凍融循環(huán)下青磚砌體結(jié)構(gòu)性損傷的演化規(guī)律

河南建筑職業(yè)技術(shù)學院建筑系,河南 鄭州 450064

青磚砌體是黏土經(jīng)過高溫燒制而形成的一種古老的建筑材料。青磚材料具有抗壓強度高、質(zhì)地堅硬、施工方便和造價低廉等優(yōu)點，并且可根據(jù)設(shè)計強度、耐久性要求和地方材料供應(yīng)情況進行相應(yīng)調(diào)整，既對不同建筑工程有很好的的適用性，又可以充分利用當?shù)氐酿ね猎牧?，在我國不同地區(qū)的應(yīng)用十分廣泛[1-4]。近年來，我國廣大農(nóng)村地區(qū)和城市園林的道路大量和采用青磚砌體進行建設(shè)，這大大拓寬了青磚材料的應(yīng)用范圍。然而，在使用過程中發(fā)現(xiàn)，我國北方地區(qū)以青磚砌體為材料的道路出現(xiàn)翻漿冒泥、不均勻沉降和變形隆起等工程問題時有發(fā)生，給經(jīng)濟造成巨大的損失。這些病害的發(fā)生不僅與青磚材料的本身性質(zhì)有關(guān)，也與北方地區(qū)的氣候條件有重要關(guān)聯(lián)[5]。

由于低溫環(huán)境影響，使得凍融循環(huán)作用對寒冷地區(qū)的青磚材料產(chǎn)生明顯的損傷效應(yīng)，嚴重地影響了相關(guān)地區(qū)磚砌道路路面在服役期間的工程穩(wěn)定性[6,7]。凍融損傷程度對青磚材料的強度指標和細微觀結(jié)構(gòu)特點有十分重要的影響[8]。青磚材料是一種由黏土燒制而成的多孔介質(zhì)材料，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，容易受地下水作用和季節(jié)性凍融循環(huán)作用的影響[9]。研究青磚材料結(jié)構(gòu)特征與強度指標受凍融循環(huán)的影響規(guī)律，對于相關(guān)道路路面的設(shè)計和施工有重要現(xiàn)實意義，針對青磚材料受凍結(jié)和融化過程的損傷現(xiàn)象，大量學者進行了理論與試驗研究，并取得了一系列成果。例如：孫磊與湯永凈[10]對反復(fù)凍融循環(huán)過程中的古磚砌體試樣開展軸心抗壓強度測試，分析了凍融循環(huán)作用對其軸心抗壓強度、彈性模量和超聲波波速之間的關(guān)系進行了研究。余國星和谷雨[11]基于力學測試論證了養(yǎng)護條件與凍融循環(huán)次數(shù)對再生瀝青磚砌材料的力學性能和質(zhì)量損失率的影響特點。Liu 等[12]對水泥磚和石膏磚砌體材料分別進行壓縮強度測試，分析了凍融循環(huán)作用對材料的力學特性的減弱規(guī)律，并討論了兩種外摻材料的改性機理。

本文以青磚砌體材料為研究對象,利用軸心抗壓強度測試與核磁共振試驗獲取了青磚材料的力學參數(shù)和孔隙分布特征，同時分析了青磚材料在凍融過程中的損傷演化機理，旨在為進一步了解青磚砌體材料的性能提供參考。

1 試驗材料

1.1 試驗原材料

本文所用的試驗土體材料為粉質(zhì)黏土，取樣點為山東省威海市一處二級公路沿線邊坡。采用的粉土樣品顏色呈灰褐色，經(jīng)過XRD 衍射試驗，發(fā)現(xiàn)本試驗采用黏土礦物成分包括伊利石(44.1%)、蒙脫石(39.2%)，石英(8.1%)與斜長石(4.4%)和斜長石（4.2%）。該黏土的天然含水率為17.2%，干密度為1.34 g/cm3，土樣在天然狀態(tài)下的含水率為17.2%、滲透系數(shù)為2.34×10-6cm/s，土體的塑限為22.9%，液限為56.8%，材料的塑性指數(shù)為33.9。采用顆粒篩分法進行黏土的顆粒分布含量測定，從曲線中得到不均勻系數(shù)Cu為2.12，曲率系數(shù)Cc為0.88，表明該黏土的級配比較良好，適宜作為青磚燒制的原材料。

