含水率與干濕循環對蒸壓輕質混凝土抗壓強度的影響

何 坤， 袁 璞*， 馬芹永， 王靜峰， 王 波， 沈萬玉

(1.安徽理工大學土木建筑學院， 淮南 232001； 2.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心， 淮南 232001；3.合肥工業大學土木與水利工程學院， 合肥 230009； 4.安徽富煌鋼構股份有限公司， 合肥 238076)

蒸壓輕質混凝土具有質量輕，保溫性能強，隔熱隔聲效果優良，抗震防火等優點，是一種多功能環保建筑材料。目前中外學者對蒸壓輕質混凝土的力學特性開展了大量研究，主要集中在超聲波檢測、含水率、單軸抗壓強度、動態性能、水化產物等特性。Masuzawa[1]通過正交試驗研究密度、尺寸、測距、含水率等因素，對蒸壓加氣混凝土波速的影響。王波等[2]通過單軸壓縮試驗加載應變率不同，發現應變速率與蒸壓加氣混凝土峰值應力呈正相關。王迪等[3]通過凍融試驗研究蒸壓加氣混凝土抗凍性能，得出隨凍融試驗次數增加，蒸壓加氣混凝土質量損失率與強度損失率均增大。袁璞等[4]借助分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)試驗裝置研究了沖擊荷載作用下輕質混凝土的吸能特性，發現沖擊桿速度與試件應變率有較強的線性相關性。不同密度等級的輕質混凝土隨著密度等級的增加，峰值應力、平臺應力和能量吸收都有顯著的提高，加載速率影響更大[5-6]。鮑夢燕等[7]借助掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)技術觀察了蒸壓加氣混凝土的微觀結構，得出晶須狀托勃莫來石能有效增強其耐高溫性能。李尉卿[8]通過對不同產地的蒸壓加氣混凝土進行干濕循環試驗，得出結論干濕循環會對試件進行二次養護，使試件強度增強。張金山等[9]通過工業廢渣制備蒸壓加氣混凝土，得到結論適當提高養護溫度和時間有利于托貝莫來石晶體的產生，使強度得到增加。

蒸壓輕質混凝土砌塊在生產、運輸、砌筑過程中含水率變化比較大，一般在室內放置一個月時間含水率能到15%，不能滿足規范含水率8%～12%之間要求?；炷梁尸F場一般用含水率檢測儀來檢測，檢測數據離散型大，不夠準確[10]。在長三角地區，蒸壓加氣混凝土在正常使用過程中，其內部的含濕量是動態變化的，夏季是3.34%～8.31%，冬季保持在3.47%左右[11]。

為此，開展不同含水率和干濕循環次數蒸壓輕質混凝土砌塊的單軸壓縮試驗，分析了含水率和干濕循環對抗壓強度與彈性模量的影響。探索水分影響強度的原因和規律，為蒸壓輕質混凝土的使用提供試驗依據。

1 試驗

1.1 原材料準備

蒸壓輕質混凝土孔隙率能達到60%到80%，內部含有大量的宏觀氣孔和毛細孔，均勻分布在材料內部，孔壁厚度遠小于氣孔直徑，使其整體密度和波阻抗均較低。試驗中用到的蒸壓輕質混凝土材料全都是從安徽富煌鋼結構有限公司直接運到試驗室，試塊尺寸為600 mm×240 mm×200 mm[圖1(a)]，強度等級A3.5，干密度等級B05，密度為600 kg/m3，出廠前達到《蒸壓加氣混凝土砌塊》(GB/T 11968—2006)[12]的要求。

圖1 試驗材料

1.2 試驗設計

將大砌塊取芯(垂直于發氣面)，然后截取成直徑100 mm、高50 mm的標準試件，通過打磨使其長度誤差在±1 mm以內，兩端面水平角度誤差不超過0.25°[圖1(b)]。試驗設計了8組不同含水率分別為0、5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%；7組不同干濕循環次數分別為0、5、10、15、20、25、30次，每組3個試件，在試件上方注明編號。若發現試件出現裂痕或瑕疵，直接舍棄該試件。試驗每組3個試塊，取每組結果平均值為試驗結果，如表1所示。

表1 試驗設計

1.2.1 不同含水率試驗設計

參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2008)[13]規定，先對試件做烘干處理。將試件放入烘風箱內，設定溫度65 ℃，放置24 h；隨后設定溫度為80 ℃，繼續放置24 h；最后將烘箱溫度設為105 ℃，干燥12 h。最后將試件取出，冷卻至室溫。隨后，在干燥試件上方噴入不同質量的水分進行控制含水率處理，并迅速用密封袋裝好，在干燥的環境下放置24 h，將試件上下翻轉，再放置24 h，使水分均勻分布在試件內部，進行單軸試驗和波速試驗。

