干濕循環(huán)作用下泡沫混凝土耐久性試驗(yàn)研究

譚炯

(湖南恒利建筑工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

泡沫混凝土作為一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)，在道路建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。干濕交替作為一種自然現(xiàn)象，作用于道路建設(shè)和營(yíng)運(yùn)的全過(guò)程，其對(duì)路用泡沫混凝土耐久性的影響越來(lái)越受人們的重視[1?2]。已有研究表明：干濕循環(huán)作用促進(jìn)侵蝕性離子侵入混凝土制品的速度，加速了混凝土材料的損傷和劣化。目前，干濕循環(huán)作用下，路用泡沫混凝土性能影響的研究主要為室內(nèi)試驗(yàn)。在室內(nèi)模擬自然環(huán)境條件下的干濕交替現(xiàn)象。顧歡達(dá)[3]等人對(duì)泡沫混凝土在干濕循環(huán)條件下的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：泡沫混凝土強(qiáng)度具有較好的穩(wěn)定性，甚至?xí)猩仙?。Ganjian[4?5]等人分別設(shè)計(jì)了不同的干濕交替循環(huán)環(huán)境，模擬相應(yīng)的干濕交替條件下混凝土的性能。龐超明[6]等人在干濕循環(huán)交替試驗(yàn)中，研究了干燥時(shí)間對(duì)混凝土制品劣化深度的影響。高原[7]等人模擬了不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試件，在干濕循環(huán)作用下的相對(duì)濕度和自由變形特性。這些成果主要針對(duì)一般干濕交替作用下，對(duì)混凝土試件進(jìn)行研究，對(duì)于大溫差干濕交替作用對(duì)路用泡沫混凝土性能影響的研究鮮見(jiàn)。夏季高溫多雨，道路常受雨水的浸濕，路面溫度從20 ℃～70 ℃間交替循環(huán)，屬于大溫差的干濕交替現(xiàn)象。因此，作者擬進(jìn)行室內(nèi)大溫差干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究混凝土試件的強(qiáng)度特性和吸水率，以期為實(shí)際工程提供理論支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)所選用的原材料均符合《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 341—2014)》的要求，水泥選用42.5 普通硅酸鹽水泥；泡沫劑的選用依據(jù)《泡沫混凝土(JG/T 266—2011)》要求，選用HT 復(fù)合發(fā)泡劑；水采用自來(lái)水并符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)(JG/J 63—2006)》的規(guī)定。本次試驗(yàn)所配成的路用泡沫混凝土28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa，設(shè)計(jì)密度為600 kg/m3。為保證所制作的泡沫混凝土符合強(qiáng)度和密度的要求，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算和試配，確定泡沫混凝土的配合比和各組成的具體用量，其密度、設(shè)計(jì)流動(dòng)度、水泥、水及泡沫劑設(shè)計(jì)值分別為600 kg/m3、180 mm、350 kg、210 kg、677.1 L，28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度＞0.8 MPa。本次試驗(yàn)試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，配制的路用泡沫混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑制作試塊，保證試塊原料與實(shí)際工程的一致性。試模先清理潔凈。再涂刷脫模劑，底部脫?？子眉埰采w防漏。然后澆筑路用泡沫混凝土，邊澆筑邊輕輕敲擊試模，使得試塊內(nèi)部無(wú)大氣泡滯留。為防止路用泡沫混凝土干縮，試件制作時(shí)，澆筑高度高于?？冢K凝脫模前，用刀刮平。最后試塊澆筑完成 30 h 后脫模，置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2 試驗(yàn)工況及流程

1.2.1 試驗(yàn)工況

為了模擬大溫差干濕交替試驗(yàn)，共制作了 7組，每組3 個(gè)試塊，為防止試驗(yàn)中試塊的意外損壞，共準(zhǔn)備25 個(gè)試塊。試驗(yàn)過(guò)程中，先將試塊烘干至恒重，再按設(shè)定的大溫差干濕交替進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行了7 次大循環(huán)，一次大循環(huán)包括5 次大溫差干濕交替。在每次大循環(huán)之后，測(cè)定試塊5 min 的吸水量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。每次大溫差干濕交替均記錄試塊表面裂縫情況，裂縫觀察以肉眼觀察為主。