進行青磚燒制時，在黏土中摻入一定量的硅酸鹽水泥進行強度的提升，本研究的設(shè)計水泥摻量為5%。水泥采用威海市東海水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥進行青磚材料的制備,水泥級別為32.5 級，水泥顆粒比表面積為333.5 m2/kg，養(yǎng)護28 d 的實測立方體抗壓強度為34.5 Mpa。

圖1 黏土的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of silty soil

表1 黏土的基本物理性質(zhì)指標Table 1 The basic physical properties of clay

1.2 青磚材料的制備

本文主要對象是青磚砌體材料，制備過程如下：首先稱量適量的黏土，放在常溫條件下進行風干，用研缽碾碎并過0.75 mm 的標準篩，去除雜質(zhì)后保證黏土的均質(zhì)性；再稱量黏土質(zhì)量5%比例的硅酸鹽水泥進行混合，并保證物料混合均勻；在混合料中加入自來水，并用水泥砂漿攪拌鍋進行均勻拌和，自來水的質(zhì)量為固體物料總質(zhì)量的18%；最后采用分層擊實的方法成型，青磚試樣為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件。成型完成后將青磚試樣放在實驗室的環(huán)境中進行28 d 時間的標準養(yǎng)護，得到青磚砌體材料的標準試件。

1.3 凍融循環(huán)處理

本研究參照《砌墻磚試驗方法》GB/T2542-2012 的凍融處理操作方法，對青磚砌體試件開展凍融循環(huán)試驗。利用SFT-20 II 型溫度控制箱進行多次凍融循環(huán)的處理。首先，將青磚砌體材料試樣放入溫控箱；設(shè)置環(huán)境溫度為-20 ℃，開啟多向凍結(jié)功能的開關(guān)，采用低溫凍結(jié)48 h；然后，將溫控箱的溫度設(shè)置為20 ℃，在常溫融解48 h；通過不斷重復(fù)上述操作達到凍融循環(huán)的效果。本試驗對青磚材料的試樣共進行0～50 次凍融循環(huán)，分別對0、10、20、30 和50 次循環(huán)后的青磚砌體試樣進行軸心壓縮試驗、核磁共振掃描和掃描電子顯微鏡測試。

2 試驗結(jié)果

2.1 軸心抗壓強度測試

實驗利用力學加載萬能測試系統(tǒng)對青磚材料立方體試樣的試樣開展軸心抗壓強度的力學測試，共進行三組力學試驗，采用15 個立方體試件，最后取各組試件的平均值作為試驗的結(jié)果。試驗過程中的壓縮荷載的加壓速率設(shè)為0.05 MPa/s，實驗得到了經(jīng)過0、10、20、30 和50 次凍融循環(huán)處理試樣的軸心抗壓強度Q和彈性模量E，結(jié)果如圖2 所示。

從軸心壓縮測試的結(jié)果可以看出：在壓縮荷載的作用下，不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣的強度和彈性模量存在明顯差異。從圖2 可以看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，青磚材料試樣的軸心抗壓強度不斷減小，經(jīng)過50 次凍融循環(huán)后，青磚的軸心抗壓強度由16 MPa 左右下降至7.5 MPa 左右，下降幅度為53.13%。另外，在0～10 次凍融循環(huán)之間時，青磚砌體樣品的軸心抗壓強度的減小幅度相比后期循環(huán)的下降幅度要明顯大很多，說明青磚材料在從0 次到10 次凍融循環(huán)過程中的軸心強度損失最顯著。由力學測試還獲得了彈性模量指標，青磚砌體材料的彈性模量E與軸心抗壓強度Q在凍融循環(huán)過程中保持類似的變化趨勢，兩者均隨凍融循環(huán)的次數(shù)增加而下降，且在整體上和凍融循環(huán)次數(shù)保持冪指數(shù)的變化關(guān)系。在30～50 次凍融循環(huán)過程中的材料力學性能指標幾乎不變，說明凍融循環(huán)作用對青磚砌體材料的結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)在凍融循環(huán)后期逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 凍融循環(huán)過程中材料的軸心抗壓強度Fig.2 Axial compressive strength during freeze-thaw cycles

