生态多孔混凝土冻融试验方法探讨

张贵, 高婷



生态多孔混凝土冻融试验方法探讨

张贵, 高婷

(中南林业科技大学土木工程与力学学院, 湖南长沙, 410018)

鉴于目前我国尚无植生型生态多孔混凝土的标准冻融试验方法及其抗冻性能的评价指标体系, 比较了目前混凝土常见的冻融试验方法, 并通过试验探究了生态多孔混凝土冻融试验方法及其抗冻性能的评价指标。试验表明: 润湿状态下的快速冻融试验方法可适用于生态多孔混凝土; 相对动弹模量、质量损失率及试件外观可以作为生态多孔混凝土抗冻性能的评价指标。

生态多孔混凝土; 试验方法; 抗冻性能; 评价指标

水泥混凝土用于工程建设已有160年左右的历史。水泥混凝土给人们带来便利的同时也带来众多环境问题, 如资源耗费大、混凝土成品颜色灰暗单调、视觉效果差且容易造成“城市热岛效应”等。20世纪90年代初, 日本最早提出了绿色混凝土的概念[1]。生态多孔混凝土是具有特殊骨架结构, 能够适应植物生长、减少环境负荷, 对环境有益的多孔混凝土, 是绿色混凝土的一种。其主要应用于边坡、道路两旁、停车场及屋顶等, 对资源节约、环境改善具有积极作用。生态多孔混凝土应用于工程时, 直接或间接承受环境介质作用, 其抗冻性能是保证生态多孔混凝土长期稳定的关键。生态多孔混凝土作为一种新型混凝土, 国内对其冻融试验方法的研究仍较少[2–4]。因此, 本文将对生态多孔混凝土的冻融试验方法与抗冻性能的评价指标进行试验探究。

1 冻融试验方法

1.1 普通混凝土冻融试验方法

洪锦祥等[5]研究冻融损伤对混凝土力学性能衰减规律时参照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的水泥混凝土抗冻性试验方法(快冻法)进行。其根据混凝土抗冻能力确定冻融循环次数及横向基频的测量频率。由于全级配混凝土抗冻性能较好, 宋玉普等[6]对冻融循环后全级配混凝土及其湿筛混凝土的力学性能比较时, 依据DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》规定的试验方法, 每50次冻融循环测1次横向基频。曹大富等[7–8]在冻融循环作用下混凝土的受拉性能及受压本构特征研究过程中, 依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的快速冻融法, 根据混凝土强度, 每25次测1次横向基频。刘卫东等[9]对冻融循环作用下纤维混凝土的损伤模型以及郑晓宁等[10]对混合侵蚀与冻融循环作用下混凝土力学性能劣化机理进行研究, 亦根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的快速冻融法, 但混凝土强度较高时, 其在冻融循环分别进行无冻融、100次、200次、300次和400次后测1次横向基频。

1.2 再生混凝土冻融试验方法

再生混凝土[11]是指将废弃混凝土块进行破碎、清洗、分级后按一定比例与级配混合部分或全部代替天然骨料制成的混凝土。作为一种应用前景广阔、环保型的混凝土, 其抗冻性能需要做进一步研究。崔正龙等[12]进行再生混凝土的冻融循环试验研究时, 依据日本工业标准JISA1148规定的冻结溶解试验A法(水中冻结溶解试验方法), 混凝土试件共经历300次冻融循环。陈爱玖等[13]参考DL/T5150-2001标准, 对再生混凝土冻融循环试验与损伤模型进行研究, 每25次测1次横向基频。

1.3 透水混凝土冻融试验方法

透水混凝土[14]是由特定级配的骨料、水泥、水、外加剂和掺合料, 按特定比例经特殊工艺制成的具有连续孔隙的多孔混凝土。透水混凝土具有透气、透水、吸声降噪、缓解城市热岛效应等作用, 但透水混凝土有效孔隙率达18%～22%, 因此, 其抗冻耐久性试验方法的研究非常关键。薛冬杰等[15]对冻融环境下透水性生态混凝土试验研究的依据是GB/T50082-2009中的快速冻融法, 饱水冻融12次测1次横向基频; 样品试件每0次、15次、30次分别测1次横向基频。王军强[16]通过饱水冻融对再生骨料透水混凝土的收缩和抗冻性进行研究时, 依据了GB/T50082-2009标准, 而郑木莲[17]、马骉[18]等研究基层多孔混凝土抗冻性能时, 虽主要参考GB/T50082-2009中快速冻融法, 但两者皆认为饱水冻融情况下偏离实际情况, 建议在润湿状态下进行冻融循环。