1.2.2 試驗(yàn)流程

按照《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法(GB/T 11969—2008)》的規(guī)定，將養(yǎng)護(hù)28 d 的混凝土試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，設(shè)置溫度為(60±5) ℃，先烘干。再將每組試塊放在溫度為(20±5) ℃的室內(nèi)，冷卻 20 min。然后放入恒溫為(20±5) ℃的水箱內(nèi)，水高出試件上表面 30 mm，保持5 min 后，取出放在室內(nèi)晾干30 min。最后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，(60±5) ℃下烘干 7 h。此過(guò)程為一次干濕循環(huán)。

為模擬大溫差干濕交替的作用，將試塊從烘箱中取出之后，直接放入恒溫水箱中進(jìn)行濕循環(huán)，省去室內(nèi)冷卻的過(guò)程。并且為了加速試驗(yàn)進(jìn)程，適當(dāng)延長(zhǎng)了試塊的烘干時(shí)間，烘干時(shí)間為8,16 h 交替進(jìn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)期干濕交替次數(shù)時(shí)，為保證試塊徹底烘干，將試塊烘干24 h。烘干時(shí)間分別為8,16,8,16,24 h。具體試驗(yàn)方案如圖1 所示。

圖1 大溫差干濕交替循環(huán)示意Fig.1 Schematic diagram of large temperature difference drying-wetting cycle

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 吸水量及孔結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 吸水量

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)第1 組3 個(gè)試塊的吸水量進(jìn)行測(cè)定，取3 個(gè)試塊測(cè)定結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出，初始試塊質(zhì)量為413.37 g，試塊飽和后質(zhì)量為716.28 g，可得到飽和吸水量為302.91 g 左右。裂縫試塊浸水時(shí)間5 min后，試件質(zhì)量為573.30 g，可得試塊吸水量為159.93 g，達(dá)到飽和吸水量的50%以上，其原因是因?yàn)樵趯⒃噳K徹底烘干過(guò)程中，泡沫混凝土在熱脹作用下，出現(xiàn)一定程度的開(kāi)裂，破壞了泡沫混凝土完整的氣泡結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生了微裂縫，導(dǎo)致試塊吸水量的增加。使用期間，泡沫混凝土吸水量的增加，會(huì)嚴(yán)重影響其輕質(zhì)性，也影響其設(shè)計(jì)時(shí)自重的取值。

一個(gè)大循環(huán)大溫差干濕交替試驗(yàn)過(guò)程中，第1組試樣吸水量的變化趨勢(shì)如圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著干濕交替次數(shù)的增加，在相同的浸水時(shí)間(5 min)內(nèi)，試塊吸水量有明顯的上升趨勢(shì)。從最初50%的吸水量150 g(飽和吸水量按300 g 計(jì)算)，當(dāng)大溫差干濕交替進(jìn)行了一個(gè)大循環(huán)后，試塊吸水量上升至63%，吸水量有所增加，但增加速率明顯變緩。這是因?yàn)樵噳K的裂縫發(fā)展集中在第一個(gè)大循環(huán)期間，所以?xún)H管會(huì)有裂縫繼續(xù)發(fā)展，還由于第一個(gè)大循環(huán)期間發(fā)展的裂縫，使得試塊在大溫差作用下，已有一定的緩沖作用，因此后續(xù)裂縫發(fā)展減緩。

圖2 試塊質(zhì)量與浸水時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between water absorption and soaking time of specimen

圖3 試塊吸水量與大溫差干濕交替次數(shù)關(guān)系Fig.3 The relationship between the water absorption of the specimen and the times of drying-wetting alternation with large temperature difference

2.1.2 孔結(jié)構(gòu)分析

路用泡沫混凝土作為一種多孔材料，其孔隙率及孔徑分布對(duì)路用泡沫混凝土的各項(xiàng)性能均有顯著的影響?；炷林械目障吨饕譃槟z孔、毛細(xì)孔、宏觀大孔及氣泡。其中，影響路用泡沫混凝土耐久性的主要孔隙為毛細(xì)孔和氣泡。由于其主要以水泥作為原料，因此可以根據(jù) T.C.Powers 模型進(jìn)行計(jì)算。

