陳品明，曾嶸，卞紹洋，陳鋒

（浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

路用泡沫混凝土是將發(fā)泡劑和水溶液用物理方法制備成泡沫群，并加入到由水泥、水、外加劑（集料）制成的漿液中，經(jīng)混合攪拌、澆筑成型的含有大量封閉氣孔的輕質(zhì)材料。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者致力于泡沫混凝土耐久性的研究，獲得顯著的科研成果，并將其廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。喬歡歡等[1]研究了粉煤灰和硅灰對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率以及抗凍性的影響；李明東和田安國(guó)[2]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土在道路循環(huán)荷載作用下的抗壓強(qiáng)度降低；李相國(guó)等[3]分析了孔結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度、耐久性、保溫系數(shù)等宏觀性能的影響；郭向勇和郭建立[4]對(duì)泡沫混凝土的耐久性進(jìn)行了研究；樊均和管文[5]通過(guò)試驗(yàn)研究了濕度、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)對(duì)泡沫混凝土夾芯保溫板熱工性能和耐久性的影響。本文以微裂縫在材料微結(jié)構(gòu)中的變化發(fā)展為主線，通過(guò)模擬試驗(yàn)的方式，研究了泡沫混凝土在循環(huán)荷載和凍融循環(huán)多因素耦合作用下的耐久性，把凍融循環(huán)和循環(huán)荷載2個(gè)因素對(duì)材料的作用與微裂縫的發(fā)展相聯(lián)系，建立循環(huán)荷載與凍融循環(huán)交互作用下輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的預(yù)測(cè)模型，從而揭示循環(huán)荷載與凍融循環(huán)交互作用下輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

本文基于杭州繞城下沙互通至江東大橋高速公路，場(chǎng)地淺部分布20～30 m不等厚度的粉土、粉砂層，松散～稍密狀態(tài)；中部為淤泥質(zhì)土，流塑，強(qiáng)度低，厚度10～20 m不等。下部為粉質(zhì)黏土、粉砂等，厚度較大，層位穩(wěn)定[6]。試驗(yàn)使用的路用泡沫混凝土原材料為：P·O42.5水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、F60發(fā)泡劑和自來(lái)水。設(shè)計(jì)強(qiáng)度為：28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。具體配合比和控制指標(biāo)如表1所示。本試驗(yàn)試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試塊澆筑完成30 h后脫模，再于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d。

表1 路用泡沫混凝土的配合比和控制指標(biāo)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)首先研究了在荷載循環(huán)和凍融循環(huán)單一因素影響條件下泡沫混凝土微裂縫變化演變規(guī)律，荷載循環(huán)試驗(yàn)通過(guò)電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，設(shè)置加載頻率為6 Hz，幅值為3 kN，均值為－4 kN，荷載循環(huán)次數(shù)取值區(qū)間為0～120萬(wàn)次，以20萬(wàn)次為梯度；凍融循環(huán)試驗(yàn)溫度區(qū)間為－10～10℃，每個(gè)溫度條件下持續(xù)2 h，凍融次數(shù)取值區(qū)間為0～300次；然后研究了荷載循環(huán)和凍融循環(huán)次數(shù)2個(gè)影響因素耦合條件下泡沫混凝土的微裂縫變化規(guī)律。

2.1 荷載循環(huán)作用下微裂縫及力學(xué)性能變化規(guī)律

荷載循環(huán)作用下，泡沫混凝土試件裂縫數(shù)量隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖1，水泥漿體內(nèi)產(chǎn)生的微裂縫分布見(jiàn)圖2，殘余強(qiáng)度隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖3。

圖1 微裂縫數(shù)量隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化曲線

圖2 荷載循環(huán)作用下水泥漿體內(nèi)產(chǎn)生的微裂縫分布

圖3 殘余強(qiáng)度隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化曲線

從圖1～圖3可以看出，微裂縫數(shù)量隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增加，并且增幅逐漸加快，大致呈指數(shù)增長(zhǎng)；殘余強(qiáng)度隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而降低，并且降幅逐漸增大，趨近于二次曲線；裂縫的數(shù)量由初始時(shí)的10342個(gè)增加到120萬(wàn)次時(shí)的112427個(gè)，同時(shí)殘余強(qiáng)度模擬值也從1.13MPa降至0.54MPa。殘余強(qiáng)度模擬值與實(shí)測(cè)值大致吻合，與實(shí)測(cè)值相比較，模擬得出的殘余強(qiáng)度變化較為平滑，而實(shí)測(cè)值起伏較大，這與實(shí)際試驗(yàn)中有較多不可控的因素有關(guān)。

