凍融循環(huán)對(duì)?；⒅楸厣皾{力學(xué)性能的影響

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 山西太原030024)

0 引言

在土木工程領(lǐng)域中，研究節(jié)能材料的耐久性能，可以減少建筑過(guò)早出現(xiàn)節(jié)能失效和結(jié)構(gòu)劣化的情況發(fā)生，從而對(duì)節(jié)約能源具有重要的意義[1]。因此，為了更好地推廣應(yīng)用玻化微珠保溫砂漿，其耐久性評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)不可或缺。

凍融循環(huán)作為影響建筑材料耐久性的重要因素之一，對(duì)墻體的保溫性能和承載力會(huì)產(chǎn)生不利的影響[2]。水泥砂漿、混凝土等水泥基材料，由于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，其抗凍性能也存在一些差異[3]。在水泥基材料凍融研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的探索，如：河海大學(xué)的肖婷等[4]學(xué)者對(duì)水泥基材料凍融破壞的機(jī)理和特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，混凝土凍融破壞比水泥砂漿和水泥凈漿更加嚴(yán)重；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的史建軍等[5-6]學(xué)者研究了凍融循環(huán)對(duì)聚合物水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)降低砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度；蘭州交通大學(xué)李建新[7]等學(xué)者研究了含氣量對(duì)水泥砂漿抗凍性能的影響，研究得出水泥砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響砂漿的抗凍性能。玻化微珠保溫砂漿作為一種常用的水泥基保溫材料，研究其耐久性顯得十分重要。太原理工大學(xué)相關(guān)學(xué)者[8-9]研究了?；⒅楸厣皾{凍融性能，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)降低了保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度。

作為系統(tǒng)研究的一部分，本文將采用宏觀和微觀結(jié)合的方法對(duì)?；⒅楸厣皾{材料在凍融作用下的基本力學(xué)性能和微觀物相特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)而揭示單因素凍融作用下玻化微珠保溫砂漿的劣化機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

①玻化微珠。

本試驗(yàn)中所用的?；⒅橛商伎七_(dá)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，其物理性能見(jiàn)表1。

表1 ?；⒅轭w粒的物理性能Tab.1 Physical properties of the particles of glazed hollow bead

②水泥。

水泥作為砂漿中主要的膠凝材料，本試驗(yàn)采用pH值為9.8～10.2的鋁酸鹽快硬水泥。

③纖維。

本試驗(yàn)選用聚丙烯纖維，其特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 聚丙烯纖維特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of polypropylene fiber

④膠粉。

試驗(yàn)所用膠粉為北京澳凱達(dá)化工科技有限公司生產(chǎn)的建筑增粘速溶膠粉，其理化指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 膠粉的理化指標(biāo)Tab.3 Physical and chemical indications of powder

⑤引氣劑。

為了改善砂漿的和易性以及砂漿內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，在?；⒅楸厣皾{中還添加了引氣劑。

試驗(yàn)所用玻化微珠保溫砂漿配合比為：水泥∶?；⒅椤媚z粉∶其他=0.47∶0.47∶0.05∶0.01。

1.2 試驗(yàn)方法

?；⒅楸厣皾{的抗凍試驗(yàn)以及凍融后的物理力學(xué)試驗(yàn)參照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》[10]中相應(yīng)的試驗(yàn)方法，力學(xué)性能指標(biāo)按照規(guī)范JG/T 283—2010《膨脹?；⒅檩p質(zhì)砂漿》[11]中規(guī)定選取。

抗凍融試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的保溫砂漿試塊。本試驗(yàn)選擇70 mm×70 mm×20 mm的水泥砂漿試塊作為基底，測(cè)試保溫砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。

試驗(yàn)所用儀器為CDR-3型混凝土快速凍融設(shè)備，測(cè)試保溫砂漿不同次凍融循環(huán)后的抗凍性能和力學(xué)性能變化。SEM電鏡掃描試驗(yàn)采用電子顯微鏡TM3000，該儀器拍攝的照片可以清楚的觀察出保溫砂漿在凍融循環(huán)前后的微觀形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表4為?；⒅楸厣皾{試件在不同凍融次數(shù)下的力學(xué)性能，由表可知：

表4 ?；⒅楸厣皾{凍融過(guò)程中力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of glazed hollow bead thermal insulation mortar mechanical properties during the process of freeze-thaw

注：括號(hào)中內(nèi)容為不同凍融次數(shù)的?；⒅楸厣皾{力學(xué)性能占未凍融時(shí)砂漿力學(xué)性能的百分比。

①?；⒅楸厣皾{的立方體抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)成線性關(guān)系，隨著凍融次數(shù)的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度減小。經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后，?；⒅楸厣皾{的抗壓強(qiáng)度為0.38 MPa，仍能滿足規(guī)范規(guī)定的砂漿強(qiáng)度。

