海水循環(huán)侵蝕下路用泡沫混凝土的力學(xué)特性

崔曉桐, 金建軍, 陳永輝,3, 陳 龍,3, 葉 蕾

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.浙江省港航管理局,浙江 杭州 310011; 3.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098)

海水循環(huán)侵蝕下路用泡沫混凝土的力學(xué)特性

崔曉桐1, 金建軍2, 陳永輝1,3, 陳 龍1,3, 葉 蕾2

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.浙江省港航管理局,浙江 杭州 310011; 3.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098)

文章以路用泡沫混凝土試塊為研究對(duì)象,采用室內(nèi)加速試驗(yàn),對(duì)試塊進(jìn)行了0、10、20、25次海水循環(huán)浸烘試驗(yàn),提出了試塊抗壓強(qiáng)度、表面侵蝕情況和內(nèi)部侵蝕深度的變化規(guī)律,并開展了侵蝕破壞機(jī)理分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨浸烘循環(huán)次數(shù)的增加,試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸下降,強(qiáng)度折減規(guī)律可用指數(shù)方程和二次多項(xiàng)式方程較好地?cái)M合;試塊表面被侵蝕程度逐漸增大,海水侵入深度加深,且加深速率也在逐漸增大;泡沫混凝土的破壞主要分為2個(gè)階段,即強(qiáng)度下降質(zhì)量上升階段、強(qiáng)度和質(zhì)量均下降階段,其中第1階段對(duì)實(shí)際工程影響較大,更容易引起地面沉降。建議工程中對(duì)路用泡沫混凝土遇水表面做好充分的防護(hù)。

路用泡沫混凝土;海水侵蝕;室內(nèi)加速試驗(yàn);破壞機(jī)理;力學(xué)特性

泡沫混凝土是通過化學(xué)或物理的方式根據(jù)應(yīng)用需要將空氣或氮?dú)?、二氧化碳?xì)?、氧氣等氣體引入混凝土漿體中,經(jīng)過合理養(yǎng)護(hù)成型,形成的含有大量細(xì)小的封閉氣孔并具有相當(dāng)強(qiáng)度的混凝土制品,具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、整體性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于建筑工程、公路工程領(lǐng)域。為了區(qū)別用于建筑保暖節(jié)能材料的泡沫混凝土與用于道路交通建設(shè)工程的泡沫混凝土,本文將后者稱為路用泡沫混凝土。

在超深厚軟基上填筑路用泡沫混凝土,往往對(duì)于沉降有較好的控制效果[1],當(dāng)應(yīng)用于海域地區(qū)時(shí),其還會(huì)承受海水的循環(huán)浸泡。

目前關(guān)于海水循環(huán)侵蝕環(huán)境下路用泡沫混凝土力學(xué)性能的研究較少。文獻(xiàn)[2]研究了海水侵蝕環(huán)境下普通混凝土力學(xué)性能的變化,建立了混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的抗壓強(qiáng)度折減模型、抗拉強(qiáng)度折減模型及彈性模量的折減模型;文獻(xiàn)[3]基于大型動(dòng)靜載伺服剛性試驗(yàn)機(jī),研究了海水干濕循環(huán)作用次數(shù)分別為0、10、20、40、50、60次下的混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;文獻(xiàn)[4]通過試驗(yàn)研究混凝土在海水侵蝕環(huán)境下的力學(xué)性能變化規(guī)律,提出了水灰比設(shè)計(jì)中混凝土抗海水侵蝕能力最強(qiáng)的最佳水泥用量;文獻(xiàn)[5]通過對(duì)12組不同配比的試樣進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究了凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響,討論了氣泡輕質(zhì)土抗凍融破壞機(jī)理;文獻(xiàn)[6]采用快速凍融試驗(yàn)來探索凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)超輕水泥基發(fā)泡混凝土抗凍融性能的影響,發(fā)現(xiàn)超輕水泥基發(fā)泡混凝土的抗凍融性能較差,僅6次凍融就使得結(jié)構(gòu)被破壞;文獻(xiàn)[7]測(cè)試了水泥輕質(zhì)土和地聚合物輕質(zhì)土在干濕循環(huán)(使用清水浸泡)和硫酸鈉長期浸泡環(huán)境下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量變化率,發(fā)現(xiàn)與水泥輕質(zhì)土相比,地聚合物輕質(zhì)土抗干濕能力較差,抗硫酸鈉侵蝕能力較強(qiáng)；文獻(xiàn)[8]通過測(cè)定不同纖維摻量的泡沫混凝土復(fù)合材料的物理力學(xué)性能,證明了加入玻璃纖維可以有效改善泡沫混凝土的性能。

