冻融循环下青砖砌体结构性损伤的演化规律

2020-09-18

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年4期

河南建筑职业技术学院建筑系,河南郑州 450064

青砖砌体是黏土经过高温烧制而形成的一种古老的建筑材料。青砖材料具有抗压强度高、质地坚硬、施工方便和造价低廉等优点，并且可根据设计强度、耐久性要求和地方材料供应情况进行相应调整，既对不同建筑工程有很好的的适用性，又可以充分利用当地的黏土原材料，在我国不同地区的应用十分广泛[1-4]。近年来，我国广大农村地区和城市园林的道路大量和采用青砖砌体进行建设，这大大拓宽了青砖材料的应用范围。然而，在使用过程中发现，我国北方地区以青砖砌体为材料的道路出现翻浆冒泥、不均匀沉降和变形隆起等工程问题时有发生，给经济造成巨大的损失。这些病害的发生不仅与青砖材料的本身性质有关，也与北方地区的气候条件有重要关联[5]。

由于低温环境影响，使得冻融循环作用对寒冷地区的青砖材料产生明显的损伤效应，严重地影响了相关地区砖砌道路路面在服役期间的工程稳定性[6,7]。冻融损伤程度对青砖材料的强度指标和细微观结构特点有十分重要的影响[8]。青砖材料是一种由黏土烧制而成的多孔介质材料，具有丰富的孔隙结构，容易受地下水作用和季节性冻融循环作用的影响[9]。研究青砖材料结构特征与强度指标受冻融循环的影响规律，对于相关道路路面的设计和施工有重要现实意义，针对青砖材料受冻结和融化过程的损伤现象，大量学者进行了理论与试验研究，并取得了一系列成果。例如：孙磊与汤永净[10]对反复冻融循环过程中的古砖砌体试样开展轴心抗压强度测试，分析了冻融循环作用对其轴心抗压强度、弹性模量和超声波波速之间的关系进行了研究。余国星和谷雨[11]基于力学测试论证了养护条件与冻融循环次数对再生沥青砖砌材料的力学性能和质量损失率的影响特点。Liu 等[12]对水泥砖和石膏砖砌体材料分别进行压缩强度测试，分析了冻融循环作用对材料的力学特性的减弱规律，并讨论了两种外掺材料的改性机理。

本文以青砖砌体材料为研究对象,利用轴心抗压强度测试与核磁共振试验获取了青砖材料的力学参数和孔隙分布特征，同时分析了青砖材料在冻融过程中的损伤演化机理，旨在为进一步了解青砖砌体材料的性能提供参考。

1 试验材料

1.1 试验原材料

本文所用的试验土体材料为粉质黏土，取样点为山东省威海市一处二级公路沿线边坡。采用的粉土样品颜色呈灰褐色，经过XRD 衍射试验，发现本试验采用黏土矿物成分包括伊利石(44.1%)、蒙脱石(39.2%)，石英(8.1%)与斜长石(4.4%)和斜长石（4.2%）。该黏土的天然含水率为17.2%，干密度为1.34 g/cm3，土样在天然状态下的含水率为17.2%、渗透系数为2.34×10-6cm/s，土体的塑限为22.9%，液限为56.8%，材料的塑性指数为33.9。采用颗粒筛分法进行黏土的颗粒分布含量测定，从曲线中得到不均匀系数Cu为2.12，曲率系数Cc为0.88，表明该黏土的级配比较良好，适宜作为青砖烧制的原材料。

进行青砖烧制时，在黏土中掺入一定量的硅酸盐水泥进行强度的提升，本研究的设计水泥掺量为5%。水泥采用威海市东海水泥厂生产的普通硅酸盐水泥进行青砖材料的制备,水泥级别为32.5 级，水泥颗粒比表面积为333.5 m2/kg，养护28 d 的实测立方体抗压强度为34.5 Mpa。

