袁立月,陳克政,彭 飛,付翼博,孫劍飛,*,丁 琳,*
(1.黑龍江大學 a.水利電力學院;b.建筑工程學院,哈爾濱 150080;2.東北林業(yè)大學 工程技術學院,哈爾濱 150040)
凍融作用是混凝土抗凍性以及力學性能發(fā)生退化的重要原因之一[1]。在我國北方寒區(qū),建筑物經(jīng)常遭受凍融破壞,引起骨料與膠凝材料的之間黏結破壞,導致混凝土的耐久性能和力學性能發(fā)生變化,最終引起混凝土力學性能的下降[2]。尋求一種輕質耐久性好、抗凍性強的建筑材料尤為重要,而陶粒混凝土作為一種輕質新型建筑材料,具有保溫、隔熱、耐火等優(yōu)點[3-4],可滿足我國寒區(qū)對建筑材料的要求。
針對陶粒混凝土,國內外學者對其力學性能和凍融循環(huán)后的損傷破壞開展了相關研究。在力學性能方面,研究了陶粒粒徑及級配[5-6]、粗骨料的預濕方式[7-8]、添加不同類型的纖維等方式[9-12],對陶粒混凝土抗壓強度的影響,并對抗壓強度與彈性模量等關系進行了回歸分析[13]。耐久性能方面,通過在凍融循環(huán)作用下,研究不同濃度的鹽溶液[14]、不同凍融循環(huán)次數(shù)以及不同凍融循環(huán)溫度對其耐久性的影響[15-17],并建立凍融損傷模型,分析試件內部損傷程度。王立成等[18]通過試驗,系統(tǒng)分析了定側壓下粉煤灰陶?;炷岭p軸壓極限強度和變形性能隨凍融循環(huán)次數(shù)和側壓應力水平的變化規(guī)律。杭美艷等[19]通過試驗研究結果表明,輕骨料混凝土的導熱性能比同強度等級的普通混凝土好,但其抗折強度、抗凍性能相對較差。
本實驗研究了4種不同強度等級的陶?;炷猎趦鋈谧饔孟驴箟盒阅?、動彈性模量、表面形態(tài)以及破壞特征。并建立了相對抗壓強度與相對動彈性模量之間的關系式。
選取亞太集團生產的天鵝牌P·O 42.5復合硅酸鹽水泥;細骨料為天然河砂,表觀密度為2 510 kg·m-3,含泥率為1.9%;粉煤灰采用黑龍江火電公司的Ⅰ級粉煤灰;外加劑為聚羧酸高性能減水劑;試驗用水為哈爾濱市自來水;粗骨料為輕質黏土陶粒,其性能指標見表1。
表1 黏土陶粒性能指標
根據(jù)JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規(guī)程》和文獻[19]。進行陶?;炷僚浜媳仍O計,見表2。
表2 陶粒混凝土配合比
試驗所采用的凍融裝置為CDR-5型快速凍融機;采用進口MTS電液伺服萬能液壓試驗機進行抗壓強度試驗;采用北京康科瑞非金屬超聲檢測分析儀器儀測量動彈性模量。
本次試驗設計了4組100 mm×100 mm×100 mm的陶?;炷猎噳K,其強度等級分別為LC25、LC30、LC35、LC40,每組分別在0、15、30、45、60次下進行凍融循環(huán)。根據(jù)GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測定凍融循環(huán)后每組試塊的抗壓強度。通過設計4組100 mm×100 mm×400 mm的陶粒混凝土試塊,測定經(jīng)過凍融循環(huán)后的質量損失和動彈性模量損失以及抗壓強度損失,利用試塊的動彈性模量損失反映陶?;炷羶炔康膿p壞機理。
試驗進行前,將陶粒預濕24 h。進行攪拌時,先將陶粒和沙子、膠凝材料進行干攪,使之充分混合均勻,水分兩次加入,分別攪拌60 s和120 s。采用人工邊插邊搗法裝入模具,在室溫下養(yǎng)護24 h后進行脫模,脫模后送入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。在養(yǎng)護第24天時取出,放入(20±2)℃的水中浸泡96 h,使其內部水處于飽和狀態(tài)。將制備好的陶粒混凝土放入凍融循環(huán)機中,凍融溫度設為-20~15 ℃,測定相應凍融次數(shù)后的質量、抗壓強度以及動彈性模量。
