風速對澆筑期輕質(zhì)泡沫混凝土性能的影響

許欣， 劉鑫， 杜磊， 姚云龍

(1.中交第三航務工程局有限公司， 上海 200032； 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 3.河海大學隧道與地下工程研究所， 南京 210098)

泡沫混凝土(lightweight cellular concrete，LCC)一般是由物理方法將水泥、水、發(fā)泡劑和一些可添加材料(粉煤灰、玻璃纖維等)按一定比例混合而成[1]，LCC作為一種性能優(yōu)異的輕質(zhì)巖土材料，已在道路工程中廣泛應用[2-3]。從氣泡混合輕質(zhì)土的應用來看，因長期承受交通荷載、化學侵蝕等作用，其耐久性能已成為研究熱點。

LCC混凝土耐久性的影響分為兩個時間段。在初始階段(新澆筑和固化成型前)，易受風速等環(huán)境因素影響，進而影響固化成型后LCC在服役運營期的耐久性能[4-5]。另一方面，在服役和運行階段，初始損傷會受到環(huán)境和載荷等影響，隨著齡期增長，其性能劣化程度將會加劇。張開路[6]建立了模擬太陽輻射的環(huán)境箱，發(fā)現(xiàn)有風作用下，多孔材料孔隙率越大，降溫幅度越大；王玲等[7]控制風速為2.2 m/s，發(fā)現(xiàn)溫濕度和風速均對混凝土表面的蒸發(fā)干燥有較大的影響；姜帥[8]研究了風及環(huán)境溫度對混凝土收縮值、抗壓強度、彈性模量的影響，得出風主要通過提高混凝土表面水分散失量改變內(nèi)部水分含量及溫度場，從而增加早期收縮應變。此外，在施工方面，周宜紅等[9]認為刮風使得混凝土表層水分蒸發(fā)變快，降低了混凝土的工作性能，風速越大對施工質(zhì)量的影響越大。Barhmi等[10]基于三維數(shù)值模擬，計算得到混凝土板內(nèi)溫度隨風速升高不斷下降，且風速變快7 km/h，溫度下降3 ℃。Shen等[11]對混凝土在不同環(huán)境條件下的溫度場進行了試驗研究，3.6 m/s風速下混凝土峰值溫度較1.8 m/s風速降低0.7 ℃，芯面溫差增大0.8 ℃。

以上研究表明，風對水泥基材料主要產(chǎn)生表層性的影響，大多數(shù)研究的關注點在于混凝土材料受風影響后的溫度分布變化、收縮開裂及材料碳化，而且均為澆筑養(yǎng)護完成后的成型樣品，但是對初始階段的研究較少。其次，已有學者對澆筑過程的各工藝參數(shù)如澆筑齡期、澆筑均勻性、澆筑邊界設置及澆筑厚度進行了研究[12]，但是有關風速參數(shù)在澆筑過程中對LCC性能影響未作考慮?！冬F(xiàn)澆輕質(zhì)泡沫混凝土應用技術規(guī)程》(DGJ 32/TJ 104—2017)[13]規(guī)定，要求LCC室外施工時的外界風力不應大于5級。但在實際施工過程中，防護措施往往不及時，突發(fā)天氣會在一定時間內(nèi)對LCC性能造成一定的影響，而且各規(guī)范所規(guī)定的施工標準有所差異。

為此，采用試驗與環(huán)境模擬相結(jié)合的方法，模擬了澆筑期受風速影響的泡沫混凝土試驗。通過物理力學試驗和微觀結(jié)構(gòu)觀察，研究不同風速下LCC耐久性機理，表征等效孔徑、平均孔圓度值和孔分布分維，建立微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀性能參數(shù)之間的關系，以期為LCC在不同風速環(huán)境下的施工提供參考和指導。

