凍融循環作用下陶粒混凝土抗壓性能研究

袁立月，陳克政，彭 飛，付翼博，孫劍飛，*，丁 琳，*

(1.黑龍江大學 a.水利電力學院；b.建筑工程學院，哈爾濱 150080；2.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

0 引 言

凍融作用是混凝土抗凍性以及力學性能發生退化的重要原因之一[1]。在我國北方寒區，建筑物經常遭受凍融破壞，引起骨料與膠凝材料的之間黏結破壞，導致混凝土的耐久性能和力學性能發生變化，最終引起混凝土力學性能的下降[2]。尋求一種輕質耐久性好、抗凍性強的建筑材料尤為重要，而陶粒混凝土作為一種輕質新型建筑材料，具有保溫、隔熱、耐火等優點[3-4]，可滿足我國寒區對建筑材料的要求。

針對陶粒混凝土，國內外學者對其力學性能和凍融循環后的損傷破壞開展了相關研究。在力學性能方面，研究了陶粒粒徑及級配[5-6]、粗骨料的預濕方式[7-8]、添加不同類型的纖維等方式[9-12]，對陶粒混凝土抗壓強度的影響，并對抗壓強度與彈性模量等關系進行了回歸分析[13]。耐久性能方面，通過在凍融循環作用下，研究不同濃度的鹽溶液[14]、不同凍融循環次數以及不同凍融循環溫度對其耐久性的影響[15-17]，并建立凍融損傷模型，分析試件內部損傷程度。王立成等[18]通過試驗，系統分析了定側壓下粉煤灰陶粒混凝土雙軸壓極限強度和變形性能隨凍融循環次數和側壓應力水平的變化規律。杭美艷等[19]通過試驗研究結果表明，輕骨料混凝土的導熱性能比同強度等級的普通混凝土好，但其抗折強度、抗凍性能相對較差。

本實驗研究了4種不同強度等級的陶粒混凝土在凍融作用下抗壓性能、動彈性模量、表面形態以及破壞特征。并建立了相對抗壓強度與相對動彈性模量之間的關系式。

1 試驗概況

1.1 試驗原料

選取亞太集團生產的天鵝牌P·O 42.5復合硅酸鹽水泥；細骨料為天然河砂，表觀密度為2 510 kg·m-3，含泥率為1.9%；粉煤灰采用黑龍江火電公司的Ⅰ級粉煤灰；外加劑為聚羧酸高性能減水劑；試驗用水為哈爾濱市自來水；粗骨料為輕質黏土陶粒，其性能指標見表1。

表1 黏土陶粒性能指標

1.2 試驗配合比

根據JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規程》和文獻[19]。進行陶粒混凝土配合比設計，見表2。

表2 陶粒混凝土配合比

1.3 試驗設備

試驗所采用的凍融裝置為CDR-5型快速凍融機；采用進口MTS電液伺服萬能液壓試驗機進行抗壓強度試驗；采用北京康科瑞非金屬超聲檢測分析儀器儀測量動彈性模量。

1.4 試驗制作

本次試驗設計了4組100 mm×100 mm×100 mm的陶粒混凝土試塊，其強度等級分別為LC25、LC30、LC35、LC40，每組分別在0、15、30、45、60次下進行凍融循環。根據GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測定凍融循環后每組試塊的抗壓強度。通過設計4組100 mm×100 mm×400 mm的陶粒混凝土試塊，測定經過凍融循環后的質量損失和動彈性模量損失以及抗壓強度損失，利用試塊的動彈性模量損失反映陶粒混凝土內部的損壞機理。

試驗進行前，將陶粒預濕24 h。進行攪拌時，先將陶粒和沙子、膠凝材料進行干攪，使之充分混合均勻，水分兩次加入，分別攪拌60 s和120 s。采用人工邊插邊搗法裝入模具，在室溫下養護24 h后進行脫模，脫模后送入標準養護室養護。在養護第24天時取出，放入(20±2)℃的水中浸泡96 h，使其內部水處于飽和狀態。將制備好的陶粒混凝土放入凍融循環機中，凍融溫度設為-20～15 ℃，測定相應凍融次數后的質量、抗壓強度以及動彈性模量。

2 試驗現象

2.1 凍融循環后試件表面形態

以凍融60次后的試件為例，其破壞形態見圖1，與未凍融的試件相比，凍融后的試塊表面均有明顯砂漿脫落現象。其中膠凝材料較少的LC25組陶粒混凝土表面脫落現象最為嚴重，試件表面存在明顯的砂漿骨料脫離現象并堆積著脫落后的水泥砂漿粉末，陶粒骨料裸露，出現麻面現象，邊緣部位缺失比較嚴重。隨著強度等級的增加，LC30組試件表面水泥砂漿的脫落有所減少，有少量的水泥砂漿粉末堆積在表面，但表面依然粗糙不平整。LC35組和LC40組表面較為平整，少部分砂漿脫落，陶粒骨料裸露較少，相對比較完整。

圖1 凍融循環后不同強度等級試件表面形態Fig.1 Surface form of the test piece at different strength levels after the freeze-thaw cycle

2.2 凍融循環后試件受壓破壞形態

在進行試件受壓破壞時，未凍融的試件見圖2。LC25組表現為兩側出現裂縫，隨著荷載不斷增加，試件兩側部分直接斷開，試件中部出現較大裂縫，上下底面均不完整；LC30組同LC25組破壞形態相同但兩側并未脫離，中間有裂縫；LC35組破壞形態表現為八字形裂縫，試件受壓右側出現裂縫，隨后中間出現一條細裂縫，上下底面均較為完整；LC40組隨著荷載不斷增加，試件靠近邊緣部位出現裂縫，并未出現分離現象，當荷載達到最大時，試件突然發生破壞，出現裂縫一側表面脫落。

