干濕循環(huán)作用下泡沫混凝土耐久性試驗研究

譚炯

(湖南恒利建筑工程有限公司，湖南 長沙 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)和營運的全過程，其對路用泡沫混凝土耐久性的影響越來越受人們的重視[1?2]。已有研究表明：干濕循環(huán)作用促進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。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[3]等人對泡沫混凝土在干濕循環(huán)條件下的變化規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明：泡沫混凝土強度具有較好的穩(wěn)定性，甚至?xí)猩仙anjian[4?5]等人分別設(shè)計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)交替試驗中，研究了干燥時間對混凝土制品劣化深度的影響。高原[7]等人模擬了不同強度等級的混凝土試件，在干濕循環(huán)作用下的相對濕度和自由變形特性。這些成果主要針對一般干濕交替作用下，對混凝土試件進行研究，對于大溫差干濕交替作用對路用泡沫混凝土性能影響的研究鮮見。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，作者擬進行室內(nèi)大溫差干濕循環(huán)試驗，研究混凝土試件的強度特性和吸水率，以期為實際工程提供理論支持。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本次實驗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。本次試驗所配成的路用泡沫混凝土28 d 無側(cè)限抗壓強度不小于0.8 MPa，設(shè)計密度為600 kg/m3。為保證所制作的泡沫混凝土符合強度和密度的要求，本實驗通過計算和試配，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)計流動度、水泥、水及泡沫劑設(shè)計值分別為600 kg/m3、180 mm、350 kg、210 kg、677.1 L，28 d 無側(cè)限抗壓強度＞0.8 MPa。本次試驗試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，配制的路用泡沫混凝土現(xiàn)場澆筑制作試塊，保證試塊原料與實際工程的一致性。試模先清理潔凈。再涂刷脫模劑，底部脫模孔用紙片覆蓋防漏。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)部無大氣泡滯留。為防止路用泡沫混凝土干縮，試件制作時，澆筑高度高于模口，待終凝脫模前，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28 d。

1.2 試驗工況及流程

1.2.1 試驗工況

為了模擬大溫差干濕交替試驗，共制作了 7組，每組3 個試塊，為防止試驗中試塊的意外損壞，共準(zhǔn)備25 個試塊。試驗過程中，先將試塊烘干至恒重，再按設(shè)定的大溫差干濕交替進行試驗。試驗進行了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，測定試塊5 min 的吸水量和無側(cè)限抗壓強度。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 試驗流程

按照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法(GB/T 11969—2008)》的規(guī)定，將養(yǎng)護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行濕循環(huán)，省去室內(nèi)冷卻的過程。并且為了加速試驗進程，適當(dāng)延長了試塊的烘干時間，烘干時間為8,16 h 交替進行。當(dāng)?shù)竭_預(yù)期干濕交替次數(shù)時，為保證試塊徹底烘干，將試塊烘干24 h。烘干時間分別為8,16,8,16,24 h。具體試驗方案如圖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

試驗過程中，對第1 組3 個試塊的吸水量進行測定，取3 個試塊測定結(jié)果的平均值作為試驗結(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，達到飽和吸水量的50%以上，其原因是因為在將試塊徹底烘干過程中，泡沫混凝土在熱脹作用下，出現(xiàn)一定程度的開裂，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，會嚴(yán)重影響其輕質(zhì)性，也影響其設(shè)計時自重的取值。

一個大循環(huán)大溫差干濕交替試驗過程中，第1組試樣吸水量的變化趨勢如圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著干濕交替次數(shù)的增加，在相同的浸水時間(5 min)內(nèi)，試塊吸水量有明顯的上升趨勢。從最初50%的吸水量150 g(飽和吸水量按300 g 計算)，當(dāng)大溫差干濕交替進行了一個大循環(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。這是因為試塊的裂縫發(fā)展集中在第一個大循環(huán)期間，所以僅管會有裂縫繼續(xù)發(fā)展，還由于第一個大循環(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路用泡沫混凝土的各項性能均有顯著的影響。混凝土中的空隙主要分為凝膠孔、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 模型進行計算。

孔隙率(包括毛細(xì)孔和宏觀大孔)：

式中：v為設(shè)計密度，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：

本次試驗中路用泡沫混凝土設(shè)計密度為0.6 g/cm3，水灰比為0.6，根據(jù)文獻[8]~[9]，水化程度取為0.8。由式(1)～(3)計算可得，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)吸水量試驗結(jié)果可知，路用泡沫混凝土單個試塊飽和吸水量達到了 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程中，除了毛細(xì)孔吸水外，有部分宏觀大孔也參與了儲水。

2.2 強度試驗

當(dāng)試驗進行到第4 次干濕交替后，有2 個試塊出現(xiàn)貫穿裂縫，裂為兩瓣。進行到第6 次干濕交替時，另有1 個試塊，因出現(xiàn)貫穿裂縫，也裂為兩瓣。為研究試塊裂開后對其強度的影響，將裂開試塊烘干到恒重后，進行強度測試。試驗分為2 種工況進行，工況一：裂縫平行于受壓面；工況二：裂縫垂直于受壓面。試驗結(jié)果表明：裂縫的存在對試塊強度影響不大。其工況一，試塊無側(cè)限抗壓強度為1.05 MPa，工況二中試塊無側(cè)限抗壓強度為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。雖然斷開試塊在整體抗壓方面，仍具有一定的強度，但在偏心受壓情況下，將會完全失效。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 個試塊出現(xiàn)貫穿裂縫，而剩余的25 個試塊均未出現(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，均測定路用泡沫混凝土的無側(cè)限抗壓強度。以每組3 個試塊的平均強度值作為結(jié)果，試驗結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，大溫差干濕交替并沒有明顯影響路用泡沫混凝土的抗壓強度，與養(yǎng)護28 d 后的(圖4 中0 次大溫差干濕循環(huán)試驗所得強度)相比，整個35 次大溫差干濕循環(huán)試驗中，路用泡沫混凝土強度上下浮動為10%。因此，試塊制作過程中，排除路用泡沫混凝土試塊強度正常浮動帶來的影響外，可認(rèn)為路用泡沫混凝土強度未有降低現(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)象作為在實際環(huán)境中影響道路工程安全的重要因素之一。通過干濕循環(huán)試驗，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) 大溫差干濕交替對路用泡沫混凝土的無側(cè)限抗壓強度影響不明顯，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 吸水量會明顯上升，但對其無側(cè)限抗壓強度沒有明顯的影響。因此，吸水量的增加，路用泡沫混凝土設(shè)計時，自重荷載取值的增大，影響后期沉降計算。