大溫差干濕循環(huán)條件下路用泡沫混凝土強度特性研究

□□ 章 偉

(杭州交通投資建設管理集團有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

干濕交替作為一種自然現(xiàn)象，存在于道路工程建設的全階段。路用泡沫混凝土作為一種較新的混凝土制品，在道路工程建設中應用越來越廣泛，而干濕交替對路用泡沫混凝土性能的影響也逐漸引起人們的重視。已有研究表明，干濕交替可極大地加速侵蝕性離子對混凝土制品的侵入，加速混凝土制品的損傷劣化[1-3]。自然暴露試驗法和室內(nèi)快速試驗法是兩種研究干濕交替環(huán)境下路用泡沫混凝土性能的主要手段[4]，但自然暴露試驗耗時較長，往往無法滿足工程的進度要求，因此，現(xiàn)有研究基本采用室內(nèi)試驗快速法。

GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》中對加氣混凝土干濕循環(huán)試驗做了具體規(guī)定，其中特別強調(diào)在干濕交替循環(huán)過程中應將試塊取出后冷卻20 min。而近年來華東地區(qū)夏季最高溫度頻頻破紀錄，路面溫度最高時可達70 ℃左右，夏季雷陣雨又較多，往往來勢迅猛，使得路面經(jīng)常在被曬得高溫之時遭遇一場大雨，而雨水的溫度在20 ℃左右，因此，這是一種存在大溫差的干濕交替現(xiàn)象。盡管目前針對泡沫混凝土在干濕循環(huán)條件下的強度變化規(guī)律已開展了部分研究，但考慮大溫差干濕交替影響的研究相對較少。

因此，本文針對大溫差干濕循環(huán)作用下路用泡沫混凝土強度特性問題開展試驗研究，通過對路用泡沫混凝土的干濕循環(huán)試驗，分析得出路用泡沫混凝土在干濕循環(huán)作用下的強度變化規(guī)律。

1 干濕循環(huán)試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的路用泡沫混凝土設計強度為：28 d無側限抗壓強度≮0.8 MPa，設計濕容重為6.0 kN/m3；水泥采用P·O 42.5，發(fā)泡劑采用F60B，水采用自來水，具體配合比見表1。

表1 路用泡沫混凝土配合比

試驗采用試塊為100 mm×100 mm×100 mm的標準立方體試塊，制作試塊的路用泡沫混凝土取自現(xiàn)場澆筑出料口，保證了試驗試塊原料與工程應用的一致性。制作試塊時，先將試模清理潔凈，之后涂刷脫模劑，底部脫?？子眉埰采w防漏；向試模中澆筑路用泡沫混凝土時，邊澆筑邊輕輕敲擊試模，確保試塊內(nèi)部無大氣泡滯留；同時，為防止路用泡沫混凝土干縮，制模時路用泡沫混凝土澆筑高度應高于?？?，待終凝脫模前用刀刮平。試塊澆筑完成30 h后脫模，再于標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至28 d。

1.2 試驗方案

干濕循環(huán)條件下的試驗過程為：先將養(yǎng)護28 d的試件放入電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在(60±5)℃下烘至恒重，之后將試塊(每組3塊)在溫度為(20±5)℃的室內(nèi)冷卻20 min，然后放入水溫為(20±5)℃恒溫水箱內(nèi)，水高出試件上表面30 mm，浸漬5 min后取出，置于室內(nèi)晾干，晾干時長為30 min。最后再放入電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在(60±5)℃下烘7 h，此為一個干濕循環(huán)。為達到模擬大溫差干濕交替的效果，試驗中舍去了“室內(nèi)冷卻”這一步驟，即將試塊從烘箱中取出之后，直接放入恒溫水箱中進行濕循環(huán)，且為了加速試驗進程，適當延長了試塊的烘干時間，烘干時間取8 h和16 h交替進行，當?shù)竭_預期干濕交替次數(shù)時，為保證試塊徹底烘干，將試壓試塊烘干24 h以上，即以每5次干濕交替為一個大循環(huán)，烘干時間分別為8 h、16 h、8 h、16 h、24 h，具體試驗方案如圖1所示。