圖3 力學性能指標與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between cycles and strength index

2.2 核磁共振測試

使用低場強核磁共振掃描儀對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的青磚砌體材料進行微觀結(jié)構(gòu)測試。核磁共振掃描原理是在較低的強度磁場中，提供探測材料孔隙中的氫原子核磁信號，以測量材料孔隙的弛豫時間T2 分布曲線，根據(jù)T2 分布曲線研究材料孔隙的分布特征，信號強度的大小表示對應(yīng)孔隙的數(shù)量[13]。本文分析了經(jīng)過0～50 次凍融循環(huán)后青磚試樣的T2 分布曲線。從圖4 可以看出：各組青磚砌體材料試樣的T2 曲線均存在3 個明顯的峰值，左峰對應(yīng)材料內(nèi)部的小孔，中峰表示材料內(nèi)部的中孔，右峰表示材料內(nèi)部的大孔。另外，可以看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，青磚砌體材料的T2曲線形式有明顯的變化?？傮w上，表示中孔和大孔的中峰與右峰的幅值越來越大。根據(jù)此變化規(guī)律可以看出，青磚材料內(nèi)部小孔比例逐漸下降，而大孔和中孔的比例逐漸增大。

在反復(fù)凍融循環(huán)過程中，青磚材料試樣的T2分布曲線覆蓋區(qū)域的面積（峰面積）是表征材料總孔隙體積的定量指標。通過計算不同凍融循環(huán)次數(shù)下青磚材料的T2曲線峰面積，可以對材料的孔隙分布的變化規(guī)律進行量化分析。由計算得到的T2分布曲線譜面積與凍融循環(huán)次數(shù)的分布曲線如圖5所示，可以看出隨著循環(huán)次數(shù)逐漸增加，峰面積不斷增大，且其增長速率保持先快后慢的變化規(guī)律，此現(xiàn)象與強度測試得到的規(guī)律恰好相反。由核磁共振測試結(jié)果還可以看出，相對于常用的其它微觀結(jié)構(gòu)觀測析方法，核磁掃描雖然不可以直觀的觀察到材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，但是能夠提供材料孔隙分布的定量探測結(jié)果[14]。

圖4 凍融循環(huán)過程中核磁共振T2 分布結(jié)果Fig.4 T2 distribution curves with different freeze-thaw cycles

圖5 T2 峰面積與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between cycles and spectrum areas

2.3 力學性質(zhì)與孔隙分布的關(guān)系

通過核磁共振掃描結(jié)果求證了材料力學特性與結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)青磚材料內(nèi)部孔隙分布的定量參數(shù)，即T2曲線的峰面積隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸上升，且上升速率先快后慢。與此同時，青磚砌體的軸心抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，減小速率先快后慢。因此，建立了0～50 次凍融循環(huán)過程中青磚砌體材料抗壓強度與峰面積的數(shù)學關(guān)系模型，并以圖6 的曲線分析兩者的關(guān)系。

圖6 T2 峰面積與軸心抗壓強度的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between axial compressive strength and spectrum areas

