凍融循環(huán)后陶粒混凝土砌塊在典型加載方式下的變形和破壞特征試驗(yàn)研究

畢曉茜，于洋，李雁，張志軍，呂芳禮

（徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇徐州 221000）

普通輕質(zhì)混凝土砌塊由于具有輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在乃至未來(lái)新型墻體材料的主要發(fā)展產(chǎn)品之一[1-2]。但是從另一方面分析，由于其表觀密度較低，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也較低，大大限制了在建筑工程中的使用范圍。利用污泥生產(chǎn)陶粒是對(duì)有害資源的合理化利用，污泥陶粒還具有密度低、筒壓強(qiáng)度高、孔隙率大、抗堿集料反應(yīng)等特點(diǎn)。將污泥陶粒加入到普通輕質(zhì)混凝土中作為骨料，彌補(bǔ)了普通輕質(zhì)混凝土砌塊的一些不足。近年來(lái)也得到了較廣泛的應(yīng)用，制成的輕質(zhì)多孔型污泥陶?；炷疗鰤K，抗壓強(qiáng)度能達(dá)到7 MPa以上。但是，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的要求。相關(guān)調(diào)查顯示，我國(guó)超過(guò)50%的大型工程都受到不同程度的凍融破壞。我國(guó)的東北地區(qū)是凍融破壞主要地區(qū)，建筑物受到凍融破壞也最為嚴(yán)重。污泥陶粒混凝土砌塊作為砌筑墻體的自承重材料[3-5]，如何提升該材料的耐久性，成為了制約污泥陶?；炷疗鰤K的發(fā)展的因素之一。因此對(duì)污泥陶?；炷疗鰤K在凍融環(huán)境下性能穩(wěn)定性進(jìn)行研究十分必要。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5水泥，其技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的技術(shù)性能

粉煤灰：Ⅱ級(jí)，徐州銅山柳新電廠，45 μm方孔篩篩余20%。由于其具有火山灰活性，能與水泥水化過(guò)程中Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成堅(jiān)固的火山灰物質(zhì)，可以有效增強(qiáng)混凝土砌塊的耐久性。其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)

泡沫劑：松香型液體泡沫劑，河南鄭州科雷普化工有限公司，固含量48%～52%，pH值6～7。

污泥陶粒：浙江鼎盛陶粒建材廠生產(chǎn)，密度等級(jí)500級(jí)，粒徑3～5 mm。污泥陶粒是通過(guò)在陶粒燒制基料中加入適量污泥后進(jìn)行一系列燒制流程制成的高強(qiáng)陶粒，有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，可以有效改良混凝土砌塊的綜合性能。其主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 陶粒的主要化學(xué)成分 %

1.2 污泥陶?；炷疗鰤K的制備

污泥陶?；炷疗鰤K是以水泥、粉煤灰、水、泡沫劑等原料按1∶0.3∶0.35∶0.002配比配制成漿液，然后加入體積比不小于40%的污泥陶粒，經(jīng)震動(dòng)成型、切割、蒸壓養(yǎng)護(hù)、拆模等工序后制成的輕質(zhì)混凝土砌塊。

1.3 試驗(yàn)儀器

KDS60型凍融試驗(yàn)箱：南京安奈試驗(yàn)設(shè)備有限公司；101-2型恒溫干燥箱：無(wú)錫建儀；CMT5305電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：美特斯（深圳）有限公司；電子磅秤（感應(yīng)量1 g）：廣東博佳衡器；VEGA3-XMU型掃描電子顯微鏡（SEM）：捷克泰思肯公司。

1.4 循環(huán)制度

將制成的污泥陶粒輕質(zhì)混凝土砌塊進(jìn)行切割，將待凍融試塊放進(jìn)電熱鼓風(fēng)干燥箱，在55～65 ℃下保溫24 h，然后在75～85 ℃下保溫24 h，再在100～110 ℃下烘干到質(zhì)量恒定。

拿出試塊冷卻至室溫，立即稱取質(zhì)量，浸入15～25 ℃水中，水面高出試塊30 mm，保持48 h。

取出試塊，用濕布抹去表面水分，放入預(yù)先降溫至-15 ℃以下的冷凍室，試樣間的間距不小于20 mm，溫度降至-18 ℃開(kāi)始記錄時(shí)間。在-18～-22 ℃下凍6 h取出，放入15～25 ℃水槽中，融化5 h作為1次凍融循環(huán)，以此類推凍融到相應(yīng)次數(shù)。

