基于不同砂浆类型的围护结构冻融模拟性能研究

摘 要：

为了提升冻融环境下围护墙体的服役性能，以砂浆类型为变量研究冻融条件下围护结构砂浆层的抗冻融性能。分别设计水泥砂浆、聚丙烯纤维砂浆和聚合物砂浆围护结构试件并进行100次冻融循环试验，采用智能弦式应变传感器监测应变变化；并采用顺序耦合热应力分析法建立数值模型模拟冻融循环作用下的温度场和由此产生的应变，进行结果验证。结果表明：经过100次的冻融循环试验，水泥砂浆围护结构的最大应变值超过3.0×10-4，并产生裂缝；相对于水泥砂浆，聚丙烯纤维砂浆和聚合物砂浆围护结构在冻融循环作用下，峰值应变大幅降低，最大应变值范围在3.0×10-5～4.0×10-5，且砂浆层均未开裂，数值模拟结果与试验结果基本一致。研究揭示了不同砂浆类型围护结构在冻融循环过程中病害形成机制，通过在砂浆中掺入聚合物和纤维增强其抗冻融性能，使围护结构在冻融条件下保持良好的服役性能，对提高围护结构耐久性具有重要的工程应用价值和理论意义。

关键词：

特种建筑材料；砂浆；冻融循环；病害；围护结构；服役性能

中图分类号：

TU525

文献标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx03003

收稿日期：2023-10-13;修回日期：2024-04-03；责任编辑：王淑霞

基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科技开发课题（院科20-67）

作者简介：

张超凡（1993—），男，河南郑州人，工程师，硕士，主要从事建筑结构设计方面的研究。

E-mail：17792852450@163.com

张超凡.

基于不同砂浆类型的围护结构冻融模拟性能研究

［J］.河北工业科技，2024，41（3）：175-182.

ZHANG Chaofan.

Research on freeze-thaw simulation performance of enclosure structures based on different types of mortar

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（3）：175-182.

Research on freeze-thaw simulation performance of enclosure structures based on different types of mortar

ZHANG Chaofan

（China Railway First Survey and Design Institute Group Company Limited， Xian， Shaanxi 710043， China）

Abstract：

In order to improve the service performance of the enclosure wall under freeze-thaw environment， the freeze-thaw resistance of the mortar layer of the enclosure structure under freeze-thaw conditions was investigated with the mortar type as the variable. Cement mortar， polypropylene fiber mortar and polymer mortar enclosure specimens were designed for the freeze-thaw cycling test studies， and 100 freeze-thaw cycling test studies were conducted. The strain changes were monitored by intelligent string strain sensors and the results were verified by using a numerical model， which used sequential coupled thermal stress analysis to simulate the temperature field and the resultant strain under the action of freeze-thaw cycling. The results show that after 100 freeze-thaw cycle tests， the maximum strain value of cement mortar in the enclosure structure is more than 3.0×10-4， and cracks are generated. Compared to cement mortar， polypropylene fiber mortar and polymer mortar enclosure structure under the action of freeze-thaw cycle， the peak strain is greatly reduced， the maximum strain value is in the range of 3.0×10-5～4.0×10-5， none of the mortar layer is cracked， and the numerical simulation result is basically the same as the experimental result. The study reveals the disease formation mechanism of different mortar types of enclosure structures during freeze-thaw cycles， and proposes the enhancement of freeze-thaw resistance by mixing polymers and fibers in mortar， so as to maintains good service performance of the enclosure structure under freeze-thaw conditions. It has important engineering application value and theoretical significance for improving the durability of enclosure structures.

Keywords：

special building materials; mortar; freeze-thaw cycles; disease; enclosure structure; service performance

青藏铁路是世界上海拔最高的铁路工程，由于受到冻融环境的影响，铁路沿线的建筑物出现了不同程度病害现象。青藏高原大气温度持续升高和降水量不断增加，是各类建筑病害出现的主要原因［1-3］。铁路建筑围护结构的功能主要体现在提升结构强度、保温、防水防潮和增加耐久性方面。传统的围护结构（如：砌体、混凝土结构）极易受到下部基础变形和位移的影响，出现倾斜、开裂、甚至倒塌等破坏现象［4］，如图1所示。铁路建筑本身有空间、型式和构造上的行业特殊性，受大幅度正负温差、大风速、干燥、强太阳辐射等气候因素的作用，建筑围护结构更容易发生风化变质、破损、裂缝、分离掉落等病害［5］。

围护结构是构成建筑空间、抵御环境不利影响的构件。目前，面向青藏地区铁路建筑物围护结构的研究，仅有少量着眼于改善建筑物室内环境的技术方法，针对在高寒地区建筑物围护结构中不同砂浆类型的抗冻融性能研究与应用成果亟需补充和完善。