2.2 凍融循環(huán)作用下微裂縫及力學(xué)性能變化規(guī)律

凍融循環(huán)作用下，泡沫混凝土試件裂縫數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖4，水泥漿體內(nèi)產(chǎn)生的微裂縫分布見(jiàn)圖5，殘余強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖6。

圖4 微裂縫數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

圖5 凍融循環(huán)作用下水泥漿體內(nèi)產(chǎn)生的微裂縫分布

圖6 殘余強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

從圖4、圖5可以看出，曲線明顯分為2段，凍融循環(huán)次數(shù)從0到100次的過(guò)程中，微裂縫呈平臺(tái)狀，數(shù)量?jī)H有微小變化；凍融循環(huán)次數(shù)100次之后，微裂縫數(shù)量大致呈指數(shù)遞增。分析其原因，前半段凍融循環(huán)過(guò)程中，由于混凝土試件中存在孔隙，低溫時(shí)小孔中產(chǎn)生低壓，向飽水的大孔中吸水，進(jìn)而使試件整體的水化程度提高。因?yàn)榍捌谛】孜倪^(guò)程中，小孔中還未產(chǎn)生足夠的結(jié)晶壓，對(duì)微裂縫的數(shù)量影響很小。后期的凍融循環(huán)過(guò)程中，小孔已經(jīng)吸足水，低溫時(shí)孔中產(chǎn)生結(jié)晶壓使試件內(nèi)部產(chǎn)生微觀損傷，微裂縫數(shù)量逐漸增加。

從圖6可以看出，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，殘余強(qiáng)度先提高后降低，在凍融循環(huán)100次時(shí)殘余強(qiáng)度達(dá)到最大值。其原因正如之前所述，前期小孔吸水，試件水化程度提高，強(qiáng)度隨之有所提高。在凍融循環(huán)100次之后的某次循環(huán)，小孔達(dá)到飽水狀態(tài)，繼續(xù)凍融循環(huán)的過(guò)程中，孔隙中的結(jié)晶壓使試件產(chǎn)生微裂縫，殘余強(qiáng)度降低。

2.3 荷載循環(huán)與凍融循環(huán)耦合作用下微裂縫及力學(xué)性能變化規(guī)律

表2為試件經(jīng)過(guò)不同次數(shù)凍融循環(huán)和荷載循環(huán)耦合作用后的微裂縫數(shù)量以及殘余強(qiáng)度，該循環(huán)模擬了試件的凍融循環(huán)加上疲勞荷載循環(huán)，耦合機(jī)制定為每5次凍融循環(huán)對(duì)應(yīng)3萬(wàn)次荷載循環(huán)。為便于對(duì)比單種循環(huán)模式下的微裂縫增加及強(qiáng)度損失，循環(huán)作用圖示的橫坐標(biāo)以凍融循環(huán)次數(shù)表示。耦合作用下微裂縫數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖7，微裂縫的三維分布見(jiàn)圖8，殘余強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖9。

表2 試件經(jīng)過(guò)不同次數(shù)凍融循環(huán)和荷載循環(huán)后的微裂縫數(shù)量及殘余強(qiáng)度

圖7 耦合作用下微裂縫數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

圖8 耦合作用下水泥漿體內(nèi)產(chǎn)生的微裂縫分布

圖9 耦合作用下殘余強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

從圖7、圖8可以看出，微裂縫數(shù)量大致呈指數(shù)增長(zhǎng)，耦合作用下的微裂縫增長(zhǎng)并沒(méi)有凍融循環(huán)作用中所示的前期平臺(tái)分段。分析其原因?yàn)槠诤奢d循環(huán)在前期產(chǎn)生微裂縫，后期凍融循環(huán)產(chǎn)生的結(jié)晶壓與疲勞荷載一起作用產(chǎn)生微裂。