1.2.2 不同干濕循環次數試驗設計

參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2008)[13]規定，先將試件進行烘干處理，然后將烘干結束的試件在室內放置20 min，再將試件放入到水中，水溫控制在15 ℃，水面浸沒試件至少30 mm，浸泡5 min。接著將試件從水中取出，放入在烘箱中，設定溫度為60 ℃，放置7 h，最后取出放在室內20 min。試件從放入水中浸泡5 min，烘箱60 ℃烘7 h，到在室內放置20 min為一個循環，每個循環時長7 h 25 min。將循環結束的試塊進行單軸壓縮試驗、SEM電鏡掃描和X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)試驗。

1.3 測試方法

1.3.1 超聲波無損檢測

超聲波測試試驗精度控制為±0.1 μs，具體操作如圖2所示。測量時，先在試件兩端涂上牙膏作為耦合劑，再將探頭抵住試件兩端，每個試件分別測量3次，取其平均值。

圖2 超聲波檢測儀

1.3.2 單軸壓縮試驗

萬能試驗機的加載速度0.6 mm/min，最大壓力為100 kN，試驗過程如圖3所示。該系統的量程與試驗所需的壓力值較為匹配，量測精度高。

圖3 試件加載裝樣圖

1.3.3 SEM電鏡掃描與X射線衍射試驗

試驗取少量干濕循環結束之后的試件，用無水乙醇浸泡24 h，使其終止水化反應，再將其放入真空干燥箱中烘干。部分試塊進行SEM電鏡掃描；剩下的試塊，碾成粉末狀，并用0.05 mm的篩網篩分，進行XRD試驗。試驗儀器采用安徽理工大學檢測中心的SEM電子顯微鏡和X射線衍射儀。

2 試驗結果與分析

2.1 不同含水率單軸壓縮試驗

2.1.1 蒸壓輕質混凝土砌塊應力-應變曲線

以含水率5%試件為例，將蒸壓輕質混凝土砌塊應變曲線分為5個階段圖4所示。

圖4 應力-應變曲線

(1)初始壓實階段(OA段)，與普通混凝土材料明顯不同，蒸壓輕質混凝土砌塊切線模量存在逐漸增大的過程，在剛開始接觸過程中存在一個初密實工作階段。

(2)彈性工作階段(AB段)，材料內部依靠孔壁的線彈性形變方式來承擔荷載，理論上來說卸載可以恢復形變。

(3)連續損傷階段(BC段)，試件的孔壁薄弱處發生應力集中現象，當孔壁的斷裂強度小于集中應力時，孔壁就會出現斷裂破壞，微裂紋隨之出現。

(4)損傷開裂階段(CD段)，應力在達到抗壓強度(C點)后，應力快速下降，微裂紋迅速擴展，導致試件開裂。

(5)平臺應力階段(DE段)，進入平臺段之后，試件的延性和變形能力將會大大增強。由于試件內部孔壁結構受壓破壞，繼續受壓會導致破壞面的孔隙閉合，試件產生變形減輕局部失穩狀態。平臺應力在峰值應力的50%～80%。

如表2所示，隨含水率的增加，峰值強度和彈性模量均逐漸降低，整個應力-應變曲線趨于平緩。因為在微觀孔結構中的水分承擔了部分力，并且降低材料脆性。與普通混凝土材料不同，蒸壓輕質混凝土材料在達到抗壓強度值后并沒有馬上發生破壞失效，而是仍然具備一定的承載能力。對于某些試件，強度甚至還會出現少許的回升。這都表明蒸壓輕質混凝土材料在壓縮載荷下具有明顯的延性特征，并隨著含水率增加，延性也有增強。

表2 單軸壓縮試驗結果

由表1可知，在含水率0狀態下，試件抗壓強度最高；由0增加到20%時，抗壓強度降低30%；由20%增加到50%時，抗壓強度僅降低5%。由文獻[14-15]可知，影響抗壓強度的主要因素為孔結構與孔壁特征。隨著水分的入侵，孔壁中毛細孔的毛細作用增強，使孔壁中質子之間的連接應力降低。當水分超過20%時，試件中充滿水分，孔壁連接力下降緩慢。因此，抗壓強度隨著含水率增加，呈先快速下降，后緩慢下降。 用冪指數函數進行擬合(圖5)。

圖5 含水率與抗壓強度的關系

將表1中抗壓強度與波速的數據進行擬合，可為現場通過波速快速判斷抗壓強度提供試驗依據(圖6)。擬合公式為

圖6 抗壓強度與波速之間的關系

fcc=38.75-0.04v0+1.25×10-5v02，R2=0.958

(1)

式(1)中：fcc為單軸抗壓強度，MPa；v0為波速，m/s。

由表1可知，隨著含水率增加，彈性模量逐漸下降。水分侵入氣孔結構，使氣孔中充滿水分；受壓時，水分被擠出孔壁，并吸收部分能量，導致曲線趨于平緩，彈性模量降低。波速隨含水率增加近似呈線性下降。超聲波主要沿蒸壓輕質混凝土結構內部孔壁傳播，隨含水率增加，孔壁質點之間連接力減弱，波速降低。