建筑围护结构遭受冻融循环后的病害严重影响青藏地区的居民生活，改善建筑围护结构功能、保持良好状态及延长使用寿命是极其必要的。有研究表明，新建建筑围护结构在冻融环境下的性能劣化过程亟需关注。郑茂余等［6］通过模拟发现，新建建筑围护结构的初始含湿量和结冰量导致第1年干燥速率快、保温性能差，且传热系数显著增加，影响建筑能耗。刘珣等［7］利用电子显微镜观察到冻融循环对围护材料界面的破坏作用，而余自若等［8］的研究表明，超高性能混凝土可作为理想围护材料，提高砂浆的抗裂性能。李长辉等［9］优化了聚丙烯纤维的掺量和性状；卿俊臣等［10］分析了高韧性聚合物砂浆的微观结构，发现聚灰比的增加可显著提升砂浆的韧性；史建军等［11］进一步证实，聚合物的加入改善了砂浆孔结构，从而增强其抗冻性。青藏地区铁路围护结构砂浆层的损伤破坏是影响围护结构服役时间的主要原因，而聚丙烯纤维砂浆和聚合物砂浆具有较高的抗裂性能，可以将其应用在对抗裂要求较高的工程中，其出色的阻裂效果已得到试验验证及工程的证实。

本研究对水泥砂浆、聚丙烯纤维砂浆以及聚合物砂浆3种不同砂浆类型的围护结构施加同等冻融循环条件，分析围护结构砂浆层的冻融性能，研究冻融环境条件下围护结构主要病害形成过程及演化机制，并提出有效控制冻融环境下围护结构病害的针对性措施，以期为围护结构在冻融环境服役的应用提供数据参考和选材建议。

1 试验概况

1.1 试验方案设计

按照房建工程围护结构的抹灰工艺制作大尺寸构件，研究围护结构墙体在冻融循环下病害的形成过程及演化机制。制作3种砂浆类型的围护结构，砂浆层分别采用水泥砂浆、聚丙烯纤维砂浆、聚合物砂浆。每个冻融循环周期内，试件被置于－25 ℃的环境中冻结2 h，随后在25 ℃的环境中融化2 h。整个试验过程共进行100次循环，以确保模拟的冻融循环作用足够充分。

冻融循环试验装置如图2所示，试验采用可程式恒温恒湿试验箱（中研立华仪器科技有限公司提供），试验箱具有精确的温湿度控制能力，能够准确模拟出－25～25 ℃的冻融循环温度及湿度条件，有效模拟青藏地区房建工程围护结构的冻融循环作用。利用智能弦式应变传感器（长春华贸仪器仪表有限公司提供）对各个砂浆层的应变进行实时监测，并通过长沙金码测控科技股份有限公司生产的JMZX-16A综合采集器对监测数据进行实时采集和记录。

1.2 试验模型的制作

设计3种不同砂浆类型的围护结构，制造尺寸为700 mm×500 mm×165 mm的试件，其中165 mm为墙体厚度（由100 mm空心砌块墙体、35 mm挤塑苯保温层和30 mm砂浆找平层组成），如图3所示。砂浆找平层分别采用以下3种类型砂浆：聚丙烯纤维砂浆〔即在砂浆中掺入体积比（下同）为0.5%的聚丙烯纤维〕、聚合物砂浆〔聚灰比w（聚合物）∶w（水泥）=1∶10〕、水泥砂浆（水灰质量比值为0.36，灰砂质量比值为0.5）。砂浆中减水剂用量为胶凝材料用量的0.5%（质量分数）。

在制作聚丙烯纤维砂浆过程中，采用先掺法制作工艺。在进行正式搅拌之前，将聚丙烯纤维与水泥进行干拌，搅拌均匀后，再加入混合好的水和减水剂，开始正式搅拌，使各材料混合均匀。

聚合物能够提高新拌砂浆的保水性和内聚力，改善砂浆的施工性能，增加硬化砂浆韧性、耐久性和黏结强度等性能，为制得品质稳定、使用方便和高工效的聚合物改性砂浆，采用粉剂制成的干粉砂浆聚合物。

在加工过程中，将智能弦式应变传感器预埋入砂浆层，传感器的预埋位置如图4所示。保温层固定完毕后制作水泥砂浆层。施工前，先对保温层表面的杂物和凹凸不平进行处理，使保温层表面平整，以保证砂浆层施工顺利进行。