以凍融60次后的試件為例,其破壞形態(tài)見圖1,與未凍融的試件相比,凍融后的試塊表面均有明顯砂漿脫落現(xiàn)象。其中膠凝材料較少的LC25組陶粒混凝土表面脫落現(xiàn)象最為嚴重,試件表面存在明顯的砂漿骨料脫離現(xiàn)象并堆積著脫落后的水泥砂漿粉末,陶粒骨料裸露,出現(xiàn)麻面現(xiàn)象,邊緣部位缺失比較嚴重。隨著強度等級的增加,LC30組試件表面水泥砂漿的脫落有所減少,有少量的水泥砂漿粉末堆積在表面,但表面依然粗糙不平整。LC35組和LC40組表面較為平整,少部分砂漿脫落,陶粒骨料裸露較少,相對比較完整。
圖1 凍融循環(huán)后不同強度等級試件表面形態(tài)Fig.1 Surface form of the test piece at different strength levels after the freeze-thaw cycle
在進行試件受壓破壞時,未凍融的試件見圖2。LC25組表現(xiàn)為兩側出現(xiàn)裂縫,隨著荷載不斷增加,試件兩側部分直接斷開,試件中部出現(xiàn)較大裂縫,上下底面均不完整;LC30組同LC25組破壞形態(tài)相同但兩側并未脫離,中間有裂縫;LC35組破壞形態(tài)表現(xiàn)為八字形裂縫,試件受壓右側出現(xiàn)裂縫,隨后中間出現(xiàn)一條細裂縫,上下底面均較為完整;LC40組隨著荷載不斷增加,試件靠近邊緣部位出現(xiàn)裂縫,并未出現(xiàn)分離現(xiàn)象,當荷載達到最大時,試件突然發(fā)生破壞,出現(xiàn)裂縫一側表面脫落。
圖2 凍融循環(huán)前不同強度等級試件破壞形態(tài)Fig.2 Destruction pattern of test pieces of different intensity levels before the freeze-thaw cycle
與未凍融的試件相比,凍融后的試件受壓破壞形態(tài)有明顯的差異(圖3)。LC25組和LC30組下底面直接發(fā)生破壞,破壞面處存在明顯的砂漿骨料脫離,殘留塊體表面也表現(xiàn)較為酥松,其內部也出現(xiàn)了裂縫,試件內部陶粒從中間斷開,發(fā)生脆性破壞;LC35組試件上下底面較為完整,其破壞形態(tài)呈對頂錐狀,試件內部發(fā)生斷裂,出現(xiàn)少量裂紋;LC40組試件表面的水泥砂漿和陶粒掉落,內部沒有太大裂紋。可見,經(jīng)過凍融循環(huán)后,陶?;炷羶炔繐p壞的程度較為嚴重,初始裂縫經(jīng)過凍融不斷擴大導致產生新的裂縫,從而凍融循環(huán)后經(jīng)過壓載出現(xiàn)對頂錐狀。
圖3 凍融循環(huán)后不同強度等級試件破壞形態(tài)Fig.3 Destruction form of test pieces of different intensity levels after the freeze-thaw cycle
對凍融循環(huán)次數(shù)達到設計的陶?;炷猎嚰M行抗壓測定,分析抗壓強度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關系見圖4。
圖4 混凝土抗壓強度損失率與凍融循環(huán)關系Fig.4 Loss rate of concrete pressure strength is related to the freeze-thaw cycle
不同強度等級的陶?;炷量箟簱p失規(guī)律與普通混凝土大致相同。在進行凍融循環(huán)作用后,強度等級越低,抗壓強度損失越大。在凍融初期,抗壓強度損失率增長較為緩慢,隨著次數(shù)的增加,試件的抗壓損失率逐漸增大。LC25組與LC30組在凍融45次前,其抗壓強度損失率差別不大,45次之后,損失率明顯增大,分別達到57.7%、51.34%。而LC40組試件,相比其他組增長較為緩慢,但依然達到34.95%。
