，陶粒骨料裸露，出現(xiàn)麻面現(xiàn)象，邊緣部位缺失比較嚴重。隨著強度等級的增加，LC30組試件表面水泥砂漿的脫落有所減少，有少量的水泥砂漿粉末堆積在表面，但表面依然粗糙不平整。LC35組和LC40組表面較為平整，少部分砂漿脫落，陶粒骨料裸露較少，相對比較完整。

圖1 凍融循環(huán)后不同強度等級試件表面形態(tài)Fig.1 Surface form of the test piece at different strength levels after the freeze-thaw cycle

2.2 凍融循環(huán)后試件受壓破壞形態(tài)

在進行試件受壓破壞時，未凍融的試件見圖2。LC25組表現(xiàn)為兩側(cè)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載不斷增加，試件兩側(cè)部分直接斷開，試件中部出現(xiàn)較大裂縫，上下底面均不完整；LC30組同LC25組破壞形態(tài)相同但兩側(cè)并未脫離，中間有裂縫；LC35組破壞形態(tài)表現(xiàn)為八字形裂縫，試件受壓右側(cè)出現(xiàn)裂縫，隨后中間出現(xiàn)一條細裂縫，上下底面均較為完整；LC40組隨著荷載不斷增加，試件靠近邊緣部位出現(xiàn)裂縫，并未出現(xiàn)分離現(xiàn)象，當(dāng)荷載達到最大時，試件突然發(fā)生破壞，出現(xiàn)裂縫一側(cè)表面脫落。

圖2 凍融循環(huán)前不同強度等級試件破壞形態(tài)Fig.2 Destruction pattern of test pieces of different intensity levels before the freeze-thaw cycle

與未凍融的試件相比，凍融后的試件受壓破壞形態(tài)有明顯的差異(圖3)。LC25組和LC30組下底面直接發(fā)生破壞，破壞面處存在明顯的砂漿骨料脫離，殘留塊體表面也表現(xiàn)較為酥松，其內(nèi)部也出現(xiàn)了裂縫，試件內(nèi)部陶粒從中間斷開，發(fā)生脆性破壞；LC35組試件上下底面較為完整，其破壞形態(tài)呈對頂錐狀，試件內(nèi)部發(fā)生斷裂，出現(xiàn)少量裂紋；LC40組試件表面的水泥砂漿和陶粒掉落，內(nèi)部沒有太大裂紋。可見，經(jīng)過凍融循環(huán)后，陶粒混凝土內(nèi)部損壞的程度較為嚴重，初始裂縫經(jīng)過凍融不斷擴大導(dǎo)致產(chǎn)生新的裂縫，從而凍融循環(huán)后經(jīng)過壓載出現(xiàn)對頂錐狀。

圖3 凍融循環(huán)后不同強度等級試件破壞形態(tài)Fig.3 Destruction form of test pieces of different intensity levels after the freeze-thaw cycle

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 凍融后抗壓強度損失

對凍融循環(huán)次數(shù)達到設(shè)計的陶粒混凝土試件進行抗壓測定，分析抗壓強度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖4。

圖4 混凝土抗壓強度損失率與凍融循環(huán)關(guān)系Fig.4 Loss rate of concrete pressure strength is related to the freeze-thaw cycle

不同強度等級的陶粒混凝土抗壓損失規(guī)律與普通混凝土大致相同。在進行凍融循環(huán)作用后，強度等級越低，抗壓強度損失越大。在凍融初期，抗壓強度損失率增長較為緩慢，隨著次數(shù)的增加，試件的抗壓損失率逐漸增大。LC25組與LC30組在凍融45次前，其抗壓強度損失率差別不大，45次之后，損失率明顯增大，分別達到57.7%、51.34%。而LC40組試件，相比其他組增長較為緩慢，但依然達到34.95%。

3.2 凍融后動彈性模量損失

對達到相應(yīng)設(shè)計凍融循環(huán)次數(shù)的陶粒混凝土試件進行動彈性模量測定，得到動彈性模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖5。

