凍融環(huán)境下泡沫混凝土的孔結構與力學性能

高志涵,陳波*,陳家林,袁志穎

（1.河海大學 水利水電學院，南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098）

泡沫混凝土是指將水泥、泡沫、礦物摻合料和水等經(jīng)過拌合、澆筑、養(yǎng)護而形成的一種輕質多孔材料，具有保溫隔熱、緩沖減震和輕質節(jié)能等優(yōu)點[1]，廣泛用于大型結構保溫、機場跑道減震、建筑材料防火等領域[2]。泡沫混凝土內部不含粗骨料且存在大量隨機孔隙，因空氣的導熱系數(shù)遠小于水泥，故泡沫混凝土具有良好的保溫性能[3-5]。作為一種硅酸鹽材料，泡沫混凝土與普通混凝土的變形收縮系數(shù)一致且具有阻燃和高耐久性等優(yōu)點，未來有望應用于寒區(qū)混凝土壩表面的保溫防護中，以取代現(xiàn)有的有機保溫材料[6-7]。然而，孔隙的存在削弱了泡沫混凝土的結構強度，如何平衡泡沫混凝土的保溫性能與力學強度之間的關系是當前研究的關鍵[8-10]。

力學性能作為影響泡沫混凝土推廣和應用的重要指標，國內外學者已開展大量研究[11-14]，結果表明：孔隙結構是決定其力學性能的內在因素，隨著密度的增大，泡沫混凝土的孔隙率降低、孔隙結構趨于均勻致密，進而顯著提升其抗壓強度[15-17]。而現(xiàn)有的研究大多集中于常態(tài)環(huán)境下泡沫混凝土的受壓特性，關于凍融循環(huán)過程中其宏觀力學性能與微觀孔隙結構變化的研究較少。用于寒區(qū)保溫防護的泡沫混凝土在服役過程中常受到凍融循環(huán)(Freeze-thaw cycle，F(xiàn)-T cycle)等不利環(huán)境因素的影響，有必要深入了解凍融環(huán)境下泡沫混凝土力學性能和孔隙結構的變化規(guī)律。

聲發(fā)射(AE)技術通過捕獲試樣在受壓過程中彈性波的釋放事件來還原其內部開裂的過程，在當前混凝土損傷監(jiān)測領域的應用較成熟[18]。傳統(tǒng)力學試驗只能獲得待測試樣的強度值，無法得知試驗過程中內部裂縫損傷的發(fā)展情況；而AE測試可通過分析試樣在單軸受壓各階段的聲發(fā)射特征參數(shù)來對單軸壓縮試驗作以補充，有助于深入了解凍融循環(huán)后泡沫混凝土的受壓特性。X-CT技術可實現(xiàn)泡沫混凝土的無損檢測與三維重構，通過提取試樣的孔隙特征參數(shù)來研究孔隙結構在凍融前后的變化情況。本文結合單軸壓縮、AE和XCT試驗，研究了凍融前后泡沫混凝土的應力-應變特征、峰值抗壓強度、聲發(fā)射參數(shù)及孔隙結構的變化規(guī)律，結果有助于進一步了解凍融循環(huán)對泡沫混凝土宏觀力學性能和微觀孔隙結構的影響，為其在寒區(qū)工程的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 泡沫混凝土的制備

本試驗所用泡沫混凝土的原材料為水泥、發(fā)泡劑和水。水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；發(fā)泡劑為河南華泰新材公司生產(chǎn)的HTW-1型復合發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)為1∶30；水為自來水，水灰比為0.6。所制泡沫混凝土的配合比參考英國鄧迪大學提出的“固相容積法”，根據(jù)目標試樣的濕密度來確定各材料的用量[5,19]，具體公式如下：

式中：Dw為目標試樣的濕密度(kg·m-3)；c、w、f為單位立方體水泥、水和泡沫的用量(kg·m-3)；Vf為泡沫的體積(m3)；ρc、ρw、ρf對應水泥、水和泡沫的密度，分別為3 100、1 000、55 kg·m-3。

