冻融循环对玻化微珠保温砂浆力学性能的影响

(太原理工大学建筑与土木工程学院, 山西太原030024)

0 引言

在土木工程领域中，研究节能材料的耐久性能，可以减少建筑过早出现节能失效和结构劣化的情况发生，从而对节约能源具有重要的意义[1]。因此，为了更好地推广应用玻化微珠保温砂浆，其耐久性评价和寿命预测不可或缺。

冻融循环作为影响建筑材料耐久性的重要因素之一，对墙体的保温性能和承载力会产生不利的影响[2]。水泥砂浆、混凝土等水泥基材料，由于它们的内部结构不同，其抗冻性能也存在一些差异[3]。在水泥基材料冻融研究方面，国内学者进行了相关的探索，如：河海大学的肖婷等[4]学者对水泥基材料冻融破坏的机理和特征进行了研究，发现在相同条件下，混凝土冻融破坏比水泥砂浆和水泥净浆更加严重；沈阳工业大学的史建军等[5-6]学者研究了冻融循环对聚合物水泥砂浆粘结强度的影响，发现冻融循环会降低砂浆的粘结强度；兰州交通大学李建新[7]等学者研究了含气量对水泥砂浆抗冻性能的影响，研究得出水泥砂浆内部孔结构参数会影响砂浆的抗冻性能。玻化微珠保温砂浆作为一种常用的水泥基保温材料，研究其耐久性显得十分重要。太原理工大学相关学者[8-9]研究了玻化微珠保温砂浆冻融性能，发现冻融循环降低了保温砂浆的抗压强度。

作为系统研究的一部分，本文将采用宏观和微观结合的方法对玻化微珠保温砂浆材料在冻融作用下的基本力学性能和微观物相特征进行试验研究，进而揭示单因素冻融作用下玻化微珠保温砂浆的劣化机理。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

①玻化微珠。

本试验中所用的玻化微珠由太原思科达科技发展有限公司生产，其物理性能见表1。

表1 玻化微珠颗粒的物理性能Tab.1 Physical properties of the particles of glazed hollow bead

②水泥。

水泥作为砂浆中主要的胶凝材料，本试验采用pH值为9.8～10.2的铝酸盐快硬水泥。

③纤维。

本试验选用聚丙烯纤维，其特征参数见表2。

表2 聚丙烯纤维特征参数Tab.2 Characteristic parameters of polypropylene fiber

④胶粉。

试验所用胶粉为北京澳凯达化工科技有限公司生产的建筑增粘速溶胶粉，其理化指标见表3。

表3 胶粉的理化指标Tab.3 Physical and chemical indications of powder

⑤引气剂。

为了改善砂浆的和易性以及砂浆内部的孔结构，在玻化微珠保温砂浆中还添加了引气剂。

试验所用玻化微珠保温砂浆配合比为：水泥∶玻化微珠∶胶粉∶其他=0.47∶0.47∶0.05∶0.01。

1.2 试验方法

玻化微珠保温砂浆的抗冻试验以及冻融后的物理力学试验参照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》[10]中相应的试验方法，力学性能指标按照规范JG/T 283—2010《膨胀玻化微珠轻质砂浆》[11]中规定选取。

抗冻融试验采用标准养护28 d后的保温砂浆试块。本试验选择70 mm×70 mm×20 mm的水泥砂浆试块作为基底，测试保温砂浆的拉伸粘结强度。

试验所用仪器为CDR-3型混凝土快速冻融设备，测试保温砂浆不同次冻融循环后的抗冻性能和力学性能变化。SEM电镜扫描试验采用电子显微镜TM3000，该仪器拍摄的照片可以清楚的观察出保温砂浆在冻融循环前后的微观形态。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能试验结果

表4为玻化微珠保温砂浆试件在不同冻融次数下的力学性能，由表可知：

表4 玻化微珠保温砂浆冻融过程中力学性能试验结果Tab.4 Test results of glazed hollow bead thermal insulation mortar mechanical properties during the process of freeze-thaw

