畢曉茜，于洋，李雁，張志軍，呂芳禮

（徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇徐州 221000）

普通輕質(zhì)混凝土砌塊由于具有輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小等優(yōu)點，成為現(xiàn)在乃至未來新型墻體材料的主要發(fā)展產(chǎn)品之一[1-2]。但是從另一方面分析，由于其表觀密度較低，抗壓強度和抗拉強度也較低，大大限制了在建筑工程中的使用范圍。利用污泥生產(chǎn)陶粒是對有害資源的合理化利用，污泥陶粒還具有密度低、筒壓強度高、孔隙率大、抗堿集料反應(yīng)等特點。將污泥陶粒加入到普通輕質(zhì)混凝土中作為骨料，彌補了普通輕質(zhì)混凝土砌塊的一些不足。近年來也得到了較廣泛的應(yīng)用，制成的輕質(zhì)多孔型污泥陶粒混凝土砌塊，抗壓強度能達到7 MPa以上。但是，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴大，對其環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的要求。相關(guān)調(diào)查顯示，我國超過50%的大型工程都受到不同程度的凍融破壞。我國的東北地區(qū)是凍融破壞主要地區(qū)，建筑物受到凍融破壞也最為嚴重。污泥陶?；炷疗鰤K作為砌筑墻體的自承重材料[3-5]，如何提升該材料的耐久性，成為了制約污泥陶?；炷疗鰤K的發(fā)展的因素之一。因此對污泥陶?；炷疗鰤K在凍融環(huán)境下性能穩(wěn)定性進行研究十分必要。

1 試 驗

1.1 試驗材料

水泥：P·O42.5水泥，其技術(shù)性能見表1。

表1 水泥的技術(shù)性能

粉煤灰：Ⅱ級，徐州銅山柳新電廠，45 μm方孔篩篩余20%。由于其具有火山灰活性，能與水泥水化過程中Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成堅固的火山灰物質(zhì)，可以有效增強混凝土砌塊的耐久性。其主要性能指標見表2。

表2 粉煤灰的性能指標

泡沫劑：松香型液體泡沫劑，河南鄭州科雷普化工有限公司，固含量48%～52%，pH值6～7。

污泥陶粒：浙江鼎盛陶粒建材廠生產(chǎn)，密度等級500級，粒徑3～5 mm。污泥陶粒是通過在陶粒燒制基料中加入適量污泥后進行一系列燒制流程制成的高強陶粒，有輕質(zhì)高強、耐高溫、耐腐蝕等特點，可以有效改良混凝土砌塊的綜合性能。其主要化學(xué)成分見表3。

表3 陶粒的主要化學(xué)成分 %

1.2 污泥陶?；炷疗鰤K的制備

污泥陶?；炷疗鰤K是以水泥、粉煤灰、水、泡沫劑等原料按1∶0.3∶0.35∶0.002配比配制成漿液，然后加入體積比不小于40%的污泥陶粒，經(jīng)震動成型、切割、蒸壓養(yǎng)護、拆模等工序后制成的輕質(zhì)混凝土砌塊。

1.3 試驗儀器

KDS60型凍融試驗箱：南京安奈試驗設(shè)備有限公司；101-2型恒溫干燥箱：無錫建儀；CMT5305電子萬能試驗機：美特斯（深圳）有限公司；電子磅秤（感應(yīng)量1 g）：廣東博佳衡器；VEGA3-XMU型掃描電子顯微鏡（SEM）：捷克泰思肯公司。

1.4 循環(huán)制度

將制成的污泥陶粒輕質(zhì)混凝土砌塊進行切割，將待凍融試塊放進電熱鼓風(fēng)干燥箱，在55～65 ℃下保溫24 h，然后在75～85 ℃下保溫24 h，再在100～110 ℃下烘干到質(zhì)量恒定。