根據(jù)式(1)～(3)，共設計4種密度等級的泡沫混凝土，各組配合比及其干密度、孔隙率等實測特征值如表1所示。

表1 泡沫混凝土的配合比及實測特征值Table 1 Mixture proportion and measured characteristic value of foam concrete

1.2 試驗儀器和方法

泡沫混凝土的凍融循環(huán)試驗按照SL/T 352-2020《水工混凝土試驗規(guī)程》[21]要求，使用建研華測(北京)儀器設備有限公司生產(chǎn)的CABRHDK快速凍融試驗機共進行100次凍融循環(huán)，溫度范圍為-18～10℃。在試驗前4天將各組試樣置于清水中浸泡，確保待測試樣吸水飽和，每經(jīng)歷25次凍融循環(huán)從各密度試樣中取出3塊，待其充分干燥后進行單軸壓縮-AE聯(lián)合測試。

X-CT測試使用德國Y.CT Precision微焦點X射線及工業(yè)CT系統(tǒng)，在測試的過程中沿著圓柱體試樣的水平斷面由上到下逐層旋轉掃描，獲得1 300張連續(xù)的二維斷層掃描圖，并使用Avizo軟件對測試結果進行分析處理，實現(xiàn)測試樣品的三維重構。

單軸壓縮-聲發(fā)射聯(lián)合測試(AE-MTS)借助MTS-SANS萬能試驗機與Sensor Highway III全天候結構健康監(jiān)測系統(tǒng)進行，其聯(lián)合布置情況如圖1(a)所示。采用荷載控制的加載方式，以50 N/s的加載速率沿試樣的軸向施加荷載，當試樣的軸向位移達到6 mm時停止加載，每個密度設置3組平行試驗。在測試過程中，為排除試驗現(xiàn)場噪聲對AE精準度的干擾，提高定位的準確性，試驗前根據(jù)現(xiàn)場測試結果設定AE門檻值為40 dB，以保證所采集數(shù)據(jù)的有效性。AE測試與單軸壓縮試驗同步進行，在待測試樣的4個側面各布置一個AE傳感器，耦合劑為凡士林，其布置情況如圖1(b)所示。

圖1 試驗儀器示意圖Fig.1 Schematic diagram of test instrument

2 泡沫混凝土的單軸壓縮結果

由于不同試樣在受壓過程中的變化情況各不相同，直接取每組測試結果的平均值會存在較大的誤差[22]，本文以具有中間峰值應力的試樣作為各組的代表，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下各密度泡沫混凝土單軸壓縮的應力-應變關系，如圖2所示，4組試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的全部應力-應變關系曲線詳見文末附錄A。

圖2 各密度泡沫混凝土的應力-應變關系曲線Fig.2 Stress-strain curves of foam concrete with different densities

由圖2可知，泡沫混凝土單軸壓縮的應力-應變關系曲線存在明顯的階段性，根據(jù)曲線的特征，其受壓過程大致分為初步密實階段、彈性階段、屈服階段和平臺階段[23-24]。

初步密實階段發(fā)生在受壓初期，泡沫混凝土在外界荷載的作用下首先發(fā)生表層孔隙的壓縮和填充，引起試樣的彈性模量不斷增大；彈性階段的應力-應變曲線近似呈線性關系，該階段荷載主要由初步密實后的水泥基體以彈性變形的方式來承擔；荷載一般在屈服階段達到峰值，隨后應力-應變曲線開始驟降，并伴隨大量的裂縫開裂現(xiàn)象，不同于其他混凝土的急速脆性破壞，泡沫混凝土的孔隙結構賦予其良好的緩沖能力[13,25]，試樣的承載力下降約20%～30%。隨后進入平臺階段，該階段泡沫混凝土的孔隙不斷被壓縮，荷載的增加引起試樣的軸向變形的增大，直至達到6 mm時停止加載。