加工完成后，将大尺寸构件模型置于高低温环境试验舱内，施加冻融循环作用。在试验过程中，通过采集仪记录层面结构相应位置的应变和温度，并通过观测结构变化情况来分析病害产生的原因和演化机制。

2 试验结果分析

2.1 围护结构模型砂浆层温度分析

由于3种不同砂浆类型围护结构的砂浆所处的环境一致，所以砂浆层温度会随着冻融循环温度的变化而变化。试验共进行100次冻融循环，每4 h循环1次，每次冻融循环温度变化相同，选取前6次冻融循环进行温度分析，如图5所示。

设置围护结构砂浆层的初始温度为10 ℃，从10 ℃开始，对围护墙体试件进行冻融循环试验，如图5所示的2条竖向虚线之间，表示1次冻融循环试验的温度变化，1次冻融循环试验的温度变化范围为-25～25 ℃。砂浆表面直接与环境温度接触，内部温度在短时间内迅速发生变化，与设定的冻融循环温度变化一致。

2.2 砂浆层破环现象及应变分析

2.2.1 水泥砂浆

在冻融循环作用下，砂浆的孔隙总体积较大，占砂浆体积的 10％～15％，对水泥渗透性影响很大，水泥砂浆内部含有大量水分，使得冻融危害更大［12-14］。水泥砂浆层应变曲线如图6所示。试件在冻融循环条件下，受降温、升温的反复影响，水泥砂浆内部的水分反复冻结与融化，使得水泥砂浆的应变在每个循环内均先增大后变小。初始几个循环内，应变增大值大于降低值，总体趋势表现为每个循环的应变峰值逐渐增大。随着冻融循环次数的增加，水泥砂浆内部的冻胀变化达到稳定，试件应变峰值逐渐稳定。冻融循环持续进行过程中，水泥砂浆受到不可逆的危害，水泥砂浆层的应变峰值随着冻融循环次数的增加逐渐上升，最终使得砂浆层达到开裂状态。裂缝会随着冻融循环次数的持续增加而增大，当水泥砂浆应变值达到3.4×10-4时，所监测部位的裂缝不再发展，曲线峰值保持稳定的循环状态。

水泥砂浆层表面微裂缝如图7所示。裂缝呈均匀的形态出现，裂缝极其细小，外表面裂缝的产生导致砂浆层内部渗水，裂缝的衍生导致围护结构出现渗水病害。

冻融循环导致青藏地区建筑物围护结构的水泥砂浆层产生较大的应变，致使其开裂，最终导致渗水情况的发生，加剧冻融危害，并对保温层等结构层产生不利影响。

2.2.2 聚丙烯纤维砂浆

聚丙烯纤维砂浆是在水泥砂浆的基础上掺入了0.5%的聚丙烯纤维。聚丙烯纤维的比表面积较大，可以分散在水泥砂浆内部，起到桥接不同材料的作用，在水泥砂浆的硬化阶段可有效减少早期裂缝的发生，使得水泥砂浆在硬化后具有较好的抗裂性能［15-16］。对围护结构墙体而言，原生裂缝在数量的减少和尺度的减小对提高其使用性能是非常有利的。纤维在砂浆中的阻裂效应能够降低其应变值，增加砂浆的抗拉强度，在砂浆中掺入纤维能够解决砂浆因抗拉强度不足造成的易裂问题。在冻融循环作用下，聚丙烯纤维砂浆层的应变曲线如图8所示。

在温度降低至－25 ℃过程中，聚丙烯纤维砂浆层应变呈逐渐增大的趋势，由于温度下降，砂浆内部的水分冻结膨胀，冻结的应变大于砂浆内部收缩应变，所以聚丙烯纤维砂浆层的应变减小（绝对值增大），其应变最大值为2.9×10-5。这主要是因为聚丙烯纤维具有阻裂功能（纤维拉力），阻止了水泥砂浆层拉伸开裂。

在温度升高至25 ℃过程中，聚丙烯纤维砂浆找平层内的孔隙冰逐渐融化，冻胀程度逐渐减小，但是砂浆内部收缩，会使聚丙烯纤维砂浆的应变逐渐降低，应变极小值为-2.8×10-5。随着冻融循环次数的增加，聚丙烯纤维砂浆拉伸和收缩都处于弹性阶段，应变在2个特定的值之间循环。冻融循环环境使得聚丙烯纤维砂浆产生一定范围的应变变化，但是达不到砂浆开裂程度，故可以有效避免砂浆层遭受冻融破坏，从而防止保温层失效漏水，进而使围护结构墙体的使用年限更长。