2.2 不同干濕循環次數單軸壓縮試驗

隨著干濕循環次數的增加，蒸壓輕質混凝土的抗壓強度和彈性模量先增加后下降(圖7)。干濕循環次數從0次增加到5次時，抗壓強度與彈性模量呈快速增加；增加到10次時，增加速率明顯減弱。這主要是因為在干濕循環試驗過程中，蒸壓輕質混凝土中的硅酸鹽物質被激發與水發生反應生成托貝莫來石，相當于給試件做“二次養護”，從而使抗壓強度得到增強。

圖7 干濕循環次數與抗壓強度和彈性模量的關系

蒸壓輕質混凝土水化機理：富含Ca的C-S-H→C-S-H凝膠→托貝莫來石，主要水化產物為托貝莫來石。通過XRD試驗分析可知(圖8)，蒸壓輕質混凝土中的晶相主要是由石英、C-S-H凝膠和托貝莫來石為主，石英除了發生反應之外，主要是作為骨料來支撐整個結構。隨著循環次數增加，石英衍射峰3.08 ?(1 ?=0.1 nm)和C-S-H凝膠衍射峰3.36、3.10、2.02 ?明顯降低，而托貝莫來石的衍射峰11.3 ?逐漸增強，反應了在試驗過程中水化反應一直在進行，使硅酸鹽物質轉化為托貝莫來石。在試件內壁中柳葉狀托貝莫來石容易形成網狀結構，尤其是在試件的微裂縫或者缺陷處，會形成大量托貝莫來石，作為填充材料，使得強度與彈性模量都有所增加。

圖8 不同干濕循環次數XRD衍射圖譜

干濕循環次數從10次增加到30次時，抗壓強度與彈性模量呈下降趨勢。蒸壓加氣混凝土材料由高溫高壓蒸汽養護而成，導致材料的干燥收縮值較大；而干濕循環由于溫度的不斷變化，水分不斷的遷入與輸出，容易產生干燥收縮應力，并在薄弱處發生應力集中，導致微裂縫的產生；同時干濕循環還會使原本試件內部的微裂縫發生延伸，孔壁結構發生破壞，最終導致強度降低。

因此，在干濕循環的過程中，由于“二次養護”導致試件強度和彈性模量呈先增加后降低的規律。水化反應隨著干濕循環次數增加而減弱，干燥收縮隨著干濕循環次數增加而加大。

2.3 蒸壓輕質混凝土的微觀形貌

圖9(a)～圖9(c)為蒸壓輕質混凝土的宏觀形貌和微觀形貌圖。圖9(a)為蒸壓輕質混凝土的宏觀形貌，由大量宏觀氣孔組成，各個氣孔相互獨立，氣孔多為不規則狀。圖9(b)為由氣孔內壁(右上角)和氣孔外壁組成，氣孔內壁主要是柳葉狀托貝莫來石和少量絮狀C-S-H凝膠。可以看出，托貝莫來石在孔壁內部呈網狀結構，嵌入在孔內壁中，使氣孔形成骨架結構[16]，從而大大增加了強度。骨架之間存在大量的毛細孔，這也是影響強度的因素之一。外壁主要由大量絮狀的C-S-H凝膠和部分托貝莫來石交錯在一起[17]，嵌入在外壁中[圖9(c)]?？梢钥吹?，在微觀結構中托貝莫來石主要集中在試件缺陷和裂縫處，充當補充材料，使結構更加穩定。

圖9 SEM圖像

干濕循環過程中，相當于對試件進行再次養護，孔壁中的絮狀C-S-H凝膠轉化為托貝莫來石，將原本孔壁中的缺陷補上，使孔壁更密實，從而增加強度。當水分入侵孔壁結構時，托貝莫來石形成的網狀骨架，會含有大量的水分，孔內壁中的毛細孔的毛細吸收作用增強，使孔壁的結構變得松散，導致強度下降。

3 結論

(1)蒸壓輕質混凝土的抗壓強度隨著含水率的增加，先快速下降，后逐漸趨于平緩。彈性模量變化規律與抗壓強度類似；波速與含水率呈線性下降關系。

(2)在干濕循環的過程中，由于“二次養護”導致試件強度和彈性模量呈先增加后降低的規律。水化反應隨著干濕循環次數增加而減弱，干燥收縮隨著干濕循環次數增加而加大。

(3)在SEM試驗中觀察到水化產物托貝莫來石在孔壁內部呈網狀結構，使氣孔內部形成骨架，孔壁中的絮狀C-S-H凝膠轉化為托貝莫來石，將原本孔壁中的缺陷補上，孔壁更密實使強度和彈性模量增加。