泡沫輕質(zhì)土抗凍性試驗研究★

李連志，楊士斌，潘 玲，王劍英，周憲偉

(1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050； 2.吉黑高速山河至哈爾濱段工程項目辦，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.黑龍江省公路工程造價管理總站，黑龍江 哈爾濱 150008)

1 概述

泡沫輕質(zhì)土亦稱泡沫混凝土，屬水泥基材料，是由發(fā)泡劑經(jīng)稀釋后產(chǎn)生的氣泡群與水泥、水及可選添加材料按一定配比經(jīng)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護而成的具有閉孔孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔混凝土[1-2]。由于其具有輕質(zhì)、高強、低滲透性、高耐久性等特點，多用于采空區(qū)填充、軟基處理、道路加寬、基坑及管線回填等工程中[3-4]。然而在季凍區(qū)，尤其是黑龍江省泡沫輕質(zhì)土?xí)簾o工程應(yīng)用實例，這主要是因為針對泡沫輕質(zhì)土的凍融破壞機理研究的尚不明確。

戴健對兩種配比的泡沫混凝土經(jīng)過300次凍融循環(huán)試驗后得出結(jié)論，抗壓強度在凍融過程中呈現(xiàn)出先減小后增大，而后又繼續(xù)減小的趨勢，最大值位于第150次。在第5次～10次凍融循環(huán)過程中，試樣的強度變化不大。自第150次凍融開始，每增加一級凍融次數(shù)，部分試塊均出現(xiàn)微小裂縫。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到300時，試樣殘余強度和抗壓強度逐漸下降，此時試樣出現(xiàn)大量裂縫，但未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，基本可滿足路用年限要求[5]。馮扣寶對同一配合比的泡沫混凝土進行凍融循環(huán)試驗，經(jīng)過6次凍融循環(huán)結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)了破壞，強度喪失，通過電子顯微鏡觀測統(tǒng)計后認(rèn)為，凍融破壞過程實質(zhì)是泡沫混凝土孔壁的凍融破壞過程，也就是孔壁內(nèi)的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)由初始的密實狀態(tài)經(jīng)凍融循環(huán)后轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷蔂顟B(tài)，同時孔壁裂縫的增多與發(fā)展，促使了泡沫混凝土的破壞[6]。這樣顯著的差異，使泡沫混凝土的凍融破壞機理及凍融環(huán)境下的工程應(yīng)對策略的研究具有實際意義，為泡沫混凝土在季凍區(qū)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

本文配制的泡沫輕質(zhì)土進行了浸水飽和凍融循環(huán)試驗，并通過凍融循環(huán)前后的質(zhì)量及強度變化，電鏡照片比對等，給出了泡沫輕質(zhì)土凍融破壞機理，并據(jù)此提出了泡沫輕質(zhì)土在季凍區(qū)的工程應(yīng)用對策，具有一定的實用價值。

2 試驗方案

2.1 試件制備

目前，泡沫輕質(zhì)土主要應(yīng)用于回填工程中，依據(jù)工程類型和回填部位的不同，泡沫輕質(zhì)土的重度可在4 kN/m3～14 kN/m3，對應(yīng)的強度范圍在0.8 MPa～5 MPa[7]，本試驗采用表1所列的原材料，針對路基回填用泡沫輕質(zhì)土分別配制了強度為0.8 MPa，無摻合料和摻加礦粉的兩種試件，制備成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，進行凍融循環(huán)試驗，具體配合比見表2。

表1 原材料

表2 泡沫輕質(zhì)土配合比

2.2 試驗方案及儀器設(shè)備

為探究泡沫輕質(zhì)土凍融循環(huán)破壞機理，試驗關(guān)注浸水飽和后，試件的質(zhì)量和強度變化。具體如下：

1)測定試件的初始質(zhì)量及抗壓強度；

2)測定試件浸水72 h，飽和后的質(zhì)量及抗壓強度；

3)本次試驗凍融循環(huán)溫度范圍設(shè)定為-20 ℃～20 ℃，每次循環(huán)的時間設(shè)定為4 h；

4)每5次凍融循環(huán)后，測定試件的質(zhì)量；

5)凍融至預(yù)定循環(huán)次數(shù)后，測定抗壓強度；

6)取壓碎后試件表面殘片，進行電子顯微鏡分析凍融前后的孔隙結(jié)構(gòu)變化。

3 試驗結(jié)果

3.1 質(zhì)量與強度變化

按照預(yù)定試驗方案，進行10次凍融循環(huán)后部分試件出現(xiàn)嚴(yán)重破損，完全喪失強度，且與是否摻加礦粉無關(guān)，如圖1所示。

