凍融循環下青磚砌體結構性損傷的演化規律

河南建筑職業技術學院建筑系,河南 鄭州 450064

青磚砌體是黏土經過高溫燒制而形成的一種古老的建筑材料。青磚材料具有抗壓強度高、質地堅硬、施工方便和造價低廉等優點，并且可根據設計強度、耐久性要求和地方材料供應情況進行相應調整，既對不同建筑工程有很好的的適用性，又可以充分利用當地的黏土原材料，在我國不同地區的應用十分廣泛[1-4]。近年來，我國廣大農村地區和城市園林的道路大量和采用青磚砌體進行建設，這大大拓寬了青磚材料的應用范圍。然而，在使用過程中發現，我國北方地區以青磚砌體為材料的道路出現翻漿冒泥、不均勻沉降和變形隆起等工程問題時有發生，給經濟造成巨大的損失。這些病害的發生不僅與青磚材料的本身性質有關，也與北方地區的氣候條件有重要關聯[5]。

由于低溫環境影響，使得凍融循環作用對寒冷地區的青磚材料產生明顯的損傷效應，嚴重地影響了相關地區磚砌道路路面在服役期間的工程穩定性[6,7]。凍融損傷程度對青磚材料的強度指標和細微觀結構特點有十分重要的影響[8]。青磚材料是一種由黏土燒制而成的多孔介質材料，具有豐富的孔隙結構，容易受地下水作用和季節性凍融循環作用的影響[9]。研究青磚材料結構特征與強度指標受凍融循環的影響規律，對于相關道路路面的設計和施工有重要現實意義，針對青磚材料受凍結和融化過程的損傷現象，大量學者進行了理論與試驗研究，并取得了一系列成果。例如：孫磊與湯永凈[10]對反復凍融循環過程中的古磚砌體試樣開展軸心抗壓強度測試，分析了凍融循環作用對其軸心抗壓強度、彈性模量和超聲波波速之間的關系進行了研究。余國星和谷雨[11]基于力學測試論證了養護條件與凍融循環次數對再生瀝青磚砌材料的力學性能和質量損失率的影響特點。Liu 等[12]對水泥磚和石膏磚砌體材料分別進行壓縮強度測試，分析了凍融循環作用對材料的力學特性的減弱規律，并討論了兩種外摻材料的改性機理。

本文以青磚砌體材料為研究對象,利用軸心抗壓強度測試與核磁共振試驗獲取了青磚材料的力學參數和孔隙分布特征，同時分析了青磚材料在凍融過程中的損傷演化機理，旨在為進一步了解青磚砌體材料的性能提供參考。

1 試驗材料

1.1 試驗原材料

本文所用的試驗土體材料為粉質黏土，取樣點為山東省威海市一處二級公路沿線邊坡。采用的粉土樣品顏色呈灰褐色，經過XRD 衍射試驗，發現本試驗采用黏土礦物成分包括伊利石(44.1%)、蒙脫石(39.2%)，石英(8.1%)與斜長石(4.4%)和斜長石（4.2%）。該黏土的天然含水率為17.2%，干密度為1.34 g/cm3，土樣在天然狀態下的含水率為17.2%、滲透系數為2.34×10-6cm/s，土體的塑限為22.9%，液限為56.8%，材料的塑性指數為33.9。采用顆粒篩分法進行黏土的顆粒分布含量測定，從曲線中得到不均勻系數Cu為2.12，曲率系數Cc為0.88，表明該黏土的級配比較良好，適宜作為青磚燒制的原材料。

進行青磚燒制時，在黏土中摻入一定量的硅酸鹽水泥進行強度的提升，本研究的設計水泥摻量為5%。水泥采用威海市東海水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥進行青磚材料的制備,水泥級別為32.5 級，水泥顆粒比表面積為333.5 m2/kg，養護28 d 的實測立方體抗壓強度為34.5 Mpa。

圖1 黏土的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of silty soil

表1 黏土的基本物理性質指標Table 1 The basic physical properties of clay

1.2 青磚材料的制備

本文主要對象是青磚砌體材料，制備過程如下：首先稱量適量的黏土，放在常溫條件下進行風干，用研缽碾碎并過0.75 mm 的標準篩，去除雜質后保證黏土的均質性；再稱量黏土質量5%比例的硅酸鹽水泥進行混合，并保證物料混合均勻；在混合料中加入自來水，并用水泥砂漿攪拌鍋進行均勻拌和，自來水的質量為固體物料總質量的18%；最后采用分層擊實的方法成型，青磚試樣為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件。成型完成后將青磚試樣放在實驗室的環境中進行28 d 時間的標準養護，得到青磚砌體材料的標準試件。