從圖6 可以看出青磚材料的軸心抗壓強度與峰面積保持良好的直線關(guān)系，兩者的確定性系數(shù)R2大于0.99，且軸心抗壓強度值隨峰面積值的增加而下降。力學指標與孔隙分布指標的相關(guān)現(xiàn)象說明了凍融循環(huán)過程擴大了青磚材料內(nèi)部的孔隙規(guī)模，同時也引起青磚材料軸心抗壓強度劣化程度逐漸上升。該現(xiàn)象體現(xiàn)了青磚砌體材料的宏觀力學參數(shù)和結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)保持了較好的同步性，體現(xiàn)了核磁共振掃描技術(shù)對于材料結(jié)構(gòu)探測良好的可信度[15]。

2.4 凍融損傷的微觀機理分析

圖7 凍融循環(huán)過程中材料的SEM 圖Fig.7 SEM images of samples after different freezing and thawing cycles

對反復(fù)凍融循環(huán)過程中的青磚砌體材料損傷演化特征進行掃描電子顯微鏡（SEM）試驗，結(jié)果如圖7 所示。在放大800 倍的圖像中，可以看出經(jīng)歷0 次凍融循環(huán)的青磚材料內(nèi)部的顆粒的排列較為緊密，水泥膠結(jié)作用在黏土顆粒之間形成了良好的凝膠結(jié)果。隨著凍融循環(huán)過程的進行，青磚材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的變化。具體表現(xiàn)為：黏土顆粒間以水泥膠結(jié)物變得越來越疏松，同時粗顆粒間的接觸關(guān)系由初始時的面-面接觸逐漸轉(zhuǎn)換呈面-邊接觸。青磚材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)微觀形態(tài)變化主要是由于反復(fù)的凍融循環(huán)作用使材料內(nèi)部的膠結(jié)物不斷發(fā)生分解、流失，在材料內(nèi)部形成了微觀缺陷。并且，在反復(fù)凍結(jié)和融解過程中，材料孔隙內(nèi)部的液態(tài)水和凍結(jié)水相態(tài)反復(fù)發(fā)生改變，導(dǎo)致青磚內(nèi)部孔隙始終處于微觀膨脹力作用中，表現(xiàn)為青磚材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)逐漸擴張。

青磚砌體材料的微觀形態(tài)受凍融循環(huán)作用發(fā)生明顯的變化，最直觀的表現(xiàn)就是微觀缺陷的增加，水泥膠結(jié)物的分解使得孔隙不斷增大，降低了青磚材料顆粒間的致密程度，從而導(dǎo)致抗壓強度的減小。通過掃描電子顯微鏡圖像觀測到的微觀形態(tài)變化特征與核磁共振T2曲線變化規(guī)律及抗壓強度衰減的規(guī)律相互印證，說明反復(fù)凍融循環(huán)作用對青磚材料的結(jié)構(gòu)損傷體現(xiàn)為宏觀力學性能的衰變和孔隙結(jié)構(gòu)的擴張，也說明微觀缺陷的發(fā)展是力學性能演化的內(nèi)在原因[16]。

3 結(jié)論

（1）通過對經(jīng)過0、10、20、30 和50 次凍融循環(huán)的青磚砌體材料試樣開展軸心抗壓強度測試，發(fā)現(xiàn)在荷載作用下青磚材料試樣的抗壓強度、彈性模量均與凍融循環(huán)次數(shù)保持冪指數(shù)的變化特征；

（2）根據(jù)核磁共振試驗得到的T2分布曲線，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，青磚材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸與規(guī)模逐漸增大，T2曲線的峰面積與軸心抗壓強度值呈負相關(guān)的線性關(guān)系；

（3）根據(jù)對掃描電子顯微鏡圖像的觀測，發(fā)現(xiàn)由于反復(fù)凍融循環(huán)作用，導(dǎo)致青磚砌體材料的內(nèi)部膠結(jié)物含量逐漸減少，伴隨著粗顆粒間接觸關(guān)系的改變，材料結(jié)構(gòu)的致密程度明顯下降，說明微觀缺陷增加是導(dǎo)致力學性能演化的根本原因。