②50次凍融循環(huán)之后，保溫砂漿的彈性模量降低了20 %。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，彈性模量逐漸減小，這表明?；⒅楸厣皾{內(nèi)部損傷越來(lái)越大，凍融循環(huán)對(duì)保溫砂漿造成了不可逆的應(yīng)變。

③在凍融循環(huán)的作用下，砂漿的壓折比、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。5～15次凍融循環(huán)區(qū)間內(nèi)壓折比降低幅度最顯著。經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)，抗折強(qiáng)度降低了22.2 %，而壓折比的下降比例為29.8 %。保溫砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)受到凍融循環(huán)的影響變得疏松，致使砂漿的抗壓強(qiáng)度降低。而保溫砂漿中添加的纖維、膠粉等成分，則會(huì)減緩保溫砂漿受到凍融破壞后抗折強(qiáng)度降低的幅度[12]，從而導(dǎo)致壓折比變小。

④保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸變小。經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)，保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度降低了34.3 %。?；⒅楸厣皾{中加入了可分散膠粉，在保溫砂漿的水化過(guò)程中，膠粉會(huì)在水泥漿體和?；⒅轭w粒之間的過(guò)渡區(qū)凝結(jié)成膜，致使二者的界面緊密牢固地結(jié)合在一起[13]；部分膠粉分散在水泥漿體中，膠粉聚合物會(huì)包裹在水泥水化產(chǎn)物周圍，大量被膠粉包裹的水泥水化產(chǎn)物分布在漿體中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，這種聚合物網(wǎng)絡(luò)可以提高硬化水泥的柔韌性；水泥水化產(chǎn)物和聚合物分子中的極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以形成較強(qiáng)的橋鍵作用[14]，改善水泥水化產(chǎn)物的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，減小保溫砂漿內(nèi)部的拉應(yīng)力，進(jìn)而減少水泥漿體中微裂紋的發(fā)生。所以可分散膠粉可以減緩凍融循環(huán)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響。

⑤凍融次數(shù)越多，保溫砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度越小，本試驗(yàn)中凍融循環(huán)50次后?；⒅楸厣皾{拉伸粘結(jié)強(qiáng)度是0.244 MPa，強(qiáng)度損失率達(dá)到28.2 %，仍能滿足規(guī)范對(duì)保溫砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最小值0.2 MPa的要求。玻化微珠保溫砂漿和水泥砂漿在材料組成上有較大區(qū)別，更容易在二者結(jié)合面處形成薄弱區(qū)，從而造成拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的降低[15]。另一點(diǎn)需要指出的是，通過(guò)增加凍融循環(huán)的次數(shù)，會(huì)導(dǎo)致砂漿的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，并且小于保溫砂漿和水泥砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，從而造成保溫砂漿的斷裂面上升。這一現(xiàn)象反映出保溫區(qū)域的薄弱區(qū)是保溫砂漿材料，而不在保溫砂漿與水泥砂漿的粘結(jié)面[16]。

綜上可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，保溫砂漿各種強(qiáng)度均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，并且抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)度損失率最大。凍融循環(huán)后保溫系統(tǒng)開(kāi)裂多數(shù)是因?yàn)閮鋈谧饔脮?huì)導(dǎo)致保溫砂漿內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)保溫砂漿內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度時(shí)，保溫系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此在保溫系統(tǒng)的抗凍設(shè)計(jì)中，要保證保溫砂漿具有一定的抗拉強(qiáng)度。

2.2 ?；⒅轭w粒在凍融循環(huán)后的變化情況

圖1為凍融作用下玻化微珠顆粒的變化，從圖中可以看出?；⒅轭w粒在掃描電子顯微鏡下是由不規(guī)則的團(tuán)狀土堆擠在一起形成的不規(guī)則的球狀空腔結(jié)構(gòu)。加入到保溫砂漿中的?；⒅椋瑫?huì)因?yàn)檎駬v、攪拌而破壞部分玻化微珠的空腔結(jié)構(gòu)。由圖1可知，凍融循環(huán)會(huì)加重?；⒅轭w粒的破壞，而且?；⒅轭w粒表面在凍融作用下有膨脹的趨勢(shì)。但是，玻化微珠的破損釋放出了一定的空間，在水凍結(jié)時(shí)可以在一定程度上緩解因膨脹壓力導(dǎo)致的保溫砂漿破壞。