綜上可知,目前關(guān)于海水侵蝕下的耐久性研究中,大部分集中在混凝土結(jié)構(gòu)中,專門針對(duì)泡沫混凝土的研究較少,而由于普通混凝土和泡沫混凝土結(jié)構(gòu)上的差異,導(dǎo)致兩者的力學(xué)性能有很大的不同,在實(shí)際應(yīng)用中并不能一概而論。關(guān)于泡沫混凝土的耐久性,目前只有凍融循環(huán)、清水干濕循環(huán)和硫酸鈉長期浸泡等方面的研究,對(duì)海水浸烘循環(huán)方面的研究很少。而實(shí)際海域公路中泡沫混凝土路堤必須考慮海水循環(huán)侵蝕的問題,因此對(duì)此環(huán)境下路用泡沫混凝土力學(xué)性能的研究很有必要。

本文擬通過海水浸烘循環(huán)試驗(yàn)開展路用泡沫混凝土力學(xué)特性研究,獲得其抗壓強(qiáng)度、表面侵蝕和內(nèi)部侵蝕深度的變化規(guī)律,并開展侵蝕破壞機(jī)理分析,提出海域公路中泡沫混凝土相關(guān)處治方法,對(duì)海域公路中泡沫混凝土的長期耐久性研究具有一定的參考價(jià)值。

1 路用泡沫混凝土浸烘循環(huán)試驗(yàn)

1.1 浸烘循環(huán)試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)使用的路用泡沫混凝土,設(shè)計(jì)強(qiáng)度為28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa,設(shè)計(jì)濕容重在4.2～4.8 kN/m3之間,水泥采用P.O42.5,發(fā)泡劑采用F60B,水采用自來水。試塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,含水率為13%～14%,齡期均大于90 d。

為了在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效的試驗(yàn),采用室內(nèi)加速的方法,主要采用侵蝕離子濃度加速和溫度加速來實(shí)現(xiàn)泡沫混凝土在海水循環(huán)侵蝕作用下的侵蝕加速。參考相關(guān)文獻(xiàn),本文的浸烘循環(huán)試驗(yàn)中,取侵蝕液濃度為正常海水濃度的5倍,烘干溫度設(shè)定為80 ℃。其中,侵蝕液主要由粉狀海鹽加清水配置而成,含有Na+、Mg2+、K+、Sr2+、Cl-、SO42-、HCO3-等離子。浸烘循環(huán)制度為:先將試塊全部浸泡在海水侵蝕液中7 h,然后拿出置于80 ℃條件下烘15～16 h,如此反復(fù)循環(huán),對(duì)泡沫混凝土試塊進(jìn)行0、10、20、25次循環(huán)浸烘試驗(yàn)[3],在此期間,每次烘干后稱量試塊質(zhì)量,每間隔10次循環(huán)測(cè)試3個(gè)試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,并觀察表面侵蝕情況,測(cè)量海水入侵深度。其中試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度使用WD-50KD電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試,試驗(yàn)過程如圖1所示。

圖1 浸烘循環(huán)試驗(yàn)過程照片

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.2.1 試塊抗壓強(qiáng)度分析

試塊在單軸壓縮荷載作用下的抗壓強(qiáng)度隨浸烘循環(huán)次數(shù)的變化如圖2所示。隨著海水浸烘循環(huán)次數(shù)的增加,泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。在10次浸烘循環(huán)后,試塊的強(qiáng)度下降了50%左右,而在浸烘25次后,試塊強(qiáng)度只有0.2～0.3 MPa,強(qiáng)度下降了約80%。

考慮到最終試塊的抗壓強(qiáng)度不會(huì)為負(fù)值,因此排除線性擬合和三次多項(xiàng)式擬合的情況。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用最小二乘法對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨浸烘循環(huán)次數(shù)的變化進(jìn)行指數(shù)擬合,得到抗壓強(qiáng)度折減方程(1)式,以及相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度折減曲線,如圖2a所示，其中擬合曲線的相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.770。