图1 黏土的颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of silty soil

表1 黏土的基本物理性质指标Table 1 The basic physical properties of clay

1.2 青砖材料的制备

本文主要对象是青砖砌体材料，制备过程如下：首先称量适量的黏土，放在常温条件下进行风干，用研钵碾碎并过0.75 mm 的标准筛，去除杂质后保证黏土的均质性；再称量黏土质量5%比例的硅酸盐水泥进行混合，并保证物料混合均匀；在混合料中加入自来水，并用水泥砂浆搅拌锅进行均匀拌和，自来水的质量为固体物料总质量的18%；最后采用分层击实的方法成型，青砖试样为150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件。成型完成后将青砖试样放在实验室的环境中进行28 d 时间的标准养护，得到青砖砌体材料的标准试件。

1.3 冻融循环处理

本研究参照《砌墙砖试验方法》GB/T2542-2012 的冻融处理操作方法，对青砖砌体试件开展冻融循环试验。利用SFT-20 II 型温度控制箱进行多次冻融循环的处理。首先，将青砖砌体材料试样放入温控箱；设置环境温度为-20 ℃，开启多向冻结功能的开关，采用低温冻结48 h；然后，将温控箱的温度设置为20 ℃，在常温融解48 h；通过不断重复上述操作达到冻融循环的效果。本试验对青砖材料的试样共进行0～50 次冻融循环，分别对0、10、20、30 和50 次循环后的青砖砌体试样进行轴心压缩试验、核磁共振扫描和扫描电子显微镜测试。

2 试验结果

2.1 轴心抗压强度测试

实验利用力学加载万能测试系统对青砖材料立方体试样的试样开展轴心抗压强度的力学测试，共进行三组力学试验，采用15 个立方体试件，最后取各组试件的平均值作为试验的结果。试验过程中的压缩荷载的加压速率设为0.05 MPa/s，实验得到了经过0、10、20、30 和50 次冻融循环处理试样的轴心抗压强度Q和弹性模量E，结果如图2 所示。

从轴心压缩测试的结果可以看出：在压缩荷载的作用下，不同冻融循环次数的试样的强度和弹性模量存在明显差异。从图2 可以看出随着冻融循环次数的增加，青砖材料试样的轴心抗压强度不断减小，经过50 次冻融循环后，青砖的轴心抗压强度由16 MPa 左右下降至7.5 MPa 左右，下降幅度为53.13%。另外，在0～10 次冻融循环之间时，青砖砌体样品的轴心抗压强度的减小幅度相比后期循环的下降幅度要明显大很多，说明青砖材料在从0 次到10 次冻融循环过程中的轴心强度损失最显著。由力学测试还获得了弹性模量指标，青砖砌体材料的弹性模量E与轴心抗压强度Q在冻融循环过程中保持类似的变化趋势，两者均随冻融循环的次数增加而下降，且在整体上和冻融循环次数保持幂指数的变化关系。在30～50 次冻融循环过程中的材料力学性能指标几乎不变，说明冻融循环作用对青砖砌体材料的结构损伤效应在冻融循环后期逐渐趋于稳定。

图2 冻融循环过程中材料的轴心抗压强度Fig.2 Axial compressive strength during freeze-thaw cycles

图3 力学性能指标与冻融循环次数的关系Fig.3 Relationship between cycles and strength index

2.2 核磁共振测试

使用低场强核磁共振扫描仪对经历不同冻融循环次数后的青砖砌体材料进行微观结构测试。核磁共振扫描原理是在较低的强度磁场中，提供探测材料孔隙中的氢原子核磁信号，以测量材料孔隙的弛豫时间T2 分布曲线，根据T2 分布曲线研究材料孔隙的分布特征，信号强度的大小表示对应孔隙的数量[13]。本文分析了经过0～50 次冻融循环后青砖试样的T2 分布曲线。从图4 可以看出：各组青砖砌体材料试样的T2 曲线均存在3 个明显的峰值，左峰对应材料内部的小孔，中峰表示材料内部的中孔，右峰表示材料内部的大孔。另外，可以看出随着冻融循环次数的增加，青砖砌体材料的T2曲线形式有明显的变化。总体上，表示中孔和大孔的中峰与右峰的幅值越来越大。根据此变化规律可以看出，青砖材料内部小孔比例逐渐下降，而大孔和中孔的比例逐渐增大。