1.3 凍融循環處理

本研究參照《砌墻磚試驗方法》GB/T2542-2012 的凍融處理操作方法，對青磚砌體試件開展凍融循環試驗。利用SFT-20 II 型溫度控制箱進行多次凍融循環的處理。首先，將青磚砌體材料試樣放入溫控箱；設置環境溫度為-20 ℃，開啟多向凍結功能的開關，采用低溫凍結48 h；然后，將溫控箱的溫度設置為20 ℃，在常溫融解48 h；通過不斷重復上述操作達到凍融循環的效果。本試驗對青磚材料的試樣共進行0～50 次凍融循環，分別對0、10、20、30 和50 次循環后的青磚砌體試樣進行軸心壓縮試驗、核磁共振掃描和掃描電子顯微鏡測試。

2 試驗結果

2.1 軸心抗壓強度測試

實驗利用力學加載萬能測試系統對青磚材料立方體試樣的試樣開展軸心抗壓強度的力學測試，共進行三組力學試驗，采用15 個立方體試件，最后取各組試件的平均值作為試驗的結果。試驗過程中的壓縮荷載的加壓速率設為0.05 MPa/s，實驗得到了經過0、10、20、30 和50 次凍融循環處理試樣的軸心抗壓強度Q和彈性模量E，結果如圖2 所示。

從軸心壓縮測試的結果可以看出：在壓縮荷載的作用下，不同凍融循環次數的試樣的強度和彈性模量存在明顯差異。從圖2 可以看出隨著凍融循環次數的增加，青磚材料試樣的軸心抗壓強度不斷減小，經過50 次凍融循環后，青磚的軸心抗壓強度由16 MPa 左右下降至7.5 MPa 左右，下降幅度為53.13%。另外，在0～10 次凍融循環之間時，青磚砌體樣品的軸心抗壓強度的減小幅度相比后期循環的下降幅度要明顯大很多，說明青磚材料在從0 次到10 次凍融循環過程中的軸心強度損失最顯著。由力學測試還獲得了彈性模量指標，青磚砌體材料的彈性模量E與軸心抗壓強度Q在凍融循環過程中保持類似的變化趨勢，兩者均隨凍融循環的次數增加而下降，且在整體上和凍融循環次數保持冪指數的變化關系。在30～50 次凍融循環過程中的材料力學性能指標幾乎不變，說明凍融循環作用對青磚砌體材料的結構損傷效應在凍融循環后期逐漸趨于穩定。

圖2 凍融循環過程中材料的軸心抗壓強度Fig.2 Axial compressive strength during freeze-thaw cycles

圖3 力學性能指標與凍融循環次數的關系Fig.3 Relationship between cycles and strength index

2.2 核磁共振測試

使用低場強核磁共振掃描儀對經歷不同凍融循環次數后的青磚砌體材料進行微觀結構測試。核磁共振掃描原理是在較低的強度磁場中，提供探測材料孔隙中的氫原子核磁信號，以測量材料孔隙的弛豫時間T2 分布曲線，根據T2 分布曲線研究材料孔隙的分布特征，信號強度的大小表示對應孔隙的數量[13]。本文分析了經過0～50 次凍融循環后青磚試樣的T2 分布曲線。從圖4 可以看出：各組青磚砌體材料試樣的T2 曲線均存在3 個明顯的峰值，左峰對應材料內部的小孔，中峰表示材料內部的中孔，右峰表示材料內部的大孔。另外，可以看出隨著凍融循環次數的增加，青磚砌體材料的T2曲線形式有明顯的變化。總體上，表示中孔和大孔的中峰與右峰的幅值越來越大。根據此變化規律可以看出，青磚材料內部小孔比例逐漸下降，而大孔和中孔的比例逐漸增大。

在反復凍融循環過程中，青磚材料試樣的T2分布曲線覆蓋區域的面積（峰面積）是表征材料總孔隙體積的定量指標。通過計算不同凍融循環次數下青磚材料的T2曲線峰面積，可以對材料的孔隙分布的變化規律進行量化分析。由計算得到的T2分布曲線譜面積與凍融循環次數的分布曲線如圖5所示，可以看出隨著循環次數逐漸增加，峰面積不斷增大，且其增長速率保持先快后慢的變化規律，此現象與強度測試得到的規律恰好相反。由核磁共振測試結果還可以看出，相對于常用的其它微觀結構觀測析方法，核磁掃描雖然不可以直觀的觀察到材料內部結構的變化，但是能夠提供材料孔隙分布的定量探測結果[14]。

