路用泡沫混凝土在冻融循环作用下的试验研究

戴 健

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004)

0 引言

由于泡沫混凝土自身具有低密度、减震吸能、导热、吸声等优越性能，近年来在道路工程中得到了大范围应用[1-4]。然而在寒冷地区推广使用时，因泡沫混凝土空隙较多，吸水后引起冻胀和冻融等现象，导致混凝土强度损失大。因此，研究泡沫混凝土在冻融循环试验下的强度表现具有理论和工程价值。

为此，国内外学者开展了一系列相关研究。吴雨明[5]利用冻融试验研究了不同配合比下的泡沫混凝土试块力学性能，得出了减水剂可有效降低冻融循环对混凝土结构的损伤；冯扣宝等[6]通过冻融循环试验证明了超轻水泥基发泡混凝土抗冻融性能极差，仅经6次冻融循环试验，其抗压强度降为零；刘军等[7]证明了较低含量的水胶比和预混双氧水对泡沫混凝土的抗冻性能有所提高；陈品明等[8]对路用泡沫混凝土的耐久性进行了研究，得出混凝土在冻融循环作用下的微裂缝变化规律;CHEN等[9]对泡沫混凝土做了一系列冻融循环试验，试验温度控制在-40℃～40℃，研究掺有轻集料与聚丙烯纤维的2种泡沫混凝土的降解特性，结果表明泡沫混凝土抗压强度的衰解随冻融次数的增加而加剧；李相国等[10]在分析孔结构的分类基础上，研究了孔结构对泡沫混凝土的强度、耐久性、保温系数等宏观性能的影响。

虽然相关学者已对泡沫混凝土进行了大量研究，但对于冻融循环试验作用下道路泡沫混凝土的力学特性研究较少。本文利用冻融循环试验研究了泡沫混凝土分别在10、50、100、150、200、300次冻融循环后的各项性能指标，揭示了多次冻融循环下混凝土试块的抗压强度和残余强度变化规律。

1 试验方案

1.1 试验材料

本试验所选用的原材料依据现行《泡沫混凝土应用技术规程》(JGJ/T 341—2014)，水泥选用42.5#普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级采用一级；泡沫剂的选用满足发泡要求，依据现行行业标准《泡沫混凝土》(JGJ/T 266—2011)采用HT复合发泡剂；自来水符合现行行业标准《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)。本工程路用泡沫混凝土设计强度为：28d无侧限抗压强度不小于0.8MPa，设计容重为6.0kN/m3。为保证所制作的泡沫混凝土符合强度和密度要求，本试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，具体参数如表1所示，泡沫混凝土制作流程如图1所示。本试验采用试块尺寸为 100mm×100mm×100mm 的标准立方体试块，制作试块的路用泡沫混凝土取自现场浇筑出料口，保证了试验试块原料与实际工程的一致性。首先将试模清理洁净，然后涂刷脱模剂，底部脱模孔用纸片覆盖防漏；浇筑路用泡沫混凝土时，边浇筑边轻轻敲击试模，使试块内部无大气泡滞留，为防止路用泡沫混凝土干缩，制模时采取路用泡沫混凝土，浇筑高度高于模口，待终凝脱模前用刀刮平。试块浇筑完成 30h后脱模，放标准养护室内养护28d。

表1 1 m3泡沫混凝土的配比容重/(kN·m-3)水泥/kg水/kg粉煤灰/kg泡沫剂/L水灰比5.8299132100546.80.55

图1 泡沫混凝土制作流程图

1.2 试验工况及流程

1.2.1试验工况

综合考虑我国不同区域可能出现的年平均冻融循环次数，本试验分别在1、10、50、100、150、200、300次冻融循环时测定路用泡沫混凝土各项性能指标。试验分成2个工况: ① 工况1：温度变化为20℃～10℃～0℃～-20℃～-10℃～0℃～10℃～20℃，考虑冻融循环次数对试件混凝土的影响；② 工况2：温度变化为60℃～-20℃～60℃～20℃～60℃，考虑极端温度变化对试件混凝土的影响。