1 LCC室內(nèi)試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗采用南京江寧中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥比重是3.11 kg/m3，比表面積為356.0 m2/kg，其主要物理力學性能指標如表1所示，主要化合物含量如表2所示。試驗的發(fā)泡劑選取的是河南華泰工程有限公司的HTW-1型復合發(fā)泡液，由動植物蛋白為原料復合加工而成，環(huán)保無污染。

表1 水泥的物理力學性能指標Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 水泥主要化合物含量Table 2 Main compound content of cement

1.2 配合比和試樣制備

試驗選取濕容重7 kN/m3、水膠比0.58、氣泡含量700 L/m3作為基準配合比。試樣制備過程如下。

(1)制備水泥漿液和泡沫。將水和水泥稱重、混合，然后充分攪拌均勻。將動植物復合蛋白發(fā)泡劑與水按1∶50的質(zhì)量比進行稀釋攪拌，制成用于發(fā)泡的混合漿液。

(2)混合攪拌和澆筑。將量筒測量的泡沫倒入水泥漿液中，充分攪拌5～10 min。將漿液倒入涂好潤滑油的100 mm×100 mm×100 mm立方體模具，澆筑后的模具用保鮮膜覆蓋，防止水分蒸發(fā)。

(3)環(huán)境模擬試驗：在開展模擬試驗前，去除模具表面的多余漿液，讓試樣表面盡量保持平整，然后在模擬風速環(huán)境因素下開展試驗。

(4)養(yǎng)護和脫模：在(20±2) ℃的恒溫，濕度95%±2%的標準條件下養(yǎng)護48 h后，使用氣泵進行脫模，編號后繼續(xù)標準養(yǎng)護28 d，進行后續(xù)試驗。

1.3 風速模擬試驗

試驗采用單一變量法開展室內(nèi)模擬試驗，對LCC澆筑過程的試驗時間段設置為8 h。在這個時間段內(nèi)，通過改變風速的不同水平，分別以一定水平施加影響，在此基礎上研究LCC的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，試驗中通過大功率電風扇產(chǎn)生不同大小的風速，通過數(shù)顯風速儀測定風速，其量程為0.4～30 m/s。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的施工風速大小限制，同時考慮風扇所能達到的最大風速，設置3個風速水平分別為2、4、6 m/s，不同的風速大小通過調(diào)整試樣至風扇之間距離來確定。試驗時讀取模具中每個試樣中心點的平均風速，確保各中心點風速距該風速水平的誤差在±5%以內(nèi)，認為滿足試驗要求。

為了考慮吹風持續(xù)時間對LCC試樣的影響，在各風速水平下設置4個時間水平，分別為1.5、3.0、4.5、6.0 h，試驗分組如表3所示。試驗共制備12組試樣，每組制備9個平行試樣，對每組試樣進行干密度、抗壓強度和吸水率試驗。

圖1 風速模擬試驗Fig.1 Wind speed simulation test

表3 風速試驗編號Table 3 Wind speed test number

1.4 物理力學試驗

物理力學試驗包括干密度試驗、抗壓強度試驗和吸水率試驗。

1.4.1 干密度試驗

將試樣放入干燥箱內(nèi)，以(60±5) ℃烘干至前后4 h的質(zhì)量差不大于1 g，即水分烘干完全，待試樣冷卻至室溫后，稱取試樣烘干質(zhì)量。對試樣每個長度方向在兩端和中間各測一次，相對面再各測一次，取6次測量的平均值作為該方向的長度值，計算試樣體積。

(1)

式(1)中：ρ0為試塊的干密度，kg/m3；m0為試塊烘干質(zhì)量，g；V為試塊體積，cm3。

1.4.2 抗壓強度試驗

試驗時加載速度為0.24 kN/s，測定時應保證試樣承壓面水平，并與加載方向保持垂直，取3次測量值的算術平均值作為抗壓強度。

(2)

式(2)中：qu為試塊的抗壓強度，MPa；F為試塊極限破壞荷載，kN；A為承壓面積，cm2。

環(huán)境因素影響后，計算試塊抗壓強度變化的程度。

(3)

