戴 健

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

由于泡沫混凝土自身具有低密度、減震吸能、導(dǎo)熱、吸聲等優(yōu)越性能，近年來在道路工程中得到了大范圍應(yīng)用[1-4]。然而在寒冷地區(qū)推廣使用時(shí)，因泡沫混凝土空隙較多，吸水后引起凍脹和凍融等現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度損失大。因此，研究泡沫混凝土在凍融循環(huán)試驗(yàn)下的強(qiáng)度表現(xiàn)具有理論和工程價(jià)值。

為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列相關(guān)研究。吳雨明[5]利用凍融試驗(yàn)研究了不同配合比下的泡沫混凝土試塊力學(xué)性能，得出了減水劑可有效降低凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷；馮扣寶等[6]通過凍融循環(huán)試驗(yàn)證明了超輕水泥基發(fā)泡混凝土抗凍融性能極差，僅經(jīng)6次凍融循環(huán)試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度降為零；劉軍等[7]證明了較低含量的水膠比和預(yù)混雙氧水對泡沫混凝土的抗凍性能有所提高；陳品明等[8]對路用泡沫混凝土的耐久性進(jìn)行了研究，得出混凝土在凍融循環(huán)作用下的微裂縫變化規(guī)律;CHEN等[9]對泡沫混凝土做了一系列凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度控制在-40℃～40℃，研究摻有輕集料與聚丙烯纖維的2種泡沫混凝土的降解特性，結(jié)果表明泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的衰解隨凍融次數(shù)的增加而加劇；李相國等[10]在分析孔結(jié)構(gòu)的分類基礎(chǔ)上，研究了孔結(jié)構(gòu)對泡沫混凝土的強(qiáng)度、耐久性、保溫系數(shù)等宏觀性能的影響。

雖然相關(guān)學(xué)者已對泡沫混凝土進(jìn)行了大量研究，但對于凍融循環(huán)試驗(yàn)作用下道路泡沫混凝土的力學(xué)特性研究較少。本文利用凍融循環(huán)試驗(yàn)研究了泡沫混凝土分別在10、50、100、150、200、300次凍融循環(huán)后的各項(xiàng)性能指標(biāo)，揭示了多次凍融循環(huán)下混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所選用的原材料依據(jù)現(xiàn)行《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 341—2014)，水泥選用42.5#普通硅酸鹽水泥；粉煤灰等級采用一級；泡沫劑的選用滿足發(fā)泡要求，依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土》(JGJ/T 266—2011)采用HT復(fù)合發(fā)泡劑；自來水符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63—2006)。本工程路用泡沫混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為：28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8MPa，設(shè)計(jì)容重為6.0kN/m3。為保證所制作的泡沫混凝土符合強(qiáng)度和密度要求，本試驗(yàn)通過計(jì)算和試配確定泡沫混凝土的配合比和各組成的具體用量，具體參數(shù)如表1所示，泡沫混凝土制作流程如圖1所示。本試驗(yàn)采用試塊尺寸為 100mm×100mm×100mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，制作試塊的路用泡沫混凝土取自現(xiàn)場澆筑出料口，保證了試驗(yàn)試塊原料與實(shí)際工程的一致性。首先將試模清理潔凈，然后涂刷脫模劑，底部脫?？子眉埰采w防漏；澆筑路用泡沫混凝土?xí)r，邊澆筑邊輕輕敲擊試模，使試塊內(nèi)部無大氣泡滯留，為防止路用泡沫混凝土干縮，制模時(shí)采取路用泡沫混凝土，澆筑高度高于?？?，待終凝脫模前用刀刮平。試塊澆筑完成 30h后脫模，放標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d。

表1 1 m3泡沫混凝土的配比容重/(kN·m-3)水泥/kg水/kg粉煤灰/kg泡沫劑/L水灰比5.8299132100546.80.55

圖1 泡沫混凝土制作流程圖

1.2 試驗(yàn)工況及流程

1.2.1試驗(yàn)工況

綜合考慮我國不同區(qū)域可能出現(xiàn)的年平均凍融循環(huán)次數(shù)，本試驗(yàn)分別在1、10、50、100、150、200、300次凍融循環(huán)時(shí)測定路用泡沫混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)。試驗(yàn)分成2個(gè)工況: ① 工況1：溫度變化為20℃～10℃～0℃～-20℃～-10℃～0℃～10℃～20℃，考慮凍融循環(huán)次數(shù)對試件混凝土的影響；② 工況2：溫度變化為60℃～-20℃～60℃～20℃～60℃，考慮極端溫度變化對試件混凝土的影響。