2.2.3 聚合物砂浆

聚合物砂浆由25％～35%（质量分数，下同）的水泥、55%～65%（质量分数，下同）的砂、5%～10%（质量分数，下同）的粉煤灰和2%～4%（质量分数，下同）的可溶性胶粉、0.1%～0.5%（质量分数，下同）的木质纤维、0.2%～0.5%（质量分数，下同）的羟丙基甲基纤维素组成。聚合物水泥砂浆内部原有的缺陷、孔洞及微裂缝被具有较高黏结力的膜所充实，且这些聚合物最终形成与水泥浆相互交缠在一起的互穿网络结构，使得集料与浆体之间的过渡区得以加强。因此，可以减少水泥砂浆结构内部的缺陷，有效抑制微裂缝的扩散，使材料的抗裂性能得以提升［17-18］。

聚合物砂浆应变曲线如图9所示。聚合物砂浆找平层在施加冻融作用后，随着冻融循环次数的增加，应变曲线整体趋势与聚丙烯纤维砂浆找平层应变曲线趋势一致，均是在2个特定值之间进行循环，但是应变极大值和极小值不同。在温度降低至－25 ℃过程中，聚合物砂浆内部水分被冻结，产生膨胀，在这个过程中，砂浆也在不断收缩，但由于聚合物的存在使得砂浆内部原有的缺陷、孔洞及微裂缝被具有较高黏结力的膜所充实，所以膨胀和收缩的幅度都较小，但整体膨胀程度比收缩程度要大，故曲线在温度降低过程中，砂浆的应变增大，最大拉伸应变值为3.5×10-5，尚未达到砂浆开裂应变值。在温度升高至25 ℃过程中，砂浆冻结程度逐渐降低，砂浆持续收缩，故应变在温度降低过程中逐渐降低，最小应变值为-1.2×10-5。

3 数值模拟分析

3.1 顺序耦合热应力分析方法

利用精细化数值模型，对冻融环境下围护结构的应变变化进行分析验证。综合考虑材料属性、温度场变化、水分迁移与相变、结构几何与边界条件、网格细化与数值稳定性等因素，更准确地模拟和分析冻融条件下围护结构的应变变化行为。采用热应力分析方法中的顺序耦合热应力分析法对温度场变化进行分析，此类方法适用于因温度场的存在而产生的应力、应变场，且温度求解的过程与应力的状态无关，应力、应变场随温度的变化而产生，而温度并不依赖于位移［19-20］。顺序耦合热应力分析的思路如下。

1）在热传导分析中，温度作为未知量求解温度场。

2）在应力分析中，位移是未知量，节点温度作为已知的外部荷载产生热应变，温度场通过以下方式影响应力场：在温度增加的情况下，一个未约束体体积通常会发生膨胀；在温度降低的情况下，会出现体积收缩。这种应变与温度之间的关系称为热膨胀系数，通过热膨胀系数搭建一个温度场产生应力场的桥梁。

3.2 计算模型的建立

采用顺序耦合热应力分析方法分2步建立计算模型。

第1步 建立热传导模型，模型包括砌体墙、保温板和砂浆层3个部件，三者均采用实体单元建模。考虑到砖砌块和砂浆之间复杂的应力状态，所以不考虑每一块砖之间与黏结砂浆的连接，采用砌体砖与黏结砂浆整体建模的方法，即将砌体墙看成一个整体，使得2种材料协同工作，简化模型，得出分析结果。对于砂浆层与保温板、保温板与砌体墙之间的界面，黏结力能够保证二者之间能够协同变形，两者之间采用绑定约束，在受力过程中不产生相对滑移。在材料属性中设置材料热力学参数，砂浆的热力学参数见表1。热传导的分析步类型设置为热传递类型，1次冻融循环的时间为4 h， 100次冻融循环时间为1.44×106  s，即分析步的总时间设置为1.44×106  s。在划分网格时，三者网格单元格设置为DC3D8R（八结点线性传热六面体单元），三者的网格大小均相同，避免分析结果不准确。在设置冻融循环的温度条件时，采用编辑温度幅值的方法，以实现温度在－25～25 ℃交替循环，最后通过计算得到围护结构在冻融循环下的温度场结果。

第2步 在进行热应力分析时，网格的类型采用三维应力类型。网格划分的大小与热传导分析的网格大小相同。砌体墙、砂浆层、保温板的网格属性改为C3D8R三维实体单元类型。C3D8R，即八结点线性六面体单元，通过沙漏控制减缩积分。分析步类型设置为静力-通用，总的分析步时间不变，将热传导分析所得温度场结果作为预定义场温度荷载进行设置，最后设置材料的力学参数，通过温度场作用，使模型表面产生温度应力，砂浆具体参数见表2。