圖1 凍融循環(huán)作用下?；⒅轭w粒的變化(×1 000倍)Fig.1 Change of glazed hollow beads under freeze-thaw cycles(×1 000 times)

2.3 水泥漿體在凍融循環(huán)后的變化情況

圖2為凍融作用下水泥漿體的變化，由圖得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，?；⒅楸厣皾{內(nèi)部水泥漿孔隙增多，孔徑變大，表面呈現(xiàn)出越來(lái)越疏松的狀態(tài)，連通的氣孔形成細(xì)微的通裂縫，而且裂縫越來(lái)越大。從照片得出?；⒅楸厣皾{在凍融循環(huán)的作用下氣泡的孔徑一般在10-7.5～10-4.5m，所以保溫砂漿內(nèi)部大孔和毛細(xì)孔居多，凝膠孔較少，而且大部分氣泡存在于水泥漿體內(nèi)，凍融作用下水泥漿體孔隙率、氣泡間隔系數(shù)的變化對(duì)?；⒅楸厣皾{強(qiáng)度的變化以及保溫隔熱性能的變化至關(guān)重要。由于水泥漿體各組成部分(例如Ca(OH)2、C—S—H膠體等化合物)主要是靠范德華力連接在一起，而分子、原子之間的距離在凍融作用下會(huì)變大，以致水分結(jié)冰后在靜水壓力和滲透壓力的聯(lián)合作用下造成范德華力的大幅度變?nèi)?。所以要提高玻化微珠保溫砂漿的抗凍耐久性能，就要重點(diǎn)改善保溫砂漿內(nèi)水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)。

圖2 凍融循環(huán)作用下水泥漿體的變化(×1 000倍)Fig.2 Change of cement mortar under freeze-thaw cycles(×1 000 times)

2.4 玻化微珠顆粒和水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)在凍融循環(huán)后的變化情況

在?；⒅楸厣皾{中玻化微珠顆粒被水泥漿體完全包裹，由于?；⒅轭w粒和水泥漿體的組成物質(zhì)差別很大，這就造成了?；⒅楹退酀{體的界面過(guò)渡區(qū)是整個(gè)保溫砂漿的薄弱區(qū)域。由圖3凍融循環(huán)后界面過(guò)渡區(qū)的變化可以看到，?；⒅轭w粒和水泥漿體之間有一層致密的白色薄膜，這是膠粉在保溫砂漿的水化過(guò)程中在水泥漿體和?；⒅轭w粒之間的過(guò)渡區(qū)凝結(jié)而成，可以讓兩者界面連接得更加牢固；少量分散在水泥漿體中的膠粉，可以在水泥水化物表面凝聚成致密且不溶于水的聚合物膜狀結(jié)構(gòu)，可以減小保溫砂漿在凍融作用下界面過(guò)渡區(qū)受到的損傷。

圖3 凍融循環(huán)后界面過(guò)渡區(qū)的變化(×3 000倍)Fig.3 Change of interface transition zone after freeze-thaw cycles(×3 000 times)

保溫砂漿凍融循環(huán)后微觀物相的研究表明：經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后的?；⒅楸厣皾{仍然具有良好的抗凍耐久性能。這是因?yàn)楸厣皾{中添加的?；⒅榫哂胁灰?guī)則空腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)?；⒅轭w粒破損時(shí)，能夠顯著減弱水分結(jié)冰形成的膨脹壓力對(duì)保溫砂漿造成的破壞，緩解保溫砂漿內(nèi)部的膨脹壓；保溫砂漿中添加的引氣劑，使砂漿內(nèi)部氣泡排列均勻且不連通成大氣泡，可以改善砂漿的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)保溫砂漿凍融循環(huán)后的宏觀和微觀狀態(tài)研究分析，得出以下結(jié)論：

①玻化微珠保溫砂漿有著良好的抗凍性能，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，保溫砂漿的力學(xué)性能均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但是依然滿足規(guī)范對(duì)保溫砂漿強(qiáng)度的要求；

②50次凍融循環(huán)后，保溫砂漿抗拉強(qiáng)度降低幅度最大，比凍融前降低了34.2 %，而拉伸粘結(jié)強(qiáng)度降低了28.2 %，彈性模量降低了20.2 %，立方體抗壓強(qiáng)度降低了21 %，壓折比降低29.76 %；

③凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致保溫砂漿內(nèi)部?；⒅轭w粒破損越來(lái)越嚴(yán)重，水泥漿體內(nèi)氣孔數(shù)量和孔徑增大，微裂縫的數(shù)量和寬度增加，?；⒅轭w粒和水泥漿體過(guò)渡區(qū)凍融破壞不明顯。