圖5 混凝土動彈性模量損失率與凍融循環(huán)關(guān)系Fig.5 Loss rate of concrete dynamic elastic modulus is related to the freeze-thaw cycle

不同強度等級的陶粒混凝土動彈性模量損失與普通混凝土基本一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的動彈性模量損失率越大，在凍融循環(huán)初期，不同強度等級混凝土的損失率相差不大。在凍融30次后，各組試件的動彈性模量損失率差值變化比較明顯。在凍融循環(huán)60次后，LC25組試件的動彈性模量損失率增長最快，達到30%。LC30和LC35組試件動彈性模量損失率分別為25.9%、21.2%。LC40組試件，由于內(nèi)部更為緊密，其動彈性模量損失率為15.1%。經(jīng)過凍融循環(huán)后，混凝土內(nèi)部損傷的積累更容易導(dǎo)致低強度等級混凝土試件破壞。

3.3 凍融后破壞機理分析

在開始進行凍融循環(huán)前，試塊已進行4 d的浸泡，陶粒混凝土試件內(nèi)部處于水飽和狀態(tài)。隨著凍融循環(huán)機開始運行，內(nèi)部溫度逐漸降低，試件內(nèi)部空隙分布不均勻，靠近邊緣位置較大孔隙中的水先達到冰點而凍結(jié)并形成凍結(jié)鋒面，其他位置的孔隙水由于溫度梯度的作用向低溫凍結(jié)鋒面遷移，使混凝土外圍凍脹更加明顯，隨著凍結(jié)時間增加，凍結(jié)封面向試件中心位置遷移，但在此工程中孔隙水已經(jīng)遷移至試件外圍，試件內(nèi)部凍脹現(xiàn)象并不顯著。

凍融循環(huán)初期，表層有少量的脫落，有較為明顯的損傷。內(nèi)部孔隙逐漸增大，隨著溫度增高，陶粒混凝土除了在飽和之前存在的細小裂縫，在經(jīng)過反復(fù)高低溫循環(huán)后，產(chǎn)生新的毛細孔隙，這些裂縫在水融化后吸附少量水，不斷進行凍融循環(huán)，繼續(xù)吸水飽和，導(dǎo)致爆發(fā)出更多毛細孔隙。隨著次數(shù)的增加，砂漿基體被破壞，由于凍融前后的試塊均在水中浸泡且飽和，試塊內(nèi)部存在物理約束。陶粒混凝土表面的自由水由于凍融循環(huán)結(jié)晶膨脹，使得表層砂漿脫落，出現(xiàn)麻面，陶粒顯露出來。相比低強度等級，強度等級高的試塊表面的脫落現(xiàn)象不明顯。這是因為強度等級高的混凝土所用水泥量較大，產(chǎn)生水化產(chǎn)物較多，導(dǎo)致試件內(nèi)部的孔隙相對較少，混凝土內(nèi)部相對密實，使抗凍性得到提升。

3.4 陶粒混凝土抗壓強度衰減規(guī)律

圖6 混凝土相對動彈性模量與相對抗壓強度的關(guān)系Fig.6 Relationship between the relative dynamic elastic modulus of concrete and the phase-to-phase anti-pressure strength

表3 抗壓強度衰減相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

通過設(shè)計4組不同強度等級的陶粒混凝土試件，研究其在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓性能，得出以下結(jié)論：

1)凍融循環(huán)作用下，陶粒混凝土的抗壓強度和動彈性模量變化規(guī)律與普通混凝土基本一致，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，且強度等級越低，其降低速率越快。

2)凍融循環(huán)對低強度等級的陶粒混凝土破壞形式影響較大。由于凍融作用，隨著次數(shù)增加，陶粒混凝土內(nèi)部損傷的積累不斷增加，低強度等級的試件更容易被破壞，且破壞形式從內(nèi)到外。

3)凍融循環(huán)后，試件的相對抗壓強度與相對動彈性模量之間的相關(guān)性較好，相對動彈性模量與相對抗壓強度呈指數(shù)關(guān)系。