浇筑工艺对泡沫混凝土冻融循环后性能的影响

2021-01-21张立业邵志伟史云强

南京工业大学学报(自然科学版) 2021年1期

刘鑫,张立业,邵志伟,史云强

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学隧道与地下工程研究所,江苏南京 210098)

泡沫混凝土是一种重要的建筑材料,美国混凝土协会(ACI)将其定义为水泥、水和预制泡沫的混合物。自20世纪20年代问世以来,经过不断地改进,在20世纪70年代才开始大规模应用于工程建设中。由于其内部有大量的泡沫孔隙,因此具有质量轻、保温隔热性能好、可直立浇筑等优点[1-2],在工程中应用较为广泛[3-5]。

作为土木工程中特殊的建筑材料,同普通混凝土一样,在施工浇筑时会存在整体浇筑和分层浇筑的情况。不同的浇筑方式对后期的应力分布和耐久性能会产生不同影响,因此合理的浇筑工艺对提高工程质量具有重要意义。目前,关于浇筑工艺的研究主要集中在混凝土材料上[6-7],对泡沫混凝土在浇筑工艺方面的研究还较少见。

泡沫混凝土耐久性能的研究也具有重要意义。目前,已有众多学者从不同方面对泡沫混凝土的耐久性能开展相关研究。闫华文等[8]研究了泡沫轻质土在淡水和海水条件下的干湿循环以及在不同养护条件下的耐侵蚀性能,认为干湿循环以及水的存在对泡沫轻质土抗压强度有重要影响。邓安等[9]通过对不同配合比的13组试样在不同冻融循环次数下进行无侧限抗压强度试验,研究了冻融循环对轻质填料抗压强度与变形特性的影响。何国杰等[10]探讨了吸水性与轻质土密度的关系,评价了泡沫混凝土的抗冻融循环性能。Dae-Wook等[11]通过试验研究发现,泡沫混凝土的强度随冻融循环的进行呈降低趋势,而随水泥掺量的增加呈增大趋势。章灿林等[12]研究了不同原料土掺量对泡沫混凝土冻融循环后性能的影响,发现原料土掺量越大,冻融循环对泡沫混凝土性能的影响越大。分析上述文献发现,大多数研究都针对运营阶段环境因素对泡沫混凝土耐久性能的影响,而施工期浇筑工艺对后期耐久性能的影响研究较少。刘鑫等[13]将层次分析法和模糊综合评价法相结合,对影响泡沫混凝土耐久性能的各种因素进行权重分析,结论表明，施工期浇筑工艺对泡沫混凝土耐久性能也有较大影响。因此,开展这方面的研究对改善泡沫混凝土耐久性能具有重要实际意义。

本文中,笔者根据泡沫混凝土现场施工浇筑的特点,利用相似理论,建立室内试验模拟泡沫混凝土整体浇筑和分层浇筑两种浇筑工艺的制样方法,通过不同养护条件改变其含水量,开展冻融循环试验,研究在冻融循环条件下不同浇筑工艺对试样的抗压强度、体积、裂缝发展的影响。本研究可为泡沫混凝土在寒冷地区的浇筑施工提供参考。

1 试验

1.1 材料

试验材料按照CJJ/T 177—2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》[14]进行选取。试验所用固化剂为南京盘固水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥,密度为3 120 kg/m3,其主要物理力学参数如表1所示,各组分质量分数见表2。

表1 试验所用水泥的物理力学参数

表2 试验所用水泥主要化合物质量分数

试验中采用物理方法发泡,发泡剂使用河南华泰工程有限公司生产的复合型蛋白气泡液,pH为7.0左右,密度为1.2 t/m3左右。试验使用长宽高均为100 mm的立方体浇筑模具,一联3个为一组。

1.2 浇筑模拟方法和试样制备

泡沫混凝土的现场浇筑一般分为整体浇筑和分层浇筑。

1)整体浇筑。由于泡沫混凝土浆液中的水泥浆密度远大于气泡群密度,因此在浇筑时的冲击扰动以及静置后的水泥重力作用下,会使泡沫混凝土浆液中上部的水泥向下沉积而气泡群受挤压上移。从而导致整体浇筑的试样内部出现自上而下密度逐渐增大的现象,强度也随之增大,造成内部强度分布不均匀。

2)分层浇筑。泡沫混凝土现场采用分层浇筑方式时,相邻两层之间设计一定的浇筑时间间隔,所以在两次相邻浇筑层之间,存在因受浇筑工艺限制而产生的施工缝。

CJJ/T 177—2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》[14]中规定,泡沫混凝土单次浇筑厚度不宜超过80 cm,室内制样模具高度为10 cm,室内模拟现场浇筑时,各物理量根据相似比理论[15]确定。

f(t,h,P,ρ,σ,E,υ)=0

(1)

选择t、h、P作为基本物理量,则其余4个参数可表示为

(2)