共5組試塊，每組3個(gè)試塊，第1組為對(duì)照組，編號(hào)為D1-1、D1-2、D1-3凍融次數(shù)為0。第2組～第5組為凍融循環(huán)后不同速度加載實(shí)驗(yàn)組，編號(hào)為S2-1、S2-2、S2-3～S5-1、S5-2、S5-3，S2組和S3組凍融5次，S4組和S5組凍融15次。

1.5 試驗(yàn)內(nèi)容

依據(jù)GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》，對(duì)不同試塊進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的凍融循環(huán)，計(jì)算不同情況凍融后的質(zhì)量損失。進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，S2組和S4組施加常規(guī)恒定荷載2.5 mm/min，S3組和S5組施加慢速荷載0.05 mm/min，加載過(guò)程中觀察曲線變化特征和破壞特點(diǎn)，記錄破壞壓力P。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融對(duì)試塊質(zhì)量和強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表4）

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)后各組試件的質(zhì)量損失率和破壞荷載

2.2 試樣力學(xué)特征和破壞形式分析

試驗(yàn)機(jī)和加載裝置見(jiàn)圖1?？箟涸囼?yàn)常規(guī)速度和慢速加載試塊的典型加載過(guò)程見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 試驗(yàn)機(jī)和加載裝置

圖2 加載試塊的典型加載過(guò)程（5次凍融循環(huán)后）

圖3 加載試塊的典型加載過(guò)程（15次凍融循環(huán)后）

從圖2、圖3可以看出：

（1）相同凍融循環(huán)次數(shù)后，常規(guī)速度和慢速加載相比，常規(guī)速度加載時(shí)曲線發(fā)展的速度較快，到達(dá)峰值后迅速下行，說(shuō)明材料一旦達(dá)到臨界力，之后的破壞是比較快速劇烈的。從慢速的角度看，因加載速度較慢，破壞的發(fā)展沒(méi)有那么劇烈。就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“臺(tái)階”狀態(tài)，形成一定的相持[6]。類似材料的徐變過(guò)程。從材料應(yīng)用的角度分析，慢速加載與實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景更加的接近。

（2）相同加載速度下，隨著凍融次數(shù)的增加，破壞荷載減小，凍融對(duì)材料抗壓性能的影響較大。5次凍融后慢速加載狀態(tài)下和15次凍融后慢速加載狀態(tài)下，峰值后表現(xiàn)的“臺(tái)階”狀態(tài)有比較大的差異。15次凍融后的慢速相持階段反而較長(zhǎng)，可以推斷，凍融對(duì)材料的抵抗壓力的極限值雖然有消極影響，但是卻延緩了材料極限狀態(tài)下向劇烈破壞的發(fā)展。

未凍融的對(duì)照組在施加壓力前，試塊整體比較完整，隨著壓力的增大，開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)裂紋，之后隨著裂紋的擴(kuò)展、形成連通裂紋，隨著連通裂紋的發(fā)展，抗壓能力劇烈下降，最后破壞。如圖4所示。

圖4 未凍融組試塊的破壞形態(tài)

凍融組的試塊在施加壓力前，因?yàn)閮鋈诘淖饔?，使得試塊表面發(fā)生剝蝕，有些位置出現(xiàn)局部的缺棱現(xiàn)象。缺棱的試塊在施加壓力時(shí)，往往會(huì)在缺棱的位置發(fā)生集中應(yīng)力，引起試塊局部的抗壓力急速下降，導(dǎo)致試驗(yàn)停止。因此中間位置裂紋的發(fā)展還沒(méi)有達(dá)到未凍融試塊的程度就已經(jīng)破壞了。如圖5所示。

圖5 凍融試塊的破壞形態(tài)

不同加載速率下，材料的破壞形態(tài)差距不大。因慢速加載時(shí)間較長(zhǎng)，材料內(nèi)部的細(xì)小裂紋在這因一時(shí)期內(nèi)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，因此慢速加載下更容易出現(xiàn)“臺(tái)階”現(xiàn)象，主要承受剪切破壞作用，長(zhǎng)時(shí)間的加載也充分地加劇材料的細(xì)小破壞，因此后期慢速的試塊破壞則相對(duì)徹底。常規(guī)速度加載不僅存在剪切破壞同時(shí)還有劈裂破壞，相對(duì)慢速發(fā)展較快。部分位置還未產(chǎn)生作用，就因?yàn)槠渌恢玫膭×易兓?，試塊產(chǎn)生破壞。如圖6所示。