式(3)中：q為試塊強度變化百分比，%；qi為不同環(huán)境因素影響后的抗壓強度，MPa；qs為經(jīng)標準溫濕度養(yǎng)護后的抗壓強度，MPa，試驗取20 ℃溫度作用后經(jīng)標準養(yǎng)護的試塊強度作為標準抗壓強度。

1.4.3 吸水率試驗

將干密度試驗后烘干至恒重的試塊放入(20±5) ℃的恒溫水箱內(nèi)，加入的清水至試樣高度的1/3處，保持24 h。再加水至試樣高度的2/3處，繼續(xù)保持24 h后，加水浸沒試塊，水面高于試塊30 mm上，保持24 h。將試塊取出，然后用濕抹布擦去試塊表面水分，稱取每塊質(zhì)量。

(4)

式(4)中：WR為試塊的體積吸水率，%；mg為試塊吸水后質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g/cm3。

1.5 微觀結(jié)構(gòu)試驗

采用圖像分析法進行微觀結(jié)構(gòu)試驗，圖像微細觀數(shù)據(jù)的獲取主要采用光學細觀測試系統(tǒng)，通過圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到試樣截面的微觀圖片，然后通過細觀處理系統(tǒng)對圖片進行分析處理。

圖像采集系統(tǒng)拍攝的圖片為灰階為8的圖片，利用Image J軟件對圖片進行二值化處理，選擇合適的閾值對圖片進行分割，獲得二值化圖片。再利用Image J軟件的Analyze功能計算孔徑、孔圓度值、孔分布分維等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 宏觀性能分析

干密度、抗壓強度和吸水率隨風速變化的關系，如圖2所示?？梢钥闯?，在同一持續(xù)時間下，干密度和抗壓強度均隨著風速的增大而增大，干密度與抗壓強度具有相關性。在較短的持續(xù)時間內(nèi)(1.5、3.0 h)，干密度和抗壓強度增長趨勢變快。在較長的持續(xù)時間內(nèi)(4.5、6.0 h)，其增長速度逐漸變緩。吸水率隨著風速的增大而減小，同時吸水率隨著持續(xù)時間越長而減小，這說明風速對LCC施加了較好的影響，降低了吸水率，材料更加密實，對材料后期耐久性能有優(yōu)化作用。

LCC試樣受風影響后，抗壓強度試驗時的裂縫照片，如圖3所示?？梢钥闯?，隨風速增大，試樣受壓的頂面與底面出現(xiàn)的壓碎與表層剝落現(xiàn)象普遍出現(xiàn)，并出現(xiàn)向側(cè)邊延伸的斜向短裂縫。隨著風持續(xù)時間的增大，試樣頂部延伸至底部的縱向斜裂縫為主要裂縫形式，在薄弱處會出現(xiàn)縱向裂縫的分叉，向兩側(cè)橫向進而斜向伸展。風主要影響LCC的表面層，故在受風面一定深度范圍內(nèi)LCC結(jié)構(gòu)比較薄弱，縱向裂縫的分叉傾向于受風面發(fā)展。

圖3 抗壓強度試驗的試樣裂縫Fig.3 Cracks in specimens for compressive strength tests

圖4 孔徑累計分布Fig.4 Cumulative distribution of pore size

2.2 微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

氣孔與骨架結(jié)構(gòu)形成的微觀形貌決定著LCC的各項性能，氣孔是LCC主要的組成成分和影響性能的重要因素，在澆筑期更是處于不斷發(fā)展的階段，有必要對LCC的微孔結(jié)構(gòu)特征進行研究。