在反复冻融循环过程中，青砖材料试样的T2分布曲线覆盖区域的面积（峰面积）是表征材料总孔隙体积的定量指标。通过计算不同冻融循环次数下青砖材料的T2曲线峰面积，可以对材料的孔隙分布的变化规律进行量化分析。由计算得到的T2分布曲线谱面积与冻融循环次数的分布曲线如图5所示，可以看出随着循环次数逐渐增加，峰面积不断增大，且其增长速率保持先快后慢的变化规律，此现象与强度测试得到的规律恰好相反。由核磁共振测试结果还可以看出，相对于常用的其它微观结构观测析方法，核磁扫描虽然不可以直观的观察到材料内部结构的变化，但是能够提供材料孔隙分布的定量探测结果[14]。

图4 冻融循环过程中核磁共振T2 分布结果Fig.4 T2 distribution curves with different freeze-thaw cycles

图5 T2 峰面积与冻融循环次数的关系曲线Fig.5 Relationship between cycles and spectrum areas

2.3 力学性质与孔隙分布的关系

通过核磁共振扫描结果求证了材料力学特性与结构特性的关系，发现青砖材料内部孔隙分布的定量参数，即T2曲线的峰面积随冻融循环次数的增加而逐渐上升，且上升速率先快后慢。与此同时，青砖砌体的轴心抗压强度随冻融循环次数增加逐渐减小，减小速率先快后慢。因此，建立了0～50 次冻融循环过程中青砖砌体材料抗压强度与峰面积的数学关系模型，并以图6 的曲线分析两者的关系。

图6 T2 峰面积与轴心抗压强度的关系曲线Fig.6 Relationship between axial compressive strength and spectrum areas

从图6 可以看出青砖材料的轴心抗压强度与峰面积保持良好的直线关系，两者的确定性系数R2大于0.99，且轴心抗压强度值随峰面积值的增加而下降。力学指标与孔隙分布指标的相关现象说明了冻融循环过程扩大了青砖材料内部的孔隙规模，同时也引起青砖材料轴心抗压强度劣化程度逐渐上升。该现象体现了青砖砌体材料的宏观力学参数和结构损伤效应保持了较好的同步性，体现了核磁共振扫描技术对于材料结构探测良好的可信度[15]。

2.4 冻融损伤的微观机理分析

图7 冻融循环过程中材料的SEM 图Fig.7 SEM images of samples after different freezing and thawing cycles

对反复冻融循环过程中的青砖砌体材料损伤演化特征进行扫描电子显微镜（SEM）试验，结果如图7 所示。在放大800 倍的图像中，可以看出经历0 次冻融循环的青砖材料内部的颗粒的排列较为紧密，水泥胶结作用在黏土颗粒之间形成了良好的凝胶结果。随着冻融循环过程的进行，青砖材料内部的孔结构产生了明显的变化。具体表现为：黏土颗粒间以水泥胶结物变得越来越疏松，同时粗颗粒间的接触关系由初始时的面-面接触逐渐转换呈面-边接触。青砖材料内部的结构微观形态变化主要是由于反复的冻融循环作用使材料内部的胶结物不断发生分解、流失，在材料内部形成了微观缺陷。并且，在反复冻结和融解过程中，材料孔隙内部的液态水和冻结水相态反复发生改变，导致青砖内部孔隙始终处于微观膨胀力作用中，表现为青砖材料内部孔隙结构逐渐扩张。

青砖砌体材料的微观形态受冻融循环作用发生明显的变化，最直观的表现就是微观缺陷的增加，水泥胶结物的分解使得孔隙不断增大，降低了青砖材料颗粒间的致密程度，从而导致抗压强度的减小。通过扫描电子显微镜图像观测到的微观形态变化特征与核磁共振T2曲线变化规律及抗压强度衰减的规律相互印证，说明反复冻融循环作用对青砖材料的结构损伤体现为宏观力学性能的衰变和孔隙结构的扩张，也说明微观缺陷的发展是力学性能演化的内在原因[16]。