将缩尺模型下标用m表示,根据原型与模型之间的相似关系可得式(3)。

(3)

式中,π表示相似判据。

表3 物理量相似常数

朱俊杰等[16]的研究表明,泡沫混凝土单次最佳浇筑厚度宜控制在50 cm左右,因此结合浇筑厚度相似比Ch,室内模拟分层浇筑时,分两层进行浇筑效果最好,即每层浇筑厚度为5 cm。

通过上述分析,室内制备泡沫混凝土试样的步骤如下：

1)制备水泥浆液。按照试验设计的配合比称取水和水泥,混合搅拌均匀。

2)制备泡沫群。控制气泡密度为48～52 kg/m3,将气泡液和水按照1∶40的质量比进行混合搅拌,经发泡机发泡。

3)将水泥浆液和泡沫群混合搅拌后浇筑。模拟整体浇筑时,可以通过控制浇筑时分层搅拌的时间来控制消泡的程度。由于搅拌时间间隔越长,消泡越多,浆液密度越大,进而达到模拟现场的密度沿深度变化情况,试验中搅拌时间间隔设计为3 min,整体浇筑试样如图1所示。在模拟分层浇筑时,先浇筑模具的1/2(5 cm)，然后采用保鲜膜封盖养护。待达到设计浇筑时间间隔后,再浇筑1/2高度试样,将模具充满形成完整试样,进而可以模拟现场分层浇筑时出现的施工缝,试验中浇筑时间间隔设计为8 h,分层浇筑试样如图2所示。

4)养护。浇筑完成后使用塑料薄膜封盖,在(20±2) ℃、98%±2%的恒温、恒湿标准条件下养护48 h后脱模,编号后继续养护28 d。

图1 整体浇筑试样Fig.1 Whole casting sample

图2 分层浇筑试样Fig.2 Layered casting sample

1.3 试验设计

1.3.1 配合比和含水量水平

试验设计水灰比为0.58、气泡体积含量为700 L/m3、湿容重为7 kN/m3。泡沫混凝土作为一种多孔材料,其含水量难以控制,参考文献[17]考虑含水率的影响,本试验设置3个含水量水平:室内环境下放置7 d(w室内)、标准养护放置7 d(w标准)和浸水环境放置7 d(w浸水),从养护后称质量以及含水量试验结果可知,含水量大小顺序为w浸水>w标准>w室内。为避免试样在冻融循环过程中造成水分流失,所以对浸水条件养护试样采取密封处理。

1.3.2 冻融循环试验

冻融循环试验参考美国ASTM D560/D560M:2016[18]规范进行,步骤如下：

1)冻循环。将冷冻柜-40 ℃预冷1 h后,将两种试样放入冷冻柜中,在(-30±5) ℃下冷冻24 h后取出称质量,并测量其长宽高3次取平均值。

2)融循环。将标准养护试样和浸水养护试样置于(20±2) ℃、湿度100%±2%的养护室中融化23 h,将室内养护试样置于室内环境中融化23 h。然后称质量,并测量其长宽高3次取平均值。

试验共进行10次冻融循环[19],每次冻融循环结束后进行无侧限抗压强度试验并记录峰值强度,无侧限抗压强度试验按照JTG E40—2007《公路土工试验规程》[20]进行。整体浇筑试样编号为CD,分层浇筑试样编号为DJ,标准养护编号为1,浸水养护编号为2,室内养护编号为3。同一浇筑工艺每种含水量制备30个平行试样,每次冻融循环结束后取每种含水量下的3个试样测量其长宽高,计算前后体积变化,并进行无侧限抗压强度试验,取3个试样的体积与强度平均值作为最终值。试验示意图如图3所示。

图3 冻融循环试验示意图Fig.3 Schematic diagram of freezing-thawing cycle tests

2 结果与分析

2.1 含水量

表4为不同养护条件下试样含水量统计表。由表4可以看出:在标准养护条件下两组试样含水量相差较大,总体范围为20%～27%;浸水养护试样含水量两组之间相差较小,为30%左右;室内养护试样含水量约为6%～8%,说明3种含水量的设计对各组初始劣化试样的区分较为明显。

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表4 不同养护条件下试样含水量

2.2 抗压强度变化

泡沫混凝土作为一种多孔材料,其冻融循环的破坏机制与普通混凝土不同,Senbu等[21]认为在较大空气孔隙中存在水分是引起泡沫混凝土劣化破坏的主要原因。泡沫混凝土与普通混凝土之间的差异导致了明显的两相冻融劣化,一相是受冷冻水的膨胀力[22],另一相是受饱和表层和非饱和表层的差异力[23]。在这两相力的作用下,造成了泡沫混凝土的冻融循环劣化。因此，含水量对泡沫混凝土冻融劣化有着重要影响。