2.2.1 等效孔徑變化

通過宏觀性能的分析，在較大風速及較長持續(xù)時間下，二者共同作用對LCC性能影響效果更明顯，故選擇W2t6.0、W4t6.0和W6t6.0作為提取LCC內(nèi)部微觀參數(shù)的對象，并將W0作為無風時的對照試樣，試樣孔徑累計分布如圖4所示。為了定量說明孔徑大小的變化，在孔徑累計分布曲線上選取累計分布百分比為90%所對應的孔徑d90作為該試樣的等效孔徑。Nambiar等[14]也采用d50(累計分布百分比為50%所對應的孔徑)和d90兩參數(shù)來定量比較LCC內(nèi)部的孔徑分布及其對宏觀性能的影響，并證明了d90比d50有更好的相關性。

根據(jù)武艷文[15]對泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)的研究，將泡沫混凝土中孔結(jié)構(gòu)劃分為：微孔(<50 μm)、小孔(50～200 μm)、中孔(200～500 μm)和大孔(>500 μm)。小孔代表LCC的合理孔徑分布，若平均孔徑為小孔則認為環(huán)境因素對LCC影響較小，大孔代表著LCC內(nèi)部的有害孔，其直接影響LCC的宏觀力學性能。因此，按50、200、500 μm為分割邊界的孔分布如圖5所示，不同風速下的孔徑分布及其曲線擬合如圖6所示。

圖5 孔徑分布劃分Fig.5 Division of pore size distribution

由圖4、圖5可知，澆筑期受風影響LCC內(nèi)部孔徑主要分布在80～700 μm。在較大風速和較長持續(xù)時間下，風的影響使得LCC內(nèi)部孔徑減小，相應的宏觀性能表現(xiàn)較好。這是由于風作用加快了內(nèi)部水分流動及碳化作用的發(fā)生，使得結(jié)構(gòu)變得密實，孔徑相應減小。由圖6可知，LCC中氣孔尺寸分布符合對數(shù)正態(tài)分布，且隨著風速的增大，孔徑分布在高斯擬合后的相關系數(shù)也逐漸變大，說明在風速影響下，內(nèi)部孔徑變得更加均勻，相應的宏觀性能表現(xiàn)更好。

圖6 不同風速下孔徑分布Fig.6 Distribution of pore size at different wind speeds

2.2.2 孔圓度值變化

孔隙圓度值表征的是在二維平面內(nèi)微孔的形狀偏離圓形的程度，若圓度值越接近于1，則表明該孔隙的形狀越趨近于圓形，受力狀態(tài)更好。

澆筑期受風影響的試樣孔圓度值分布，如圖7所示?？梢钥闯?，W0、W2、W4、W6試樣的孔圓度值主要都集中在1.05～1.15，孔圓度值在大于1.15的各范圍，所占的百分比逐漸減小，即孔圓度值隨著風速的增大而逐漸變小，逐漸趨于有利于受力特性的圓形。但各范圍內(nèi)占比都未大于50%，且在各風速下分布規(guī)律類似，所以風在澆筑期對試樣主要為表面影響，并未很大程度改變內(nèi)部孔隙性質(zhì)。

圖7 不同風速下孔圓度值分布Fig.7 Distribution of pore roundness value at different wind speeds

2.2.3 孔分布分維變化

分布分維是描述微細孔隙在LCC結(jié)構(gòu)內(nèi)部分布的均勻程度的特征參數(shù)，風速影響下孔隙分布分維的變化如圖8所示?？梢钥闯?，孔分布分維值隨著風速變大而緩慢減小，分布分維變化較平緩，說明風對孔隙分布分維影響不大。分布分維參數(shù)越小，則表明氣孔分布越均勻，氣孔集團化程度越低，結(jié)構(gòu)密實度越大，強度越大。若孔隙分布集中，會在聚集處形成薄弱面，對結(jié)構(gòu)強度不利。

圖8 風速與孔分布分維的關系Fig.8 Relationship between wind speed and fractal dimension of pore distribution