密度是影響泡沫混凝土力學性能的主要因素，隨著密度的增大，孔隙率降低，泡沫混凝土的強度迅速提升：A10的密度是A05的2倍，但是其峰值強度約為A05的5倍。另一方面，泡沫混凝土的脆性隨著密度的增大而不斷提高[13]，這一特征在各密度試樣的屈服階段表現(xiàn)明顯：A05～A10這4組試樣在屈服階段前后承載力下降程度分別為3.6%、6.3%、18%和23%，密度的增大提高了水泥基質的占比，弱化了孔隙的緩沖作用，使屈服階段的峰后曲線更加陡峭。凍融侵蝕加劇了泡沫混凝土內部孔隙的擴張和裂縫的發(fā)展，降低了試樣的剛度[13]。因此在應力-應變曲線的峰后應力驟降段，各密度試樣承載力的下降幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。通過提取各密度試樣峰值強度的平均值，得到了如圖3所示的不同凍融循環(huán)次數(shù)下泡沫混凝土的受壓特征圖。

培訓方式是工科新教師培訓目標實現(xiàn)的“橋”與“船”。培訓內容不同，培訓方式各異。不同的培訓方式，培訓效果各不相同。

圖3 泡沫混凝土的受壓特征圖Fig.3 Compression characteristic of foam concrete

可知：在凍融循環(huán)的作用下，不同密度試樣的峰值強度之間存在著較大差距。A05的強度在凍融循環(huán)初期損失嚴重，而在后續(xù)50次凍融循環(huán)的過程中，其抗壓強度維持在0.67 MPa左右，變化幅度較小，而其他3組試樣的抗壓強度則隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。張亞梅等[16]研究了A03～A10共8種密度等級的泡沫混凝土的孔隙結構，發(fā)現(xiàn)隨著密度的增大，內部孔隙連通的情況逐漸減少、孤立孔隙的占比增大。

A05等低密度試樣的孔隙率和孔隙連通程度較高，凍融循環(huán)破壞了其大部分孔隙結構，導致峰值強度迅速下降，存在明顯的強度損失問題；而A10內部的孔隙更均勻致密，凍融循環(huán)對其影響最小，強度損失率為23.7%，優(yōu)于其他試樣。

3 泡沫混凝土的聲發(fā)射信號特征

材料在受壓的過程中會積累彈性能，當結構內部發(fā)生開裂時會釋放彈性能并伴隨瞬時彈性波的出現(xiàn)，這種現(xiàn)象被稱為聲發(fā)射(AE)。由于A06和A10兩試樣在凍融循環(huán)過程中分別具有最高和最低的強度損失率，本節(jié)以這兩組試樣為代表來研究各自在受壓時的AE特性。

在AE信號的諸多參數(shù)中，累計振鈴計數(shù)反映了信號源的活躍度，幅值則表征了內部損傷發(fā)生的劇烈程度[26-28]。在本次試驗中，AE累計振鈴計數(shù)增長越快、幅值越高，說明泡沫混凝土在壓縮過程中的開裂次數(shù)越多、內部損傷發(fā)生得越劇烈[29-31]。兩試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的AE特征如圖4所示。可知，兩試樣在加載過程中的AE信號均存在明顯的階段性：隨著荷載的增加，AE累計振鈴計數(shù)曲線先小幅增長，后趨勢放緩，最后激增。根據(jù)曲線的變化規(guī)律將試樣的聲發(fā)射過程分為接觸期、平靜期和陡增期3個階段[32-33]。

圖4 A06與A10的聲發(fā)射特征Fig.4 Acoustic emission characteristics of A06 and A10

接觸期發(fā)生在加載初期，對應試樣受壓的初步密實階段，該階段由于孔隙受壓，引起各試樣的累計振鈴計數(shù)曲線小幅增長；隨后進入平靜期，該階段試樣的彈性模量增大，變形幅度隨之減小，AE事件的活躍程度不高，曲線增長緩慢；陡增期對應泡沫混凝土受壓的屈服階段，試樣表面出現(xiàn)宏觀開裂等破壞，產(chǎn)生了大量的AE事件，累計振鈴計數(shù)曲線隨時間陡增，絕大部分的AE事件發(fā)生在該階段且幅值較高。