3.3 边界条件设置

围护结构砂浆层表面赋予－25～25 ℃冻融循环的温度条件，围护结构的环境温度为10 ℃，可将整个围护结构有限元模型初始温度设置为10 ℃。除围护结构砂浆层外表面外，其余各面设置为绝热的边界条件，保证温度只从砂浆表面进入围护结构内部。

3.4 温度场验证

图10为冻融循环下围护结构砂浆层的温度变化示意图。在砂浆层外表面施加温度循环后，围护结构墙体的温度从10 ℃迅速开始降低。由图10 a）可知，围护结构表面砂浆层直接接触外界环境，温度变化比其余2层要明显，由于保温板的作用，围护结构的温度分布由内至外呈递减趋势，空心砖砌体墙的温度变化最低。由图10 b）可知，当温度循环到达25 ℃时，砂浆外表面迅速达到25 ℃，墙体温度分布由内至外呈递增状态。由图10 c）可以看出水泥砂浆的内部的温度呈周期性变化，最低的温度接近-25 ℃，最高的温度峰值接近25 ℃，周期的长度约为4 h，符合试验环境的冻融循环温度变化规律。

3.5 砂浆层应变验证

通过设定特定的冻融循环温度和边界条件，模拟高原冻融循环环境条件，最终得到冻融循环作用下水泥砂浆层、聚丙烯纤维砂浆层、聚合物砂浆层的围护结构的应变曲线（见图11）以及围护结构墙体的应变云图（见图12）。

由图11 b）和图11 c）可知，聚合物砂浆围护结构墙体以及聚丙烯纤维砂浆墙体在经历100次冻融循环后，应变曲线变化与试验相符，均是在一个特定区间内循环变化，每次循环变化的数值相差较小，而数值模拟的聚丙烯纤维砂浆层、聚合物砂浆层砂浆的最大应变值分别为2.7×10-5和4.1×10-5，始终未达到开裂应变值。聚合物和聚丙烯纤维均提升了砂浆的抗拉能力，冻融循环下其应变大幅减小，表面砂浆层未受到危害，保温板工作正常，围护结构处于正常服役状态。

水泥砂浆、聚丙烯纤维砂浆、聚合物砂浆的围护结构墙体在100次冻融循环作用下的应变云图如图12所示。

从图12可以看出，砂浆层是整个围护结构中应变最大的部分，由砂浆层至空心砖墙体应变逐渐减小，空心砖墙体和保温层的应变都相对砂浆层较小。如图11 a）所示，水泥砂浆层的最大模拟应变值为3.2×10-4，且模拟应变曲线与试验曲线（见图6）变化趋势一致，峰值应变均已经达到砂浆的开裂应变，说明水泥砂浆层已经开裂。水泥砂浆应变值比聚丙烯纤维和聚合物砂浆大，表示聚合物和聚丙烯纤维均对围护结构墙体砂浆层的抗拉能力有较强的提升。实际试验中，裂缝会随着冻融循环继续发展，当拉伸应变值为3.4×10-4时（见图6），裂缝停止发展，应变不再增大。有限元模拟结果与试验结果误差较小，与试验的结果基本一致。

4 结 语

本文通过试验和数值模拟分析，对围护结构墙体砂浆层抗冻融性能和提升技术进行研究，为提升青藏地区建筑围护墙体的服役性能提供参考。

1）普通水泥砂浆层在100次冻融循环后，其最大拉伸应变值达到3.4×10-4，超出了砂浆的开裂应变，导致开裂。而聚丙烯纤维砂浆层和聚合物砂浆层的最大应变值分别为2.9×10-5和3.5×10-5，远低于水泥砂浆层，有效避免了开裂现象。

2）数值模拟得到的聚丙烯纤维砂浆层和聚合物砂浆层的最大拉伸应变值分别为2.7×10-4和4.1×10-5，均未超过各自砂浆的开裂应变值，进一步证实了这2种改性砂浆在抵御冻融破坏方面的优越性能。

3）通过在砂浆中添加聚丙烯纤维或聚合物，可以显著提高围护结构墙体的抗拉能力，减少冻融循环引起的应变，保护保温层免受损害，从而延长围护结构的使用寿命。

本试验重点研究了水泥砂浆、聚丙烯纤维砂浆和聚合物砂浆3种类型围护结构的抗冻融性能，但未考虑实际环境中其他因素对围护结构的影响，在以后的研究中将模拟实际环境条件，考察其他环境因素对围护结构抗冻融性的影响。另外，随着新型材料的不断涌现，未来可进一步拓展围护结构的材料种类，开发出更具抗冻融性能的新型砂浆材料，以延长高寒地区围护结构墙体的服役寿命。

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