圖6 不同加載方式試樣的破壞形態(tài)

2.3 SEM分析

為了更好地反應(yīng)凍融和加載方式對(duì)陶粒砌塊的影響，進(jìn)行SEM測(cè)試，凍融前后微觀形貌見(jiàn)圖7，不同次數(shù)凍融循環(huán)后試塊的微觀形貌見(jiàn)圖8，不同加載速率下材料的微觀形貌變化見(jiàn)圖9。

圖7 凍融前后試樣的微觀形貌

從圖7可以看出，在凍融5次后材料微觀形貌上已經(jīng)產(chǎn)生了些許的裂紋，未凍融試塊的陶粒清晰可見(jiàn)且周圍形貌致密，凍融后陶粒剝蝕位置形貌有比較明顯的變化。有部分表面出現(xiàn)絮狀物，表明外表面因凍融產(chǎn)生部分“粉化”[7-8]。

圖8 不同凍融次數(shù)對(duì)試樣微觀形貌的影響

從圖8可以看出，5次凍融后的裂紋相對(duì)15次凍融后產(chǎn)生的裂紋明顯較小。15次凍融后試塊裂紋明顯較大較深。在凍融的早期，部分位置受凍后就產(chǎn)生裂紋，但部分裂紋隨著凍脹的消失會(huì)自行恢復(fù)，只有部分位置產(chǎn)生不可逆的縫隙。但隨著凍融次數(shù)的增加，不可逆裂紋增多，再次受到凍脹作用。裂紋變大變深。加之受到外力作用，薄弱位置產(chǎn)生破壞的可能性較大。

圖9 不同加載方式對(duì)試樣微觀形貌的影響

從圖9可以看出，對(duì)于常規(guī)單軸加載，微裂紋隨著加載的進(jìn)行不斷擴(kuò)展，最后連通，試樣的內(nèi)部變形還未來(lái)及穩(wěn)定，應(yīng)力就已經(jīng)增加到使其破壞。因此微觀形貌上，常規(guī)的加載方式，裂紋連通更加充分。相比較而言，慢速加載過(guò)程中，隨著應(yīng)力的增加，也會(huì)產(chǎn)生細(xì)裂紋，但因加載速度較慢，裂紋有較多的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，發(fā)生比較充分的滑移和錯(cuò)位，類似微觀上的“微粒重組”[9]。部分裂紋在重組過(guò)程中減小或者消失，因此慢速加載過(guò)程中，裂紋的深度和廣度沒(méi)有常規(guī)加載那么大。

3 結(jié)論

（1）凍融作用對(duì)陶?；炷疗鰤K的破壞形態(tài)影響較大，因凍融產(chǎn)生的局部剝蝕和缺棱等現(xiàn)象，使得部分試塊的抗壓破壞荷載降低較多。經(jīng)15次凍融后破壞荷載下降了接近30%。這與陶粒砌塊多孔的特點(diǎn)也有直接的關(guān)系。

（2）不同加載速率下，材料的破壞形態(tài)差距不大。慢速加載下更容易出現(xiàn)“臺(tái)階”現(xiàn)象，主要承受剪切破壞作用。常規(guī)速度加載不僅存在剪切破壞，同時(shí)還有劈裂破壞，相對(duì)比慢速加載發(fā)展較快。部分位置還未產(chǎn)生作用，就因?yàn)槠渌恢玫膭×易兓瘜?dǎo)致試塊產(chǎn)生破壞。

（3）微觀形貌上，常規(guī)的加載方式，裂紋連通更加充分。但因加載速度較慢，裂紋有較多的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，發(fā)生比較充分的滑移和錯(cuò)位，類似微觀上的“微粒重組”。部分裂紋在重組過(guò)程中減小或者消失，因此慢速加載過(guò)程中，裂紋的深度和廣度相對(duì)較小。

（4）陶粒砌塊凍融后，長(zhǎng)期慢速負(fù)荷因表象裂紋發(fā)展沒(méi)有那么明顯，更需要警惕突然的破壞，對(duì)實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義。