拿出試塊冷卻至室溫，立即稱取質(zhì)量，浸入15～25 ℃水中，水面高出試塊30 mm，保持48 h。

取出試塊，用濕布抹去表面水分，放入預(yù)先降溫至-15 ℃以下的冷凍室，試樣間的間距不小于20 mm，溫度降至-18 ℃開始記錄時間。在-18～-22 ℃下凍6 h取出，放入15～25 ℃水槽中，融化5 h作為1次凍融循環(huán)，以此類推凍融到相應(yīng)次數(shù)。

共5組試塊，每組3個試塊，第1組為對照組，編號為D1-1、D1-2、D1-3凍融次數(shù)為0。第2組～第5組為凍融循環(huán)后不同速度加載實驗組，編號為S2-1、S2-2、S2-3～S5-1、S5-2、S5-3，S2組和S3組凍融5次，S4組和S5組凍融15次。

1.5 試驗內(nèi)容

依據(jù)GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》，對不同試塊進行相應(yīng)次數(shù)的凍融循環(huán)，計算不同情況凍融后的質(zhì)量損失。進行抗壓試驗，S2組和S4組施加常規(guī)恒定荷載2.5 mm/min，S3組和S5組施加慢速荷載0.05 mm/min，加載過程中觀察曲線變化特征和破壞特點，記錄破壞壓力P。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融對試塊質(zhì)量和強度的影響（見表4）

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)后各組試件的質(zhì)量損失率和破壞荷載

2.2 試樣力學(xué)特征和破壞形式分析

試驗機和加載裝置見圖1?？箟涸囼灣Ｒ?guī)速度和慢速加載試塊的典型加載過程見圖2、圖3。

圖1 試驗機和加載裝置

圖2 加載試塊的典型加載過程（5次凍融循環(huán)后）

圖3 加載試塊的典型加載過程（15次凍融循環(huán)后）

從圖2、圖3可以看出：

（1）相同凍融循環(huán)次數(shù)后，常規(guī)速度和慢速加載相比，常規(guī)速度加載時曲線發(fā)展的速度較快，到達峰值后迅速下行，說明材料一旦達到臨界力，之后的破壞是比較快速劇烈的。從慢速的角度看，因加載速度較慢，破壞的發(fā)展沒有那么劇烈。就會出現(xiàn)一個“臺階”狀態(tài)，形成一定的相持[6]。類似材料的徐變過程。從材料應(yīng)用的角度分析，慢速加載與實際應(yīng)用的場景更加的接近。

（2）相同加載速度下，隨著凍融次數(shù)的增加，破壞荷載減小，凍融對材料抗壓性能的影響較大。5次凍融后慢速加載狀態(tài)下和15次凍融后慢速加載狀態(tài)下，峰值后表現(xiàn)的“臺階”狀態(tài)有比較大的差異。15次凍融后的慢速相持階段反而較長，可以推斷，凍融對材料的抵抗壓力的極限值雖然有消極影響，但是卻延緩了材料極限狀態(tài)下向劇烈破壞的發(fā)展。

未凍融的對照組在施加壓力前，試塊整體比較完整，隨著壓力的增大，開始出現(xiàn)細裂紋，之后隨著裂紋的擴展、形成連通裂紋，隨著連通裂紋的發(fā)展，抗壓能力劇烈下降，最后破壞。如圖4所示。

圖4 未凍融組試塊的破壞形態(tài)

凍融組的試塊在施加壓力前，因為凍融的作用，使得試塊表面發(fā)生剝蝕，有些位置出現(xiàn)局部的缺棱現(xiàn)象。缺棱的試塊在施加壓力時，往往會在缺棱的位置發(fā)生集中應(yīng)力，引起試塊局部的抗壓力急速下降，導(dǎo)致試驗停止。因此中間位置裂紋的發(fā)展還沒有達到未凍融試塊的程度就已經(jīng)破壞了。如圖5所示。

圖5 凍融試塊的破壞形態(tài)

