干湿循环作用下泡沫混凝土耐久性试验研究

2020-10-24谭炯

交通科学与工程 2020年3期

谭炯

(湖南恒利建筑工程有限公司，湖南长沙 410007)

泡沫混凝土作为一种新型的混凝土结构，在道路建设中的应用越来越广泛。干湿交替作为一种自然现象，作用于道路建设和营运的全过程，其对路用泡沫混凝土耐久性的影响越来越受人们的重视[1−2]。已有研究表明：干湿循环作用促进侵蚀性离子侵入混凝土制品的速度，加速了混凝土材料的损伤和劣化。目前，干湿循环作用下，路用泡沫混凝土性能影响的研究主要为室内试验。在室内模拟自然环境条件下的干湿交替现象。顾欢达[3]等人对泡沫混凝土在干湿循环条件下的变化规律进行了研究，结果表明：泡沫混凝土强度具有较好的稳定性，甚至会有上升。Ganjian[4−5]等人分别设计了不同的干湿交替循环环境，模拟相应的干湿交替条件下混凝土的性能。庞超明[6]等人在干湿循环交替试验中，研究了干燥时间对混凝土制品劣化深度的影响。高原[7]等人模拟了不同强度等级的混凝土试件，在干湿循环作用下的相对湿度和自由变形特性。这些成果主要针对一般干湿交替作用下，对混凝土试件进行研究，对于大温差干湿交替作用对路用泡沫混凝土性能影响的研究鲜见。夏季高温多雨，道路常受雨水的浸湿，路面温度从20 ℃～70 ℃间交替循环，属于大温差的干湿交替现象。因此，作者拟进行室内大温差干湿循环试验，研究混凝土试件的强度特性和吸水率，以期为实际工程提供理论支持。

1 试验方案

1.1 试验材料

本次实验所选用的原材料均符合《泡沫混凝土应用技术规程(JGJ/T 341—2014)》的要求，水泥选用42.5 普通硅酸盐水泥；泡沫剂的选用依据《泡沫混凝土(JG/T 266—2011)》要求，选用HT 复合发泡剂；水采用自来水并符合《混凝土用水标准(JG/J 63—2006)》的规定。本次试验所配成的路用泡沫混凝土28 d 无侧限抗压强度不小于0.8 MPa，设计密度为600 kg/m3。为保证所制作的泡沫混凝土符合强度和密度的要求，本实验通过计算和试配，确定泡沫混凝土的配合比和各组成的具体用量，其密度、设计流动度、水泥、水及泡沫剂设计值分别为600 kg/m3、180 mm、350 kg、210 kg、677.1 L，28 d 无侧限抗压强度＞0.8 MPa。本次试验试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，配制的路用泡沫混凝土现场浇筑制作试块，保证试块原料与实际工程的一致性。试模先清理洁净。再涂刷脱模剂，底部脱模孔用纸片覆盖防漏。然后浇筑路用泡沫混凝土，边浇筑边轻轻敲击试模，使得试块内部无大气泡滞留。为防止路用泡沫混凝土干缩，试件制作时，浇筑高度高于模口，待终凝脱模前，用刀刮平。最后试块浇筑完成 30 h 后脱模，置于标准环境下，养护28 d。

1.2 试验工况及流程

1.2.1 试验工况

为了模拟大温差干湿交替试验，共制作了 7组，每组3 个试块，为防止试验中试块的意外损坏，共准备25 个试块。试验过程中，先将试块烘干至恒重，再按设定的大温差干湿交替进行试验。试验进行了7 次大循环，一次大循环包括5 次大温差干湿交替。在每次大循环之后，测定试块5 min 的吸水量和无侧限抗压强度。每次大温差干湿交替均记录试块表面裂缝情况，裂缝观察以肉眼观察为主。

1.2.2 试验流程

按照《蒸压加气混凝土性能试验方法(GB/T 11969—2008)》的规定，将养护28 d 的混凝土试件放入电热鼓风干燥箱内，设置温度为(60±5) ℃，先烘干。再将每组试块放在温度为(20±5) ℃的室内，冷却 20 min。然后放入恒温为(20±5) ℃的水箱内，水高出试件上表面 30 mm，保持5 min 后，取出放在室内晾干30 min。最后放入电热鼓风干燥箱内，(60±5) ℃下烘干 7 h。此过程为一次干湿循环。

为模拟大温差干湿交替的作用，将试块从烘箱中取出之后，直接放入恒温水箱中进行湿循环，省去室内冷却的过程。并且为了加速试验进程，适当延长了试块的烘干时间，烘干时间为8,16 h 交替进行。当到达预期干湿交替次数时，为保证试块彻底烘干，将试块烘干24 h。烘干时间分别为8,16,8,16,24 h。具体试验方案如图1 所示。

图1 大温差干湿交替循环示意Fig.1 Schematic diagram of large temperature difference drying-wetting cycle