孔隙率(包括毛細(xì)孔和宏觀大孔)：

式中：v為設(shè)計(jì)密度，g/cm3；α為水化程度；vt為總體積，cm3；vp為孔隙體積，cm3。

毛細(xì)孔體積率：

式中：vcp為毛細(xì)孔體積，m3；ω0為實(shí)際用水量，g；c為水泥的質(zhì)量，為水灰比。

宏觀大孔體積率：

本次試驗(yàn)中路用泡沫混凝土設(shè)計(jì)密度為0.6 g/cm3，水灰比為0.6，根據(jù)文獻(xiàn)[8]~[9]，水化程度取為0.8。由式(1)～(3)計(jì)算可得，路用泡沫混凝土孔隙率為24%，毛細(xì)孔隙率為 33%，宏觀大孔體積率為21%。根據(jù)吸水量試驗(yàn)結(jié)果可知，路用泡沫混凝土單個(gè)試塊飽和吸水量達(dá)到了 300 g，為300 cm3，占試塊體積的30%。表明：在路用泡沫混凝土吸水過(guò)程中，除了毛細(xì)孔吸水外，有部分宏觀大孔也參與了儲(chǔ)水。

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第4 次干濕交替后，有2 個(gè)試塊出現(xiàn)貫穿裂縫，裂為兩瓣。進(jìn)行到第6 次干濕交替時(shí)，另有1 個(gè)試塊，因出現(xiàn)貫穿裂縫，也裂為兩瓣。為研究試塊裂開(kāi)后對(duì)其強(qiáng)度的影響，將裂開(kāi)試塊烘干到恒重后，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)分為2 種工況進(jìn)行，工況一：裂縫平行于受壓面；工況二：裂縫垂直于受壓面。試驗(yàn)結(jié)果表明：裂縫的存在對(duì)試塊強(qiáng)度影響不大。其工況一，試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.05 MPa，工況二中試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.09 MPa。這主要是由于試塊雖裂為兩瓣，但由于其體積大且具有較好的整體性，因此，可以抗壓。但在實(shí)際工程中，路用泡沫混凝土一旦發(fā)生貫穿裂縫，應(yīng)視為完全失效。雖然斷開(kāi)試塊在整體抗壓方面，仍具有一定的強(qiáng)度，但在偏心受壓情況下，將會(huì)完全失效。在大溫差干濕循環(huán)作用下，由于泡沫混凝土屬于水泥制品，因此，在熱脹冷縮作用下，極易產(chǎn)生裂縫，且裂縫深度較大。其中，只有2 個(gè)試塊出現(xiàn)貫穿裂縫，而剩余的25 個(gè)試塊均未出現(xiàn)貫穿裂縫，但表面有1 mm 左右寬度的裂縫出現(xiàn)，且裂縫深度普遍小于5 mm。

每一次大溫差干濕循環(huán)之后，均測(cè)定路用泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。以每組3 個(gè)試塊的平均強(qiáng)度值作為結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，大溫差干濕交替并沒(méi)有明顯影響路用泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，與養(yǎng)護(hù)28 d 后的(圖4 中0 次大溫差干濕循環(huán)試驗(yàn)所得強(qiáng)度)相比，整個(gè)35 次大溫差干濕循環(huán)試驗(yàn)中，路用泡沫混凝土強(qiáng)度上下浮動(dòng)為10%。因此，試塊制作過(guò)程中，排除路用泡沫混凝土試塊強(qiáng)度正常浮動(dòng)帶來(lái)的影響外，可認(rèn)為路用泡沫混凝土強(qiáng)度未有降低現(xiàn)象。

圖4 試塊大溫差干濕交替次數(shù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 Diagram of the relationship between drying-wetting alternation times and the compressive strength of specimen in large temperature difference

3 結(jié)論

大溫差干濕交替現(xiàn)象作為在實(shí)際環(huán)境中影響道路工程安全的重要因素之一。通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)，分析路用泡沫混凝土的力學(xué)性能和材料特性，得到結(jié)論為：

1) 在大溫差干濕交替作用下，路用泡沫混凝土極易發(fā)生裂縫，甚至貫穿裂縫，導(dǎo)致路用泡沫混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

2) 大溫差干濕交替對(duì)路用泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不明顯，即35 次大溫差干濕交替后，路用泡沫混凝土強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯的變化。

3) 路用泡沫混凝土裂縫的出現(xiàn)，導(dǎo)致其吸水速率加快，5 min 吸水量會(huì)明顯上升，但對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響。因此，吸水量的增加，路用泡沫混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，自重荷載取值的增大，影響后期沉降計(jì)算。