剔除破損嚴(yán)重，完全喪失強度的試件，最終完成50次凍融循環(huán)，得出凍融循環(huán)與試件的質(zhì)量和強度的變化關(guān)系，如圖2，圖3所示。

從圖4中可以看出，泡沫輕質(zhì)土經(jīng)凍融循環(huán)后，試件雖然出現(xiàn)了掉角、破損等情況，但是質(zhì)量變化并無規(guī)律可循，強度變化呈現(xiàn)出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小的趨勢，凍融循環(huán)前泡沫輕質(zhì)土在0.5%應(yīng)變前屬彈性變形階段，進入塑性變形后很快進入破壞階段，屬脆性破壞；50次凍融循環(huán)后泡沫輕質(zhì)土在1%應(yīng)變前屬彈性變形階段，進入塑性變形階段后持續(xù)達到4%的應(yīng)變后進入破壞階段，表現(xiàn)出類似塑性破壞的特點。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)變化

為了順利觀測泡沫輕質(zhì)土的孔隙結(jié)構(gòu)特征，首先須將被觀測試件進行導(dǎo)電處理，本試驗采用ETD-2000型離子濺射儀將壓碎后試件表面殘片進行噴鍍金處理，然后采用JEOL JSM-6510A分析型掃描電子顯微鏡對凍融循環(huán)前后進行不同倍率的觀測，如圖5，圖6所示。

圖6是泡沫輕質(zhì)土經(jīng)20次凍融循環(huán)后，同一孔隙不同放大倍率的電鏡照片，圖6中清晰可見凍融循環(huán)后孔隙內(nèi)部發(fā)育出了新的裂隙。

4 破壞機理分析

與混凝土的凍融循環(huán)試驗不同[8]，泡沫輕質(zhì)土經(jīng)凍融循環(huán)后質(zhì)量變化并無規(guī)律可循，而抗壓強度是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加急劇降低的，結(jié)合質(zhì)量與抗壓強度的變化，加之通過電子顯微鏡對凍融前后的孔隙結(jié)構(gòu)變化，分析認(rèn)為泡沫輕質(zhì)土的凍融破壞主要是物理破壞，破壞特征也從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，泡沫輕質(zhì)土是具有閉孔孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔材料，在飽水狀態(tài)下，表面和部分開放孔隙中充滿水，當(dāng)溫度達到負溫以下，此部分孔隙水凍結(jié)，體積膨脹，使孔壁受壓，由于材料自身強度不大，在此壓力的作用下出現(xiàn)局部開裂，形成裂隙，增加了孔隙之間的聯(lián)系，使試件內(nèi)部原本封閉的孔隙與外部開放孔隙連通，當(dāng)溫度增加至0 ℃以上，水將沿此裂隙向試件內(nèi)部滲透，當(dāng)溫度再次達到負溫以下，孔隙水繼續(xù)凍結(jié)，裂隙繼續(xù)發(fā)育，周而復(fù)始，泡沫輕質(zhì)土由表及里形成大量連通的破裂面，最終發(fā)生掉角、剝蝕破壞，強度逐漸降低。同時，泡沫輕質(zhì)土的制備和澆筑的均勻性與連續(xù)性對試件的整體強度影響較大，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)，部分試件出現(xiàn)嚴(yán)重剝蝕破壞，完全喪失強度，極有可能是因為在試件成型時其內(nèi)部既有較多的連通孔隙，從而導(dǎo)致在較少的凍融循環(huán)次數(shù)就出現(xiàn)了破壞的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

泡沫輕質(zhì)土在飽水凍融循環(huán)后較易破壞，通過對泡沫輕質(zhì)土凍融破壞機理的分析可見，抑制周圍水對泡沫輕質(zhì)土的滲透，可大大降低泡沫輕質(zhì)土的抗凍融性。因此，在季凍區(qū)路基回填結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可通過合理地設(shè)計排水溝或布置排水管把融水迅速排除，防止融水滲入是很有必要的；同時在填充體銜接面處應(yīng)加鋪防滲土工膜或防水卷材等隔水材料，防止地下水或融化水滲入泡沫輕質(zhì)土，對延長泡沫輕質(zhì)土的使用壽命極為有利。