2 试验结果分析

2.1 吸水量及孔结构分析

2.1.1 吸水量

试验过程中，对第1 组3 个试块的吸水量进行测定，取3 个试块测定结果的平均值作为试验结果如图2 所示。从图2 可以看出，初始试块质量为413.37 g，试块饱和后质量为716.28 g，可得到饱和吸水量为302.91 g 左右。裂缝试块浸水时间5 min后，试件质量为573.30 g，可得试块吸水量为159.93 g，达到饱和吸水量的50%以上，其原因是因为在将试块彻底烘干过程中，泡沫混凝土在热胀作用下，出现一定程度的开裂，破坏了泡沫混凝土完整的气泡结构，并且产生了微裂缝，导致试块吸水量的增加。使用期间，泡沫混凝土吸水量的增加，会严重影响其轻质性，也影响其设计时自重的取值。

一个大循环大温差干湿交替试验过程中，第1组试样吸水量的变化趋势如图3 所示。从图3 可以看出，随着干湿交替次数的增加，在相同的浸水时间(5 min)内，试块吸水量有明显的上升趋势。从最初50%的吸水量150 g(饱和吸水量按300 g 计算)，当大温差干湿交替进行了一个大循环后，试块吸水量上升至63%，吸水量有所增加，但增加速率明显变缓。这是因为试块的裂缝发展集中在第一个大循环期间，所以仅管会有裂缝继续发展，还由于第一个大循环期间发展的裂缝，使得试块在大温差作用下，已有一定的缓冲作用，因此后续裂缝发展减缓。

图2 试块质量与浸水时间关系Fig.2 Relationship between water absorption and soaking time of specimen

图3 试块吸水量与大温差干湿交替次数关系Fig.3 The relationship between the water absorption of the specimen and the times of drying-wetting alternation with large temperature difference

2.1.2 孔结构分析

路用泡沫混凝土作为一种多孔材料，其孔隙率及孔径分布对路用泡沫混凝土的各项性能均有显著的影响。混凝土中的空隙主要分为凝胶孔、毛细孔、宏观大孔及气泡。其中，影响路用泡沫混凝土耐久性的主要孔隙为毛细孔和气泡。由于其主要以水泥作为原料，因此可以根据 T.C.Powers 模型进行计算。

孔隙率(包括毛细孔和宏观大孔)：

式中：v为设计密度，g/cm3；α为水化程度；vt为总体积，cm3；vp为孔隙体积，cm3。

毛细孔体积率：

式中：vcp为毛细孔体积，m3；ω0为实际用水量，g；c为水泥的质量，为水灰比。

宏观大孔体积率：

本次试验中路用泡沫混凝土设计密度为0.6 g/cm3，水灰比为0.6，根据文献[8]~[9]，水化程度取为0.8。由式(1)～(3)计算可得，路用泡沫混凝土孔隙率为24%，毛细孔隙率为 33%，宏观大孔体积率为21%。根据吸水量试验结果可知，路用泡沫混凝土单个试块饱和吸水量达到了 300 g，为300 cm3，占试块体积的30%。表明：在路用泡沫混凝土吸水过程中，除了毛细孔吸水外，有部分宏观大孔也参与了储水。

2.2 强度试验

当试验进行到第4 次干湿交替后，有2 个试块出现贯穿裂缝，裂为两瓣。进行到第6 次干湿交替时，另有1 个试块，因出现贯穿裂缝，也裂为两瓣。为研究试块裂开后对其强度的影响，将裂开试块烘干到恒重后，进行强度测试。试验分为2 种工况进行，工况一：裂缝平行于受压面；工况二：裂缝垂直于受压面。试验结果表明：裂缝的存在对试块强度影响不大。其工况一，试块无侧限抗压强度为1.05 MPa，工况二中试块无侧限抗压强度为1.09 MPa。这主要是由于试块虽裂为两瓣，但由于其体积大且具有较好的整体性，因此，可以抗压。但在实际工程中，路用泡沫混凝土一旦发生贯穿裂缝，应视为完全失效。虽然断开试块在整体抗压方面，仍具有一定的强度，但在偏心受压情况下，将会完全失效。在大温差干湿循环作用下，由于泡沫混凝土属于水泥制品，因此，在热胀冷缩作用下，极易产生裂缝，且裂缝深度较大。其中，只有2 个试块出现贯穿裂缝，而剩余的25 个试块均未出现贯穿裂缝，但表面有1 mm 左右宽度的裂缝出现，且裂缝深度普遍小于5 mm。

每一次大温差干湿循环之后，均测定路用泡沫混凝土的无侧限抗压强度。以每组3 个试块的平均强度值作为结果，试验结果如图4 所示。从图4 可以看出，大温差干湿交替并没有明显影响路用泡沫混凝土的抗压强度，与养护28 d 后的(图4 中0 次大温差干湿循环试验所得强度)相比，整个35 次大温差干湿循环试验中，路用泡沫混凝土强度上下浮动为10%。因此，试块制作过程中，排除路用泡沫混凝土试块强度正常浮动带来的影响外，可认为路用泡沫混凝土强度未有降低现象。

图4 试块大温差干湿交替次数与抗压强度关系Fig.4 Diagram of the relationship between drying-wetting alternation times and the compressive strength of specimen in large temperature difference