圖1 大溫差干濕交替循環(huán)示意圖

試驗共分為7組，每組有3個試塊，為防止試驗中試塊意外損壞，共準備25個試塊。試驗過程中，首先將試塊烘干至恒重，測得試塊的干容重，再按設定的大溫差干濕交替機制進行試驗。試驗進行了7次大循環(huán)，共計35次大溫差干濕交替試驗，分別于每次大循環(huán)之后測定試塊的吸水量(5 min)和無側限抗壓強度，取每組3個試樣的平均值；試塊表面裂縫情況做到每次大溫差干濕交替均有記錄，裂縫觀察以肉眼觀察為主。

2 試驗結果分析

2.1 吸水量試驗及孔隙率分析

路用泡沫混凝土的吸水量及吸水速率如圖2所示。由試驗結果可知，試塊5 min吸水量可達飽和吸水量的50%以上，而試塊的飽和容重，甚至超過了其制備完成時的濕容重，為干容重的1.75倍左右，飽和吸水量可達300 g左右。這與崔曉桐等[5]研究成果中的吸水量增加約25%有較大的差距，分析其主要原因，由于崔曉桐等[5]吸水試驗前未將試塊徹底烘干，而該試驗中先將試塊徹底烘干后再進行吸水量試驗，在對試塊徹底烘干的過程中泡沫混凝土中原本封閉完好的氣泡結構被破壞，且產(chǎn)生了微裂縫，導致試塊吸水量增加。由于在烘干過程中路用泡沫混凝土在熱脹作用下會出現(xiàn)一定的開裂現(xiàn)象，雖未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，但從試驗結果可知，路用泡沫混凝土內(nèi)部已發(fā)展出裂縫導致其吸水量增加。吸水量的增加將嚴重影響路用泡沫混凝土的輕質(zhì)性，也影響到了設計時其自重的取值。

圖2 試塊吸水量與浸水時間的關系

整個大溫差干濕交替試驗過程中試塊吸水量的變化趨勢如圖3所示，可以看出，隨著干濕交替次數(shù)的增加，在相同的浸水時間(5 min)內(nèi)試塊吸水量有明顯的上升趨勢。從最初50%的吸水量(飽和吸水量按300 g計算)，當大溫差干濕交替進行了一個大循環(huán)(即5次大溫差干濕交替)后，試塊吸水量上升到了63%左右，之后吸水量雖有所增加，但增加速率明顯變緩。這主要是因為試塊的裂縫發(fā)展集中發(fā)生在第一個大循環(huán)期間，之后雖然會有裂縫繼續(xù)發(fā)展，但由于第一個大循環(huán)期間產(chǎn)生的裂縫對大溫差作用下的試塊變形有一定的緩沖作用，因而使得后續(xù)裂縫發(fā)展減緩。

圖3 試塊吸水量與大溫差干濕交替次數(shù)的關系

路用泡沫混凝土作為一種多孔材料，內(nèi)部的孔隙率及孔徑分布對其各項性能均有顯著的影響?；炷林械目紫吨饕譃槟z孔、毛細孔、宏觀大孔及氣泡。對于路用泡沫混凝土而言，影響其耐久性的主要孔隙為毛細孔和氣泡。由于其以水泥作為主要原料，路用泡沫混凝土孔隙率可由賀彬等[6]推導的公式進行計算。試驗中路用泡沫混凝土設計容重為600 g/dm3，水灰比為0.6，水化程度參考相關文獻取80%，計算可得路用泡沫混凝土孔隙率為72.5%，其中毛細孔隙率為14.1%，宏觀大孔體積率為58.4%。根據(jù)圖2可知，路用泡沫混凝土單個試塊(尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)飽和吸水量達到了300 g(由圖2，未浸水時試樣質(zhì)量為413.37 g，浸水時間2 160 min時，試樣質(zhì)量是716.28 g，此時認為試樣飽和，試樣質(zhì)量的增加為吸水量，兩個時間段的差值為303 g)，折合成體積，大約為300 cm3，約占試塊體積的30%。這說明在路用泡沫混凝土吸水過程中，除了毛細孔吸水外，部分宏觀大孔也有儲水。