1.4 生态多孔混凝土冻融试验方法

生态多孔混凝土是在填充保水材料、营养物质及表层土后能够适应植物生长的一种孔隙率高达25%的混凝土。潘志峰等[2]认为基于慢速冻融法和快速冻融法均不能准确表征多孔混凝土的抗冻性能, 自制一种试验方法——单面冻融循环试验方法。多孔混凝土试件在-20 ℃下冻4 h, 接着在常温下溶解4 h为1个周期, 每隔5个周期测其横向基频。刘小康[3]也自行设计了一种试验方法, 模拟边坡实际情况, 每5次测其横向基频, 试件尺寸为100 mm × 100 mm × 300 mm。颜小波[4]根据GB/T50082-2009中规定的慢冻法进行饱水冻融循环试验, 研究多孔生态混凝土的抗冻性能, 每25次测量动弹模量, 但其耗时较长。

综合以上混凝土冻融试验方法, 分析可知, 目前我国混凝土冻融试验参考的标准主要有JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》、DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》、GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》等。研究者大多采用的是快速冻融法, 且根据混凝土的特性, 在标准的基础上适当调整了冻融循环次数和横向基频测量频率。其调整的依据主要是混凝土的功能差别与强度等级。生态多孔混凝土作为一种具有特殊骨架结构的新型混凝土, 其在植物生长基填充前后的抗冻性能有较大差异。因此, 探讨能够模拟实际应用环境的生态多孔混凝土冻融试验方法具有重要意义。

2 生态多孔混凝土冻融试验

2.1 原材料

试验用水泥为湖南恒宇建材有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。水泥性能指标见表1。粗骨料为19～26.5 mm单一粒级的碎石, 无细骨料; 碎石堆积密度为1 550 kg/m3; 水为长沙市自来水。

表1 水泥性能指标 比表面积/(m2·kg-1)SO3/%安定性初凝/min终凝/min3 d抗折/MPa3 d抗压/MPa28 d抗折/MPa28 d抗压/MPa 3542.4合格1552005.625.38.953.0

2.2 制备技术

采用浆体裹石法, 即先将水泥与70%的水一起加入搅拌机搅拌1 min后, 再加入粗骨料继续搅拌1 min, 最后加入剩余的30%拌合水, 继续搅拌1 min, 共搅拌3 min。搅拌完成后, 参照普通混凝土的制备方式进行振捣、装模及养护。生态多孔混凝土的配合比如表2所示。

表2 生态多孔混凝土配合比

2.3 试验方案

根据生态多孔混凝土骨架结构, 确定试验方案如下。

制备2组相同配合比的生态多孔混凝土, 每组各3个试件。试件尺寸均为100 mm × 100 mm × 400 mm。试件养护龄期24 d时将试件从养护地点取出, 随后将试件放在(20 ± 2) ℃水中浸泡, 浸泡时水面应高出试件顶面20～30 mm, 水中浸泡4 d, 试件在28 d龄期时开始冻融试验。试验仪器采用上海路达试验仪器有限公司生产的快速冻融箱。试件用橡胶筒盛装, 一组饱水冻融, 1次冻融循环测1次动弹模量; 另一组经润湿后无自由水流出时冻融, 每5次冻融循环测1次动弹模量。

制备同尺寸的普通混凝土作为温度控制试件, 以防冻液为冻融介质, 并在试件端部中心预留温度控制区域。本试验以相对动弹模量、质量损失率、试件外观为初步评价指标。未说明的试验步骤依据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GB/T50082-2009)中的方法进行。