1.2.2試驗(yàn)流程

工況1試驗(yàn)流程：取21塊混凝土試塊分為7組，每組3件，編號(hào)分別為1#～21#。21塊試件一起放入凍融試驗(yàn)箱，在工況1的溫度變化條件下進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，溫度每改變1次試塊需養(yǎng)護(hù)4h，直到凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)后，取出1組試塊并養(yǎng)護(hù)4h后做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。選取每組3個(gè)試件的算數(shù)平均值作為每組強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，最后乘于系數(shù)0.95轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度。

工況2試驗(yàn)流程：選取21塊混凝土試件分為7組，試件編號(hào)分別為22#～42#，一起放入凍融試驗(yàn)箱，在工況2溫度變化條件下對試塊進(jìn)行降溫和升溫凍融試驗(yàn)。當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)后，取出1組試件養(yǎng)護(hù)4h后做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。選取每組3個(gè)試件的算數(shù)平均值作為每組強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，最后乘于系數(shù)0.95轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融循環(huán)下試樣外觀形態(tài)

混凝土試樣經(jīng)過多次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，其外觀形態(tài)會(huì)發(fā)生一定變化，強(qiáng)度也會(huì)隨之降低。試樣在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次時(shí)混凝土表面損傷并不明顯，這是由于試塊內(nèi)水分較少， 在升溫和降溫過程中，試塊的短期凍融對試樣的表面并沒有明顯影響以使其破損。在第150次凍融循環(huán)開始后試塊表面才開始出現(xiàn)微小裂縫，第200次凍融循環(huán)后試件表面混凝土裂縫明顯增多。

2.2 循環(huán)次數(shù)對試樣抗壓強(qiáng)度的影響

以工況1和工況2條件下的各組試件為研究對象，表2為凍融循環(huán)荷載試驗(yàn)結(jié)果,圖2為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化，從中可看出前期的凍融循環(huán)試驗(yàn)對試樣強(qiáng)度影響不明顯。凍融循環(huán)次數(shù)從第150次開始，每增加一級凍融的次數(shù)，抗壓強(qiáng)度隨之降低，經(jīng)過300次凍融后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到最小值為1.0MPa和0.69MPa。與工況1中的試件相比，工況2中的試件在凍融過程中的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更低，這也說明了極端的凍融循環(huán)過程更會(huì)加劇強(qiáng)度的降低。

表2 凍融循環(huán)荷載試驗(yàn)結(jié)果試樣編號(hào)工況1工況2循環(huán)次數(shù)/次對應(yīng)實(shí)際年數(shù)/a每組抗壓強(qiáng)度值/MPa工況1工況21、2、322、23、241 0.21.461.324、5、625、26、2710 1.01.281.227、8、928、29、305010.01.241.1410、11、1231、32、3310020.01.251.1813、14、1534、35、3615030.01.521.3816、17、1837、38、3920040.01.271.0119、20、2140、41、4230060.00.691.00

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

2.3 循環(huán)次數(shù)對混凝土殘余強(qiáng)度的影響

圖3為工況1條件下試樣的殘余強(qiáng)度變化規(guī)律?？梢钥闯鲭S著凍融次數(shù)的增加殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次，殘余強(qiáng)度達(dá)到最大值為1.31MPa。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到50次(對應(yīng)實(shí)際通車10a)，其殘余強(qiáng)度由1.1MPa上升至1.3MPa，上升了18.7%，此時(shí)試塊表面無明顯影響。

圖3 凍融次數(shù)與殘余強(qiáng)度關(guān)系圖

凍融循環(huán)達(dá)到150次(近似通車30a)后泡沫混凝土試塊出現(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。這是因?yàn)榍捌谟捎谂菽炷林写嬖诘奈⑿】障段?，試件水化程度提高，?qiáng)度隨之有所提高，繼續(xù)凍融循環(huán)的過程中，孔隙中的結(jié)晶壓使試件產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致殘余強(qiáng)度降低。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次(近似通車60a)時(shí)，其殘余強(qiáng)度由1.36 MPa下降至0.99MPa，下降了26.4%，此時(shí)雖然出現(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。

3 結(jié)論

1) 凍融循環(huán)過程中，混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大波動(dòng)，其中10次凍融后的試塊強(qiáng)度與5次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度變化不大，而且極端凍融循環(huán)條件下試樣的強(qiáng)度會(huì)更低。

2) 在凍融試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)混凝土試塊從150次凍融開始，每增加一級凍融次數(shù)，部分試塊出現(xiàn)微小裂縫，抗壓強(qiáng)度也隨著凍融次數(shù)增加而降低，在300次凍融后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值0.99MPa。

3) 當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次(近似通車60a)，其殘余強(qiáng)度由1.36 MPa下降至0.99MPa，下降了26.4%，此時(shí)雖然出現(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。