1.2.2试验流程

工况1试验流程：取21块混凝土试块分为7组，每组3件，编号分别为1#～21#。21块试件一起放入冻融试验箱，在工况1的温度变化条件下进行冻融循环试验，温度每改变1次试块需养护4h，直到冻融循环次数达到规定次数后，取出1组试块并养护4h后做无侧限抗压强度试验。选取每组3个试件的算数平均值作为每组强度标准值，最后乘于系数0.95转化为标准试件抗压强度。

工况2试验流程：选取21块混凝土试件分为7组，试件编号分别为22#～42#，一起放入冻融试验箱，在工况2温度变化条件下对试块进行降温和升温冻融试验。当冻融次数达到规定次数后，取出1组试件养护4h后做无侧限抗压强度试验。选取每组3个试件的算数平均值作为每组强度标准值，最后乘于系数0.95转化为标准试件抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 冻融循环下试样外观形态

混凝土试样经过多次冻融循环试验后，其外观形态会发生一定变化，强度也会随之降低。试样在冻融循环次数达到50次时混凝土表面损伤并不明显，这是由于试块内水分较少， 在升温和降温过程中，试块的短期冻融对试样的表面并没有明显影响以使其破损。在第150次冻融循环开始后试块表面才开始出现微小裂缝，第200次冻融循环后试件表面混凝土裂缝明显增多。

2.2 循环次数对试样抗压强度的影响

以工况1和工况2条件下的各组试件为研究对象，表2为冻融循环荷载试验结果,图2为无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化，从中可看出前期的冻融循环试验对试样强度影响不明显。冻融循环次数从第150次开始，每增加一级冻融的次数，抗压强度随之降低，经过300次冻融后试样的无侧限抗压强度分别达到最小值为1.0MPa和0.69MPa。与工况1中的试件相比，工况2中的试件在冻融过程中的无侧限抗压强度更低，这也说明了极端的冻融循环过程更会加剧强度的降低。

表2 冻融循环荷载试验结果试样编号工况1工况2循环次数/次对应实际年数/a每组抗压强度值/MPa工况1工况21、2、322、23、241 0.21.461.324、5、625、26、2710 1.01.281.227、8、928、29、305010.01.241.1410、11、1231、32、3310020.01.251.1813、14、1534、35、3615030.01.521.3816、17、1837、38、3920040.01.271.0119、20、2140、41、4230060.00.691.00

图2 无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化

2.3 循环次数对混凝土残余强度的影响

图3为工况1条件下试样的残余强度变化规律。可以看出随着冻融次数的增加残余强度呈现出先提高后降低的趋势，在冻融循环次数达到200次，残余强度达到最大值为1.31MPa。当冻融循环达到50次(对应实际通车10a)，其残余强度由1.1MPa上升至1.3MPa，上升了18.7%，此时试块表面无明显影响。

图3 冻融次数与残余强度关系图

冻融循环达到150次(近似通车30a)后泡沫混凝土试块出现裂缝，其残余强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低。这是因为前期由于泡沫混凝土中存在的微小空隙吸水，试件水化程度提高，强度随之有所提高，继续冻融循环的过程中，孔隙中的结晶压使试件产生微裂缝，导致残余强度降低。当循环次数达到300次(近似通车60a)时，其残余强度由1.36 MPa下降至0.99MPa，下降了26.4%，此时虽然出现大量裂缝但未发生结构性破坏，基本上可满足路用年限要求。

3 结论

1) 冻融循环过程中，混凝土的无侧限抗压强度出现较大波动，其中10次冻融后的试块强度与5次冻融循环后的强度变化不大，而且极端冻融循环条件下试样的强度会更低。

2) 在冻融试验中，发现冻融循环混凝土试块从150次冻融开始，每增加一级冻融次数，部分试块出现微小裂缝，抗压强度也随着冻融次数增加而降低，在300次冻融后无侧限抗压强度达到最小值0.99MPa。

3) 当循环次数达到300次(近似通车60a)，其残余强度由1.36 MPa下降至0.99MPa，下降了26.4%，此时虽然出现大量裂缝但未发生结构性破坏，基本上可满足路用年限要求。