2.3 微孔參數(shù)與宏觀性能參數(shù)相關分析

環(huán)境因素影響了微觀孔結(jié)構(gòu)的生長，通過對宏微觀參數(shù)進行擬合分析，揭示不同微觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對宏觀性能的影響。

2.3.1 等效孔徑與宏觀性能的關系

等效孔徑與干密度、抗壓強度和吸水率的關系，如圖9所示?？梢钥闯?，隨著等效孔徑增大，干密度呈線性下降，抗壓強度呈對數(shù)下降，且兩參數(shù)與孔徑相關性較好，說明孔徑對LCC干密度和抗壓強度影響較大?？讖皆叫?，則材料結(jié)構(gòu)越密實，干密度越大，抗壓強度也更大。體積吸水率隨孔徑增大呈對數(shù)上升趨勢，但數(shù)據(jù)離散型較大，孔徑越大增加了孔與孔之間貫通相連，結(jié)構(gòu)內(nèi)部連通孔隙變多，同時結(jié)構(gòu)變得不密實，體積吸水率隨之上升。

d為等效孔徑圖9 等效孔徑與宏觀性能的關系Fig.9 Relationship between average pore size and macroscopic performance

2.3.2 平均孔圓度值與宏觀性能的關系

平均孔圓度值與干密度、抗壓強度和吸水率的關系，如圖10所示?？梢钥闯觯琇CC干密度隨著平均孔圓度值的增大不斷下降，在平均孔圓度值小于1.25的范圍內(nèi)，干密度幾乎不再增長，存在平臺段，干密度保持在550 kg/m3左右，當平均孔圓度值大于1.25且不斷增大，干密度顯著降低。隨孔圓度值下降，LCC抗壓強度呈線性下降，也即為獲得強度的提升，應盡可能創(chuàng)造利于氣孔生長的澆筑環(huán)境，使得氣孔形狀近似于圓形發(fā)展，則受力越均勻，抵抗外部荷載的能力就愈大。LCC體積吸水率隨著平均孔圓度值的增大呈線性增大。

Ra為平均孔圓周度圖10 平均孔圓周度與宏觀性能的關系Fig.10 Relationship between average pore roundness value and macroscopic performance

2.3.3 孔分布分維與宏觀性能的關系

Da為孔分布分維圖11 孔分布分維與宏觀性能的關系Fig.11 Relationship between fractal dimension of pore distribution and macroscopic performance

孔分布分維與干密度、抗壓強度和吸水率的關系，如圖11所示?？梢钥闯?，隨著孔分布分維的增大，干密度不斷下降，在孔分布分維值小于1.64的范圍內(nèi)，干密度保持在550 kg/m3左右。LCC抗壓強度線性下降，LCC吸水率呈線性增大。

3 結(jié)論

經(jīng)過室內(nèi)模擬試驗，研究了澆筑期風速影響下LCC宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)隨風速增大和持續(xù)時間延長，LCC干密度和抗壓強度逐漸增長，吸水率略微下降。在風速影響下，試樣由頂部延伸至底部的縱向斜裂縫為主要裂縫形式。

(2)等效孔徑與風速呈負相關，孔徑分布符合對數(shù)正態(tài)分布；孔圓度值與風速呈負相關，氣孔逐漸趨于有利于受力特性的圓形；風速對孔隙分布分維影響不大，但趨勢是與孔分布分維呈負相關。

(3)隨著等效孔徑的增大，干密度呈線性下降，抗壓強度呈對數(shù)下降，體積吸水率呈對數(shù)上升；隨著平均孔圓度或孔分布分維的增大，干密度呈拋物線形式下降，抗壓強度呈線性下降，體積吸水率呈線性上升。

(4)通過以上表明，在風速增長(4級風以下)、時間延長(6 h以內(nèi))的環(huán)境條件下，LCC各項性能達到最好。建議持續(xù)風速達到6 m/s(4級風)時，需對澆筑段設置防風措施，確保澆筑質(zhì)量。