为了研究不同含水量对冻融循环条件下两种浇筑试样抗压强度的影响,定义相对强度变化率(η)为28 d无侧限抗压强度(qu)和冻融循环结束后无侧限抗压强度(q′u)的差值与qu之比,如式(4)所示。

(4)

η越大表示含水量对冻融循环后的抗压强度影响越大。

针对各组试样进行10次冻融循环试验,图4和5分别为整体浇筑试样和分层浇筑试样的抗压强度随冻融循环次数的变化曲线。图4和5中，n为冻融循环次数,R2为相关系数。

图4 整体浇筑试样抗压强度变化曲线Fig.4 Compressive strength variation curves of whole casting samples

图5 分层浇筑试样抗压强度变化曲线图Fig.5 Compressive strength variation curves of layered casting samples

由图4可看出:整体浇筑试样冻融循环后的抗压强度与冻融循环次数呈良好的线性关系,可以用直线(qu,n=an+b)拟合。当含水量对应标准养护、浸水养护和室内养护时,η分别为42.35%、43.95%和35.22%。因此,含水量越大,冻融循环结束后抗压强度下降也越大,即对冻融循环后无侧限抗压强度影响越大。产生这种规律的原因是含水量越大,随着冻融循环的进行,产生的冻胀效应越明显,对试样内部结构破坏越大,因此导致抗压强度下降越大。由图5可知:分层浇筑试样冻融循环后的抗压强度与冻融循环次数呈良好的指数函数关系,可以用曲线(qu,n=a+bcn)来拟合,在第4次到第7次冻融循环时,抗压强度下降趋势明显减缓。当含水量对应标准养护、浸水养护和室内养护时,η分别为36.66%、38.25%、35.15%,也呈现出含水量越大,冻融循环后无侧限抗压强度下降越大的规律。

对比图4和5的相对强度变化率可以发现:分层浇筑试样在冻融循环后的抗压强度变化小于整体浇筑试样的抗压强度变化,并且分层浇筑试样冻融循环后的无侧限抗压强度受含水量的影响程度小于整体浇筑试样。说明分层浇筑工艺有助于提高泡沫混凝土在不同含水量下的抗冻融能力。

2.3 体积变化

体积的变化情况通过相对体积变化率(β)表示,定义β为试样第n次融循环后的体积VRn和第n次冻循环后体积VDn的差值与初始体积V0之比,即

(5)

试验中取3个试样体积平均值作为该含水量下的体积,图6和7分别为整体浇筑试样和分层浇筑试样在3种含水量下相对体积变化率随冻融循环次数的变化曲线。

由图6可知:整体浇筑试样的相对体积变化率在3种含水量下变化趋势大致相同,当含水量对应标准养护、浸水养护和室内养护时,相对体积变化率的方差分别为0.225%、0.226%和0.490%。因此,体积变化幅度最大的是室内养护试样,浸水养护和标准养护时试样体积变化幅度差别不大。由图7可知:当含水量对应标准养护、浸水养护和室内养护时,分层浇筑试样的相对体积变化率的方差分别为0.173%、0.085%和0.072%。因此,标准养护条件下试样体积变化幅度最大,浸水养护和室内养护时试样体积变化幅度差别不大。

图6 整体浇筑试样相对体积变化率曲线Fig.6 Relative volume change rate curves of whole casting samples

图7 分层浇筑试样相对体积变化率曲线Fig.7 Relative volume change rate curves of layered casting samples

对比图6和7还可以看出:分层浇筑试样的体积变化幅度小于整体浇筑试样,同时分层浇筑试样冻融循环后体积变化受含水量的影响程度也小于整体浇筑试样,在室内养护条件下,两种浇筑试样冻融循环后相对体积变化率的方差相差最大,为0.418%。这也说明了分层浇筑更适合于含水量变化较大的高寒环境下的施工。

2.4 裂缝发展分析

在每次冻融循环结束后进行无侧限抗压强度试验,选取两种浇筑试样分别观察其裂缝发展形式,其中典型试样的裂缝形式如图8和9所示。

图8为整体浇筑试样在不同冻融循环次数下的裂缝发展情况。由图8可以看出:裂缝形式主要为纵向贯穿裂缝;在最后一次冻融循环时,密度交界面处还会产生横向裂缝(图8(d))。这是由于在密度交界处,上下密度的差异导致含水量存在差异,产生冻胀应力的应力集中现象,从而在密度分界面处出现局部横向裂缝。

图9为分层浇筑试样在不同冻融循环次数下的裂缝发展情况。由图9可以看出:裂缝形式虽然还是以纵向贯穿裂缝为主,但在浇筑分层处,会使纵向裂缝发生偏移,并且在分层处还会产生压碎现象。这是由于在浇筑分层处存在类似于岩石的“节理”面,在受压时,由于施工缝的存在,产生的各向异性使应力方向发生改变,从而产生了裂缝的横向偏移。