圖2 凍融循環前不同強度等級試件破壞形態Fig.2 Destruction pattern of test pieces of different intensity levels before the freeze-thaw cycle

與未凍融的試件相比，凍融后的試件受壓破壞形態有明顯的差異(圖3)。LC25組和LC30組下底面直接發生破壞，破壞面處存在明顯的砂漿骨料脫離，殘留塊體表面也表現較為酥松，其內部也出現了裂縫，試件內部陶粒從中間斷開，發生脆性破壞；LC35組試件上下底面較為完整，其破壞形態呈對頂錐狀，試件內部發生斷裂，出現少量裂紋；LC40組試件表面的水泥砂漿和陶粒掉落，內部沒有太大裂紋。可見，經過凍融循環后，陶粒混凝土內部損壞的程度較為嚴重，初始裂縫經過凍融不斷擴大導致產生新的裂縫，從而凍融循環后經過壓載出現對頂錐狀。

圖3 凍融循環后不同強度等級試件破壞形態Fig.3 Destruction form of test pieces of different intensity levels after the freeze-thaw cycle

3 試驗結果及其分析

3.1 凍融后抗壓強度損失

對凍融循環次數達到設計的陶粒混凝土試件進行抗壓測定，分析抗壓強度損失率與凍融循環次數的關系見圖4。

圖4 混凝土抗壓強度損失率與凍融循環關系Fig.4 Loss rate of concrete pressure strength is related to the freeze-thaw cycle

不同強度等級的陶粒混凝土抗壓損失規律與普通混凝土大致相同。在進行凍融循環作用后，強度等級越低，抗壓強度損失越大。在凍融初期，抗壓強度損失率增長較為緩慢，隨著次數的增加，試件的抗壓損失率逐漸增大。LC25組與LC30組在凍融45次前，其抗壓強度損失率差別不大，45次之后，損失率明顯增大，分別達到57.7%、51.34%。而LC40組試件，相比其他組增長較為緩慢，但依然達到34.95%。

3.2 凍融后動彈性模量損失

對達到相應設計凍融循環次數的陶粒混凝土試件進行動彈性模量測定，得到動彈性模量損失率與凍融循環次數的關系見圖5。

圖5 混凝土動彈性模量損失率與凍融循環關系Fig.5 Loss rate of concrete dynamic elastic modulus is related to the freeze-thaw cycle

不同強度等級的陶粒混凝土動彈性模量損失與普通混凝土基本一致。隨著凍融循環次數的增加，混凝土的動彈性模量損失率越大，在凍融循環初期，不同強度等級混凝土的損失率相差不大。在凍融30次后，各組試件的動彈性模量損失率差值變化比較明顯。在凍融循環60次后，LC25組試件的動彈性模量損失率增長最快，達到30%。LC30和LC35組試件動彈性模量損失率分別為25.9%、21.2%。LC40組試件，由于內部更為緊密，其動彈性模量損失率為15.1%。經過凍融循環后，混凝土內部損傷的積累更容易導致低強度等級混凝土試件破壞。

3.3 凍融后破壞機理分析

在開始進行凍融循環前，試塊已進行4 d的浸泡，陶粒混凝土試件內部處于水飽和狀態。隨著凍融循環機開始運行，內部溫度逐漸降低，試件內部空隙分布不均勻，靠近邊緣位置較大孔隙中的水先達到冰點而凍結并形成凍結鋒面，其他位置的孔隙水由于溫度梯度的作用向低溫凍結鋒面遷移，使混凝土外圍凍脹更加明顯，隨著凍結時間增加，凍結封面向試件中心位置遷移，但在此工程中孔隙水已經遷移至試件外圍，試件內部凍脹現象并不顯著。

凍融循環初期，表層有少量的脫落，有較為明顯的損傷。內部孔隙逐漸增大，隨著溫度增高，陶粒混凝土除了在飽和之前存在的細小裂縫，在經過反復高低溫循環后，產生新的毛細孔隙，這些裂縫在水融化后吸附少量水，不斷進行凍融循環，繼續吸水飽和，導致爆發出更多毛細孔隙。隨著次數的增加，砂漿基體被破壞，由于凍融前后的試塊均在水中浸泡且飽和，試塊內部存在物理約束。陶粒混凝土表面的自由水由于凍融循環結晶膨脹，使得表層砂漿脫落，出現麻面，陶粒顯露出來。相比低強度等級，強度等級高的試塊表面的脫落現象不明顯。這是因為強度等級高的混凝土所用水泥量較大，產生水化產物較多，導致試件內部的孔隙相對較少，混凝土內部相對密實，使抗凍性得到提升。

3.4 陶粒混凝土抗壓強度衰減規律

圖6 混凝土相對動彈性模量與相對抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between the relative dynamic elastic modulus of concrete and the phase-to-phase anti-pressure strength

表3 抗壓強度衰減相關系數

4 結 論

通過設計4組不同強度等級的陶粒混凝土試件，研究其在不同凍融循環次數下的抗壓性能，得出以下結論：

1)凍融循環作用下，陶粒混凝土的抗壓強度和動彈性模量變化規律與普通混凝土基本一致，隨著凍融循環次數的增加逐漸降低，且強度等級越低，其降低速率越快。

2)凍融循環對低強度等級的陶粒混凝土破壞形式影響較大。由于凍融作用，隨著次數增加，陶粒混凝土內部損傷的積累不斷增加，低強度等級的試件更容易被破壞，且破壞形式從內到外。

3)凍融循環后，試件的相對抗壓強度與相對動彈性模量之間的相關性較好，相對動彈性模量與相對抗壓強度呈指數關系。