T=1.196e-0.053N

(1)

其中,T為抗壓強(qiáng)度；N為浸烘循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用最小二乘法對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨浸烘循環(huán)次數(shù)的變化進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合[9],得到抗壓強(qiáng)度折減方程(2)式,以及相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度折減曲線,如圖2b所示,其中擬合曲線的相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.746。

T=5.857N2-0.049N+1.174

(2)

對(duì)比以上2種擬合曲線可以看出,指數(shù)擬合的R2更大,其結(jié)果更接近于實(shí)際情況,但也可以發(fā)現(xiàn),兩者相差并不是太大,因此在實(shí)際中可以綜合考慮,根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的擬合曲線。

圖2 不同浸烘循環(huán)次數(shù)下試塊的抗壓強(qiáng)度

1.2.2 試塊表面侵蝕情況分析

通過觀察不同浸烘循環(huán)次數(shù)下泡沫混凝土試塊破壞前和破壞后的表面變化情況,可以看出,混凝土表面的孔隙中有較明顯的鹽分沉積,隨著浸烘循環(huán)次數(shù)的增加,試塊表面最初致密的小孔結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)大,甚至發(fā)生貫穿,表面越來越粗糙,且試塊破壞時(shí)的表面完整性逐漸下降。

1.2.3 試塊內(nèi)部侵蝕深度分析

泡沫混凝土的吸水通過2種模式實(shí)現(xiàn)，即毛細(xì)孔滲透和連通孔滲透。毛細(xì)孔即水泥硬化的最初階段生成的互相連接的毛細(xì)孔隙。連通孔的成因有以下2點(diǎn):① 在泡沫混凝土凝結(jié)過程中,液膜在重力和表面張力排液以及料漿擠壓的作用下產(chǎn)生不均勻擴(kuò)散,從而導(dǎo)致封閉的泡沫孔產(chǎn)生缺陷,凝結(jié)后表現(xiàn)為不完整的孔;② 在泡沫混凝土水灰比較大的條件下,由泌水產(chǎn)生泌水通道。因此,海水向泡沫混凝土內(nèi)部的侵蝕很大程度上依賴于泡沫混凝土自身較強(qiáng)的吸水性[10]。泡沫混凝土的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示。

圖3 泡沫混凝土掃描電子顯微鏡照片

海水侵入泡沫混凝土內(nèi)部后,較大的連通孔內(nèi)殘留的鹽分比較多,當(dāng)連通孔多而密集時(shí),可以從試塊剖面上清晰地分辨出這部分區(qū)域,本文中稱此部分區(qū)域?yàn)椤昂}區(qū)”。而較小的毛細(xì)孔內(nèi)殘留的鹽分較少,一般很難從試塊的剖面上分辨出,本文稱此部分區(qū)域?yàn)椤拔春}區(qū)”?！昂}區(qū)”與“未含鹽區(qū)”之間存在明顯分界線,本文將該分界線距試塊表面的最短距離稱為“海水侵入深度”。

不同浸烘循環(huán)次數(shù)下海水侵入深度的變化如圖4所示。

圖4 不同浸烘循環(huán)次數(shù)下海水侵入深度的變化

隨浸烘循環(huán)次數(shù)的增加,試塊從外到內(nèi),毛細(xì)孔逐漸被侵蝕,孔徑變大,成為連通孔,海水侵入深度逐漸加深,且加深的速率也在逐漸增大。

2 侵蝕破壞機(jī)理分析

引起泡沫混凝土試塊質(zhì)量變化的原因主要有2個(gè):① 海水中的鹽分侵入泡沫混凝土內(nèi)部,烘干后殘留在氣孔中,引起質(zhì)量的增加;② 海水中Cl-、Mg2+及SO42-與泡沫混凝土中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的鹽類,生成的難溶鹽留在試塊內(nèi)部引起質(zhì)量的增加,生成的可溶鹽溶解析出引起質(zhì)量的下降[2]。

不同浸烘循環(huán)次數(shù)下試塊平均質(zhì)量的變化如圖5所示,隨著浸烘循環(huán)次數(shù)的增加,試塊的平均質(zhì)量總體上先增加后減小,平均質(zhì)量最大增加65%。結(jié)合試塊抗壓強(qiáng)度和海水侵入深度的變化,可以發(fā)現(xiàn),海水侵蝕環(huán)境下路用泡沫混凝土的破壞主要分為2個(gè)階段:① 強(qiáng)度下降質(zhì)量上升階段;② 強(qiáng)度和質(zhì)量均下降階段。