2.2 強度特性分析

當試驗進行到第4次干濕交替時，有2個試塊因出現(xiàn)貫穿裂縫而裂為兩瓣；進行到第6次干濕交替時，同樣又有1個試塊因出現(xiàn)貫穿裂縫而裂為兩瓣。為研究試塊裂開后強度的變化，將裂開試塊烘至恒重后進行強度測試。測試時，分為兩種受壓狀態(tài)：一是裂縫平行于受壓面；二是裂縫垂直于受壓面。試驗結果表明，試塊強度未受到裂縫的影響。這主要是由于試塊雖裂為兩瓣，但每一部分仍較大，具有較好的整體性，因此仍可以抗壓。但在工程中，路用泡沫混凝土一旦發(fā)展為貫穿裂縫，應視為完全失效，雖然其在整體抗壓方面仍具有一定的強度，但在偏心受壓情況下將完全失效。

分析路用泡沫混凝土試塊出現(xiàn)貫穿裂縫的原因，主要是由于泡沫混凝土屬于純水泥制品，抗熱脹冷縮能力較差，在大溫差干濕循環(huán)的作用下，極易產(chǎn)生裂縫，而一旦裂縫相互連接，只需在較小的外力作用下，如試驗過程中的試塊搬動，就會使試塊裂為兩瓣。由此也可以看出，在大溫差干濕循環(huán)作用下，路用泡沫混凝土試塊的裂縫深度較大，由于只有兩個試塊出現(xiàn)貫穿裂縫，而剩余的25個試塊均未出現(xiàn)貫穿裂縫，但表面有寬為1 mm左右的裂縫出現(xiàn)，由此可推斷出其裂縫開展深度應普遍<5 mm，若其裂縫開展深度>5 mm，則路用泡沫混凝土會普遍出現(xiàn)貫穿裂縫。

試驗過程中路用泡沫混凝土經(jīng)歷每一個大干濕循環(huán)之后均測定其無側限抗壓強度，試驗結果中取每組3個試塊的平均強度值，試驗結果見表2。由試驗結果可知，大溫差干濕交替并沒有明顯影響路用泡沫混凝土的抗壓強度，相對于其28 d強度(即0次大溫差干濕循環(huán)試驗所得強度)來講，在整個35次大溫差干濕循環(huán)試驗之中，路用泡沫混凝土強度上下浮動在10%以內(nèi)，因此可以認為：在排除由于試塊制作過程中路用泡沫混凝土試塊強度的正常浮動帶來影響的情況下，可認為路用泡沫混凝土強度未有降低。

表2 大溫差干濕循環(huán)試驗強度試驗結果表

3 結論

3.1 在大溫差干濕交替作用下，路用泡沫混凝土極易產(chǎn)生裂縫，甚至發(fā)展成貫穿裂縫，導致路用泡沫混凝土結構發(fā)生破壞。

3.2 大溫差干濕交替對路用泡沫混凝土的無側限抗壓強度影響不明顯，即在35次大溫差干濕交替后，路用泡沫混凝土強度未出現(xiàn)明顯的變化。

3.3 路用泡沫混凝土裂縫的出現(xiàn)導致其吸水速率增加，5 min吸水量有明顯上升，但對其無側限抗壓強度沒有明顯的影響；而吸水量的增加將使得路用泡沫混凝土設計時的自重荷載取值增大，影響后期沉降計算。