不同加載速率下，材料的破壞形態(tài)差距不大。因慢速加載時間較長，材料內(nèi)部的細小裂紋在這因一時期內(nèi)發(fā)生相對錯動，因此慢速加載下更容易出現(xiàn)“臺階”現(xiàn)象，主要承受剪切破壞作用，長時間的加載也充分地加劇材料的細小破壞，因此后期慢速的試塊破壞則相對徹底。常規(guī)速度加載不僅存在剪切破壞同時還有劈裂破壞，相對慢速發(fā)展較快。部分位置還未產(chǎn)生作用，就因為其他位置的劇烈變化，試塊產(chǎn)生破壞。如圖6所示。

圖6 不同加載方式試樣的破壞形態(tài)

2.3 SEM分析

為了更好地反應(yīng)凍融和加載方式對陶粒砌塊的影響，進行SEM測試，凍融前后微觀形貌見圖7，不同次數(shù)凍融循環(huán)后試塊的微觀形貌見圖8，不同加載速率下材料的微觀形貌變化見圖9。

圖7 凍融前后試樣的微觀形貌

從圖7可以看出，在凍融5次后材料微觀形貌上已經(jīng)產(chǎn)生了些許的裂紋，未凍融試塊的陶粒清晰可見且周圍形貌致密，凍融后陶粒剝蝕位置形貌有比較明顯的變化。有部分表面出現(xiàn)絮狀物，表明外表面因凍融產(chǎn)生部分“粉化”[7-8]。

圖8 不同凍融次數(shù)對試樣微觀形貌的影響

從圖8可以看出，5次凍融后的裂紋相對15次凍融后產(chǎn)生的裂紋明顯較小。15次凍融后試塊裂紋明顯較大較深。在凍融的早期，部分位置受凍后就產(chǎn)生裂紋，但部分裂紋隨著凍脹的消失會自行恢復(fù)，只有部分位置產(chǎn)生不可逆的縫隙。但隨著凍融次數(shù)的增加，不可逆裂紋增多，再次受到凍脹作用。裂紋變大變深。加之受到外力作用，薄弱位置產(chǎn)生破壞的可能性較大。

圖9 不同加載方式對試樣微觀形貌的影響

從圖9可以看出，對于常規(guī)單軸加載，微裂紋隨著加載的進行不斷擴展，最后連通，試樣的內(nèi)部變形還未來及穩(wěn)定，應(yīng)力就已經(jīng)增加到使其破壞。因此微觀形貌上，常規(guī)的加載方式，裂紋連通更加充分。相比較而言，慢速加載過程中，隨著應(yīng)力的增加，也會產(chǎn)生細裂紋，但因加載速度較慢，裂紋有較多的時間進行調(diào)整，發(fā)生比較充分的滑移和錯位，類似微觀上的“微粒重組”[9]。部分裂紋在重組過程中減小或者消失，因此慢速加載過程中，裂紋的深度和廣度沒有常規(guī)加載那么大。

3 結(jié)論

（1）凍融作用對陶?；炷疗鰤K的破壞形態(tài)影響較大，因凍融產(chǎn)生的局部剝蝕和缺棱等現(xiàn)象，使得部分試塊的抗壓破壞荷載降低較多。經(jīng)15次凍融后破壞荷載下降了接近30%。這與陶粒砌塊多孔的特點也有直接的關(guān)系。

（2）不同加載速率下，材料的破壞形態(tài)差距不大。慢速加載下更容易出現(xiàn)“臺階”現(xiàn)象，主要承受剪切破壞作用。常規(guī)速度加載不僅存在剪切破壞，同時還有劈裂破壞，相對比慢速加載發(fā)展較快。部分位置還未產(chǎn)生作用，就因為其他位置的劇烈變化導(dǎo)致試塊產(chǎn)生破壞。

（3）微觀形貌上，常規(guī)的加載方式，裂紋連通更加充分。但因加載速度較慢，裂紋有較多的時間進行調(diào)整，發(fā)生比較充分的滑移和錯位，類似微觀上的“微粒重組”。部分裂紋在重組過程中減小或者消失，因此慢速加載過程中，裂紋的深度和廣度相對較小。

（4）陶粒砌塊凍融后，長期慢速負荷因表象裂紋發(fā)展沒有那么明顯，更需要警惕突然的破壞，對實踐有重要的指導(dǎo)意義。