注：括号中内容为不同冻融次数的玻化微珠保温砂浆力学性能占未冻融时砂浆力学性能的百分比。

①玻化微珠保温砂浆的立方体抗压强度与冻融次数成线性关系，随着冻融次数的增加，砂浆的抗压强度减小。经过50次冻融循环后，玻化微珠保温砂浆的抗压强度为0.38 MPa，仍能满足规范规定的砂浆强度。

②50次冻融循环之后，保温砂浆的弹性模量降低了20 %。随着循环次数的增加，弹性模量逐渐减小，这表明玻化微珠保温砂浆内部损伤越来越大，冻融循环对保温砂浆造成了不可逆的应变。

③在冻融循环的作用下，砂浆的压折比、抗折强度和抗压强度呈现降低趋势。5～15次冻融循环区间内压折比降低幅度最显著。经过50次冻融循环，抗折强度降低了22.2 %，而压折比的下降比例为29.8 %。保温砂浆的内部结构会受到冻融循环的影响变得疏松，致使砂浆的抗压强度降低。而保温砂浆中添加的纤维、胶粉等成分，则会减缓保温砂浆受到冻融破坏后抗折强度降低的幅度[12]，从而导致压折比变小。

④保温砂浆的抗拉强度随着冻融循环次数的增加逐渐变小。经过50次冻融循环，保温砂浆的抗拉强度降低了34.3 %。玻化微珠保温砂浆中加入了可分散胶粉，在保温砂浆的水化过程中，胶粉会在水泥浆体和玻化微珠颗粒之间的过渡区凝结成膜，致使二者的界面紧密牢固地结合在一起[13]；部分胶粉分散在水泥浆体中，胶粉聚合物会包裹在水泥水化产物周围，大量被胶粉包裹的水泥水化产物分布在浆体中形成聚合物网络，这种聚合物网络可以提高硬化水泥的柔韧性；水泥水化产物和聚合物分子中的极性基团发生化学反应，可以形成较强的桥键作用[14]，改善水泥水化产物的内部组织结构，减小保温砂浆内部的拉应力，进而减少水泥浆体中微裂纹的发生。所以可分散胶粉可以减缓冻融循环对抗拉强度的影响。

⑤冻融次数越多，保温砂浆的拉伸粘结强度越小，本试验中冻融循环50次后玻化微珠保温砂浆拉伸粘结强度是0.244 MPa，强度损失率达到28.2 %，仍能满足规范对保温砂浆拉伸粘结强度最小值0.2 MPa的要求。玻化微珠保温砂浆和水泥砂浆在材料组成上有较大区别，更容易在二者结合面处形成薄弱区，从而造成拉伸粘结强度的降低[15]。另一点需要指出的是，通过增加冻融循环的次数，会导致砂浆的抗拉强度逐渐降低，并且小于保温砂浆和水泥砂浆的拉伸粘结强度，从而造成保温砂浆的断裂面上升。这一现象反映出保温区域的薄弱区是保温砂浆材料，而不在保温砂浆与水泥砂浆的粘结面[16]。

综上可知，随着冻融循环次数的增加，保温砂浆各种强度均表现出下降趋势，并且抗拉强度的强度损失率最大。冻融循环后保温系统开裂多数是因为冻融作用会导致保温砂浆内部产生拉应力，当保温砂浆内部产生的拉应力大于保温砂浆的抗拉强度时，保温系统就会出现裂缝。因此在保温系统的抗冻设计中，要保证保温砂浆具有一定的抗拉强度。

2.2 玻化微珠颗粒在冻融循环后的变化情况

图1为冻融作用下玻化微珠颗粒的变化，从图中可以看出玻化微珠颗粒在扫描电子显微镜下是由不规则的团状土堆挤在一起形成的不规则的球状空腔结构。加入到保温砂浆中的玻化微珠，会因为振捣、搅拌而破坏部分玻化微珠的空腔结构。由图1可知，冻融循环会加重玻化微珠颗粒的破坏，而且玻化微珠颗粒表面在冻融作用下有膨胀的趋势。但是，玻化微珠的破损释放出了一定的空间，在水冻结时可以在一定程度上缓解因膨胀压力导致的保温砂浆破坏。