圖4 凍融循環過程中核磁共振T2 分布結果Fig.4 T2 distribution curves with different freeze-thaw cycles

圖5 T2 峰面積與凍融循環次數的關系曲線Fig.5 Relationship between cycles and spectrum areas

2.3 力學性質與孔隙分布的關系

通過核磁共振掃描結果求證了材料力學特性與結構特性的關系，發現青磚材料內部孔隙分布的定量參數，即T2曲線的峰面積隨凍融循環次數的增加而逐漸上升，且上升速率先快后慢。與此同時，青磚砌體的軸心抗壓強度隨凍融循環次數增加逐漸減小，減小速率先快后慢。因此，建立了0～50 次凍融循環過程中青磚砌體材料抗壓強度與峰面積的數學關系模型，并以圖6 的曲線分析兩者的關系。

圖6 T2 峰面積與軸心抗壓強度的關系曲線Fig.6 Relationship between axial compressive strength and spectrum areas

從圖6 可以看出青磚材料的軸心抗壓強度與峰面積保持良好的直線關系，兩者的確定性系數R2大于0.99，且軸心抗壓強度值隨峰面積值的增加而下降。力學指標與孔隙分布指標的相關現象說明了凍融循環過程擴大了青磚材料內部的孔隙規模，同時也引起青磚材料軸心抗壓強度劣化程度逐漸上升。該現象體現了青磚砌體材料的宏觀力學參數和結構損傷效應保持了較好的同步性，體現了核磁共振掃描技術對于材料結構探測良好的可信度[15]。

2.4 凍融損傷的微觀機理分析

圖7 凍融循環過程中材料的SEM 圖Fig.7 SEM images of samples after different freezing and thawing cycles

對反復凍融循環過程中的青磚砌體材料損傷演化特征進行掃描電子顯微鏡（SEM）試驗，結果如圖7 所示。在放大800 倍的圖像中，可以看出經歷0 次凍融循環的青磚材料內部的顆粒的排列較為緊密，水泥膠結作用在黏土顆粒之間形成了良好的凝膠結果。隨著凍融循環過程的進行，青磚材料內部的孔結構產生了明顯的變化。具體表現為：黏土顆粒間以水泥膠結物變得越來越疏松，同時粗顆粒間的接觸關系由初始時的面-面接觸逐漸轉換呈面-邊接觸。青磚材料內部的結構微觀形態變化主要是由于反復的凍融循環作用使材料內部的膠結物不斷發生分解、流失，在材料內部形成了微觀缺陷。并且，在反復凍結和融解過程中，材料孔隙內部的液態水和凍結水相態反復發生改變，導致青磚內部孔隙始終處于微觀膨脹力作用中，表現為青磚材料內部孔隙結構逐漸擴張。

青磚砌體材料的微觀形態受凍融循環作用發生明顯的變化，最直觀的表現就是微觀缺陷的增加，水泥膠結物的分解使得孔隙不斷增大，降低了青磚材料顆粒間的致密程度，從而導致抗壓強度的減小。通過掃描電子顯微鏡圖像觀測到的微觀形態變化特征與核磁共振T2曲線變化規律及抗壓強度衰減的規律相互印證，說明反復凍融循環作用對青磚材料的結構損傷體現為宏觀力學性能的衰變和孔隙結構的擴張，也說明微觀缺陷的發展是力學性能演化的內在原因[16]。

3 結論

（1）通過對經過0、10、20、30 和50 次凍融循環的青磚砌體材料試樣開展軸心抗壓強度測試，發現在荷載作用下青磚材料試樣的抗壓強度、彈性模量均與凍融循環次數保持冪指數的變化特征；

（2）根據核磁共振試驗得到的T2分布曲線，發現隨著凍融循環次數增加，青磚材料內部結構中的孔隙尺寸與規模逐漸增大，T2曲線的峰面積與軸心抗壓強度值呈負相關的線性關系；

（3）根據對掃描電子顯微鏡圖像的觀測，發現由于反復凍融循環作用，導致青磚砌體材料的內部膠結物含量逐漸減少，伴隨著粗顆粒間接觸關系的改變，材料結構的致密程度明顯下降，說明微觀缺陷增加是導致力學性能演化的根本原因。