3 结果与分析

饱水冻融情况下, 生态多孔混凝土试件的相对动弹模量与质量损失率见表3。生态多孔混凝土试件破坏时, 裂缝沿骨料与水泥浆的界面发展, 平均宽度在1 mm左右, 且骨料的表面有极少量水泥浆脱落。

润湿冻融情况下, 生态多孔混凝土试件的质量损失率、相对动弹模量见表4。生态多孔混凝土试件无裂缝产生, 且骨料的表面有少量水泥浆脱落。

表3 饱水状态下生态多孔混凝土试件质量损失率、相对动弹模量

表4 润湿状态下生态多孔混凝土试件质量损失率、相对动弹模量

饱水冻融情况下, 生态多孔混凝土试件的孔隙全部被水充满, 骨料之间的粘结点难以承受水结冰产生的巨大膨胀应力而发生破坏。在润湿状态下, 骨料表面水泥浆的微小孔隙充满水分, 冻融过程中产生的膨胀应力较小, 且水泥浆比较密实, 因此, 生态多孔混凝土试件在承受多次冻融作用后才发生失效。

由表3、表4可知, 生态多孔混凝土试件在饱水状下的质量损失率远小于润湿状态下的质量损失率。生态多孔混凝土试件在饱水冻融的过程中, 水结冰产生的膨胀应力使得骨料之间的粘结点率先开裂, 而骨料表面的水泥浆还未产生剥离; 在润湿冻融过程中, 水泥浆直接承受冻融作用, 水泥浆率先产生剥离、脱落, 继而引起试件失效, 故润湿状态下生态多孔混凝土试件的质量损失率较高。

生态多孔混凝土试件在饱水冻融情况下承受3次冻融循环即接近失效, 其相对动弹模量的变化规律不明显; 而在润湿状态冻融过程中, 生态多孔混凝土试件能承受50次冻融循环作用, 而且相对动弹模量的变化规律明显, 相对动弹模量的二次拟合曲线方程为=-0.013 82+ 0.023 1+ 99.236 0,2= 0.996 8。由此可知, 润湿状态下的相对动弹模量更适合评价生态多孔混凝土的抗冻性能。

综上所述, 相对动弹模量、质量损失率及试件外观可以作为生态多孔混凝土抗冻性能的评价指标。在生态多孔混凝土的工程应用中, 孔隙会被生长介质、营养成分等填充, 故润湿状态下的快速冻融试验方法满足试验要求。

4 结论

本文简述了不同类型混凝土常用的冻融试验方法及采用的抗冻性能评价指标, 并对生态多孔混凝土进行了冻融试验, 主要结论如下。

目前混凝土冻融试验常采用润湿状态下的快速冻融试验方法, 其主要评价指标是相对动弹模量。生态多孔混凝土试件在饱水与润湿冻融情况下, 失效原理不同。饱水冻融时, 骨料之间的粘结点难以承受水结冰产生的巨大膨胀应力, 而引起试件开裂, 导致试件失效; 润湿状态下, 骨料粘结处的水泥浆承受冻融作用而逐渐产生剥离、脱落, 且随冻融次数的增加, 损伤逐渐积累, 最终导致试件失效。

在润湿状态下进行冻融试验较符合工程实际应用情况, 相对动弹模量、质量损失率及试件外观可以作为生态多孔混凝土抗冻性能的评价指标。

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(责任编校: 江河)

On freeze-thaw test method of ecological porous concrete

Zhang Gui, Gao Ting

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410018, China)

In view of the method and evaluation index system of frost resistance of vegetation type eco-porous concrete without standard test in our country, the domestic common test methods of frost resistance is analyzed and the freeze-thaw test method and evaluation index of eco-porous concrete are explored. The result shows that the freeze-thaw cycles method under wetting state can be applied to eco-porous concrete, and the relative dynamic modulus, mass loss rate and the appearance of the specimen can be used as the evaluation index of the frost resistance of the eco-porous concrete.

eco-porous concrete; test method; frost resistance; valuation index

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.021

TU 528.01

A

1672–6146(2017)01–0091–04

张贵, 595529849@qq.com。

2016–11–27

中南林业科技大学研究生科研创新项目(CX2016B24)。