图1 冻融循环作用下玻化微珠颗粒的变化(×1 000倍)Fig.1 Change of glazed hollow beads under freeze-thaw cycles(×1 000 times)

2.3 水泥浆体在冻融循环后的变化情况

图2为冻融作用下水泥浆体的变化，由图得出，随着冻融循环次数的增加，玻化微珠保温砂浆内部水泥浆孔隙增多，孔径变大，表面呈现出越来越疏松的状态，连通的气孔形成细微的通裂缝，而且裂缝越来越大。从照片得出玻化微珠保温砂浆在冻融循环的作用下气泡的孔径一般在10-7.5～10-4.5m，所以保温砂浆内部大孔和毛细孔居多，凝胶孔较少，而且大部分气泡存在于水泥浆体内，冻融作用下水泥浆体孔隙率、气泡间隔系数的变化对玻化微珠保温砂浆强度的变化以及保温隔热性能的变化至关重要。由于水泥浆体各组成部分(例如Ca(OH)2、C—S—H胶体等化合物)主要是靠范德华力连接在一起，而分子、原子之间的距离在冻融作用下会变大，以致水分结冰后在静水压力和渗透压力的联合作用下造成范德华力的大幅度变弱。所以要提高玻化微珠保温砂浆的抗冻耐久性能，就要重点改善保温砂浆内水泥浆体的孔结构。

图2 冻融循环作用下水泥浆体的变化(×1 000倍)Fig.2 Change of cement mortar under freeze-thaw cycles(×1 000 times)

2.4 玻化微珠颗粒和水泥浆体界面过渡区在冻融循环后的变化情况

在玻化微珠保温砂浆中玻化微珠颗粒被水泥浆体完全包裹，由于玻化微珠颗粒和水泥浆体的组成物质差别很大，这就造成了玻化微珠和水泥浆体的界面过渡区是整个保温砂浆的薄弱区域。由图3冻融循环后界面过渡区的变化可以看到，玻化微珠颗粒和水泥浆体之间有一层致密的白色薄膜，这是胶粉在保温砂浆的水化过程中在水泥浆体和玻化微珠颗粒之间的过渡区凝结而成，可以让两者界面连接得更加牢固；少量分散在水泥浆体中的胶粉，可以在水泥水化物表面凝聚成致密且不溶于水的聚合物膜状结构，可以减小保温砂浆在冻融作用下界面过渡区受到的损伤。

图3 冻融循环后界面过渡区的变化(×3 000倍)Fig.3 Change of interface transition zone after freeze-thaw cycles(×3 000 times)

保温砂浆冻融循环后微观物相的研究表明：经过50次冻融循环后的玻化微珠保温砂浆仍然具有良好的抗冻耐久性能。这是因为保温砂浆中添加的玻化微珠具有不规则空腔结构，当玻化微珠颗粒破损时，能够显著减弱水分结冰形成的膨胀压力对保温砂浆造成的破坏，缓解保温砂浆内部的膨胀压；保温砂浆中添加的引气剂，使砂浆内部气泡排列均匀且不连通成大气泡，可以改善砂浆的内部孔结构。

3 结论

本文通过对保温砂浆冻融循环后的宏观和微观状态研究分析，得出以下结论：

①玻化微珠保温砂浆有着良好的抗冻性能，随着冻融循环次数的增加，保温砂浆的力学性能均呈现逐渐降低的趋势，但是依然满足规范对保温砂浆强度的要求；

②50次冻融循环后，保温砂浆抗拉强度降低幅度最大，比冻融前降低了34.2 %，而拉伸粘结强度降低了28.2 %，弹性模量降低了20.2 %，立方体抗压强度降低了21 %，压折比降低29.76 %；

③冻融循环会导致保温砂浆内部玻化微珠颗粒破损越来越严重，水泥浆体内气孔数量和孔径增大，微裂缝的数量和宽度增加，玻化微珠颗粒和水泥浆体过渡区冻融破坏不明显。