圖5 不同浸烘循環(huán)次數(shù)下試塊平均質(zhì)量的變化

(1) 強(qiáng)度下降質(zhì)量上升階段。此階段中(0～10次浸烘循環(huán)),試塊表面與海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成的可溶鹽溶解在海水中,表面致密的小孔結(jié)構(gòu)被破壞,強(qiáng)度迅速下降;同時(shí)由于泡沫混凝土較強(qiáng)的吸水能力,導(dǎo)致試塊中鹽分大量殘留,殘留量遠(yuǎn)大于化學(xué)反應(yīng)引起的質(zhì)量損失,因此質(zhì)量大幅上升,由此導(dǎo)致地基上覆荷載迅速增加,更容易導(dǎo)致沉降。

(2) 強(qiáng)度和質(zhì)量均下降階段。此階段中(10次浸烘循環(huán)以后),海水侵入深度繼續(xù)增加,結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞,強(qiáng)度繼續(xù)下降;同時(shí)隨著試塊表面不斷被侵蝕,試塊原有的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞,殘留鹽分的能力下降,加上試塊與海水化學(xué)反應(yīng)造成的質(zhì)量損失,導(dǎo)致試塊的質(zhì)量逐漸下降。

3 結(jié) 論

(1) 隨浸烘循環(huán)次數(shù)的增加,路用泡沫混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸下降,強(qiáng)度折減規(guī)律可用指數(shù)方程和二次多項(xiàng)式方程較好地?cái)M合;在25次浸烘循環(huán)之后,抗壓強(qiáng)度只有0.2～0.3MPa,下降了約80%。

(2) 隨浸烘循環(huán)次數(shù)的增加,試塊表面被侵蝕程度增大,海水侵入深度加深,且加深速率也在逐漸增大。

(3) 海水侵蝕環(huán)境下路用泡沫混凝土的破壞主要分為2個(gè)階段:① 強(qiáng)度下降質(zhì)量上升階段;② 強(qiáng)度和質(zhì)量均下降階段。其中第1階段對(duì)實(shí)際工程影響較大,更容易引起地面沉降。

(4) 海水侵蝕環(huán)境對(duì)路用泡沫混凝土而言是非常不利的條件,在實(shí)際工程中,應(yīng)盡量避免泡沫混凝土表面直接與海水或者其他鹽度較高的水接觸,同時(shí)為保證泡沫混凝土的長期耐久性,應(yīng)對(duì)其表面做好充分的防護(hù)。

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Mechanicalpropertyofroadfoamconcreteundererosionofcirculatoryseawater

CUI Xiaotong1, JIN Jianjun2, CHEN Yonghui1,3, CHEN Long1,3, YE Lei2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Port and Waterway Administration of Zhejiang Province, Hangzhou 310011, China; 3.Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Taking the road foam concrete block as the research object, a test of soak-dry seawater circulation with 0, 10, 20, 25 times per cycle was made by adopting indoor accelerated test, the change rules of compressive strength, surface erosion situation and internal erosion depth of foam concrete block were raised, and the mechanism of erosion damage was analyzed. Experimental results show that with the increase of soak-dry cycle index, the compressive strength of foam concrete block falls, and the strength degradation law can be fitted well by index equation and quadratic polynomial equation. The block surface erosion degree increases gradually, the seawater invasion depth deepens, and the deepening rate also gradually increases. Foam concrete destruction is mainly divided into two stages, namely strength-drop and quality-rise stage and strength-drop and quality-drop stage. And the strength-drop and quality-rise stage has greater influence on actual project, and is more likely to cause ground settlement. Making adequate protection to the foam concrete surface in engineering is suggested.

road foam concrete; seawater erosion; indoor accelerated test; failure mechanism; mechanical property

2017-02-14；

2017-10-24

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAB07B06);浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014H24)

崔曉桐(1993-),男,山西忻州人,河海大學(xué)碩士生;

陳永輝(1972-),男,浙江東陽人,博士,河海大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.016

U656.313

A

1003-5060(2017)12-1666-04

(責(zé)任編輯張淑艷)