從圖9可以看出，如同單純凍融循環(huán)作用下一樣，耦合作用下殘余強(qiáng)度變化也呈先提高后降低的趨勢(shì)，在凍融循環(huán)50次加荷載循環(huán)30萬(wàn)次時(shí)，殘余強(qiáng)度達(dá)到最大值。這個(gè)峰值與凍融循環(huán)單獨(dú)作用下相比偏小，出現(xiàn)峰值的凍融循環(huán)次數(shù)由100次降到50次，分析原因?yàn)轳詈献饔孟潞奢d循環(huán)使殘余強(qiáng)度持續(xù)降低，削減了凍融循環(huán)前期產(chǎn)生的強(qiáng)度增長(zhǎng)。圖9中殘余強(qiáng)度下降段，模擬值比實(shí)測(cè)值偏小，但強(qiáng)度損失大致呈相同趨勢(shì)。耦合作用下凍融循環(huán)200次加荷載循環(huán)120萬(wàn)次得到的殘余強(qiáng)度要小于荷載循環(huán)單獨(dú)作用120萬(wàn)次的殘余強(qiáng)度，分析原因?yàn)轳詈献饔孟聝鋈谘h(huán)對(duì)殘余強(qiáng)度的削減。

3 模擬結(jié)果分析

（1）在荷載循環(huán)作用下，泡沫混凝土試樣多為邊緣處出現(xiàn)裂縫，殘余強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，當(dāng)荷載循環(huán)達(dá)到120萬(wàn)次（近似對(duì)應(yīng)于通車后60年），其殘余強(qiáng)度由1.13 MPa下降至0.54 MPa，下降52.2%。

（2）凍融循環(huán)達(dá)到150次（近似對(duì)應(yīng)于通車后40年）后泡沫混凝土試樣出現(xiàn)裂縫，其殘余強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次（近似對(duì)應(yīng)于通車后60年）時(shí)，其殘余強(qiáng)度由1.13 MPa下降至0.76 MPa，下降32.7%。

（3）考慮荷載循環(huán)和凍融循環(huán)耦合作用下，路用泡沫混凝土試樣均不同程度出現(xiàn)裂縫。通過(guò)模擬試驗(yàn)，路用泡沫混凝土在使用40年時(shí)承受2種荷載路用泡沫混凝土殘余強(qiáng)度從1.13 MPa降至0.85 MPa，下降了24.7%，出現(xiàn)大量裂縫但未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，基本上可滿足路用年限要求。

4 結(jié)論

泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較多，呈現(xiàn)為不均勻的孔洞結(jié)構(gòu)?？锥雌茐囊罁?jù)破壞的部位又可分為連接破壞、內(nèi)部破壞和貫通破壞，凍融情況下多發(fā)生內(nèi)部破壞，溫度下降導(dǎo)致孔洞內(nèi)部材料收縮，薄弱區(qū)域損壞，會(huì)發(fā)生連接破壞，孔洞之間的連接處材料損壞，當(dāng)連接破壞和底部破壞同時(shí)發(fā)生時(shí)則極易發(fā)展成貫通破壞，2個(gè)甚至多個(gè)孔洞相互貫通，對(duì)混凝土強(qiáng)度造成影響。路用泡沫混凝土荷載循環(huán)試驗(yàn)后的殘余強(qiáng)度呈非線性衰減，當(dāng)荷載循環(huán)達(dá)到120萬(wàn)次，其殘余強(qiáng)度由1.13 MPa下降至0.54 MPa，下降52.2%。凍融循環(huán)試驗(yàn)后泡沫混凝土的殘余強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次時(shí)，其殘余強(qiáng)度由1.13 MPa降至0.76 MPa，下降32.7%。考慮荷載循環(huán)和凍融循環(huán)耦合作用下，在使用40年時(shí)路用泡沫混凝土的殘余強(qiáng)度從1.13 MPa降至0.85 MPa，下降24.7%，出現(xiàn)大量裂縫，但未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。當(dāng)路用泡沫混凝土受到荷載循環(huán)、凍融循環(huán)單一因素及雙因素交互作用后，材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷或已有缺陷增大，表現(xiàn)為微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，力學(xué)性能均有所下降，從而影響其使用性能。