對達到相應設計凍融循環(huán)次數(shù)的陶?;炷猎嚰M行動彈性模量測定,得到動彈性模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關系見圖5。
圖5 混凝土動彈性模量損失率與凍融循環(huán)關系Fig.5 Loss rate of concrete dynamic elastic modulus is related to the freeze-thaw cycle
不同強度等級的陶?;炷羷訌椥阅A繐p失與普通混凝土基本一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土的動彈性模量損失率越大,在凍融循環(huán)初期,不同強度等級混凝土的損失率相差不大。在凍融30次后,各組試件的動彈性模量損失率差值變化比較明顯。在凍融循環(huán)60次后,LC25組試件的動彈性模量損失率增長最快,達到30%。LC30和LC35組試件動彈性模量損失率分別為25.9%、21.2%。LC40組試件,由于內部更為緊密,其動彈性模量損失率為15.1%。經(jīng)過凍融循環(huán)后,混凝土內部損傷的積累更容易導致低強度等級混凝土試件破壞。
在開始進行凍融循環(huán)前,試塊已進行4 d的浸泡,陶粒混凝土試件內部處于水飽和狀態(tài)。隨著凍融循環(huán)機開始運行,內部溫度逐漸降低,試件內部空隙分布不均勻,靠近邊緣位置較大孔隙中的水先達到冰點而凍結并形成凍結鋒面,其他位置的孔隙水由于溫度梯度的作用向低溫凍結鋒面遷移,使混凝土外圍凍脹更加明顯,隨著凍結時間增加,凍結封面向試件中心位置遷移,但在此工程中孔隙水已經(jīng)遷移至試件外圍,試件內部凍脹現(xiàn)象并不顯著。
凍融循環(huán)初期,表層有少量的脫落,有較為明顯的損傷。內部孔隙逐漸增大,隨著溫度增高,陶?;炷脸嗽陲柡椭按嬖诘募毿×芽p,在經(jīng)過反復高低溫循環(huán)后,產生新的毛細孔隙,這些裂縫在水融化后吸附少量水,不斷進行凍融循環(huán),繼續(xù)吸水飽和,導致爆發(fā)出更多毛細孔隙。隨著次數(shù)的增加,砂漿基體被破壞,由于凍融前后的試塊均在水中浸泡且飽和,試塊內部存在物理約束。陶?;炷帘砻娴淖杂伤捎趦鋈谘h(huán)結晶膨脹,使得表層砂漿脫落,出現(xiàn)麻面,陶粒顯露出來。相比低強度等級,強度等級高的試塊表面的脫落現(xiàn)象不明顯。這是因為強度等級高的混凝土所用水泥量較大,產生水化產物較多,導致試件內部的孔隙相對較少,混凝土內部相對密實,使抗凍性得到提升。
圖6 混凝土相對動彈性模量與相對抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between the relative dynamic elastic modulus of concrete and the phase-to-phase anti-pressure strength
表3 抗壓強度衰減相關系數(shù)
通過設計4組不同強度等級的陶?;炷猎嚰?,研究其在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓性能,得出以下結論:
1)凍融循環(huán)作用下,陶粒混凝土的抗壓強度和動彈性模量變化規(guī)律與普通混凝土基本一致,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低,且強度等級越低,其降低速率越快。
2)凍融循環(huán)對低強度等級的陶粒混凝土破壞形式影響較大。由于凍融作用,隨著次數(shù)增加,陶?;炷羶炔繐p傷的積累不斷增加,低強度等級的試件更容易被破壞,且破壞形式從內到外。
3)凍融循環(huán)后,試件的相對抗壓強度與相對動彈性模量之間的相關性較好,相對動彈性模量與相對抗壓強度呈指數(shù)關系。