兩試樣在壓縮過程中的AE事件主要發(fā)生在接觸期和陡增期，對應圖2的初步密實階段、屈服階段和平臺階段。泡沫混凝土在這3個階段均出現(xiàn)了不同程度的變形，產(chǎn)生了較多的AE信號，可認為泡沫混凝土的變形是AE信號產(chǎn)生的主要原因。

橫向對比圖4(a)和圖4(b)可知，凍融循環(huán)改變了試樣受壓時AE事件的分布情況，使平靜期的AE事件明顯增多，累計振鈴計數(shù)曲線變得更光滑。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，曲線在平靜期的斜率不斷增大，表明試樣在該階段的變形量增加。經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，A10的曲線仍具明顯的階段性，表現(xiàn)出良好的抵抗凍融侵蝕能力。各試樣的AE累計振鈴計數(shù)統(tǒng)計如表2所示?？芍?，凍融循環(huán)降低了泡沫混凝土AE信號的活躍度，試樣的累計振鈴計數(shù)大致隨密度的增大而減小。這是由于泡沫混凝土密度的增大顯著提升了其抵抗變形的能力，使累計振鈴計數(shù)隨之減小；此外，凍融循環(huán)加速了內部孔隙的擴張和裂縫的開展，使連續(xù)水泥基質的占比減小，變形產(chǎn)生的彈性波在孔隙內多次反射導致信號衰減[34-36]，不利于AE事件的捕捉及定位，使信號的活躍度降低。

表2 各密度泡沫混凝土的聲發(fā)射(AE)累計振鈴計數(shù)Table 2 Cumulative acoustic emission (AE) ringing count of foam concrete with different densities

4 泡沫混凝土的孔結構特征

泡沫混凝土的單軸壓縮及聲發(fā)射特性均與其孔隙結構密切相關，孔隙的存在影響了水泥基的分布和連續(xù)性，從而決定了試樣的力學性能[37]。凍融循環(huán)通過劣化試樣的孔隙結構來削弱其力學性能，了解孔隙特征的變化可以定量分析凍融侵蝕的影響程度。各組泡沫混凝土在凍融循環(huán)后的三維掃描結果如圖5所示。

圖5 凍融循環(huán)后泡沫混凝土的三維掃描圖Fig.5 Three-dimensional scanning map of foam concrete after freeze-thaw cycle

可知：凍融循環(huán)主要影響泡沫混凝土表層區(qū)域，通過水-冰轉化過程中的凍脹力來劣化試樣的孔隙結構，引起表層砂漿脫落、掉渣，增大了試樣的表面粗糙度。

以A06和A10為例，兩試樣經(jīng)過X-CT測試后，得到大量連續(xù)的二維切片，使用Avizo軟件對其進行堆疊處理，實現(xiàn)被測物的三維重構，經(jīng)中值濾波降噪處理及圖像灰度的閾值分割可提取出各自在凍融循環(huán)前后的孔隙網(wǎng)絡模型，如圖6所示。

圖6 兩試樣在凍融循環(huán)前后的孔隙網(wǎng)絡模型Fig.6 Pore network models of two samples before and after freeze-thaw cycle

可知，兩試樣在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，其孔隙均明顯劣化，孔隙尺寸普遍增大，導致力學性能的下降。通過提取并統(tǒng)計不同凍融循環(huán)后兩試樣的孔隙尺寸、數(shù)量及分布，得到了如表3所示的孔隙結構參數(shù)表。

表3 A06與A10試樣的孔隙結構參數(shù)Table 3 Pore structure parameters of A06 and A10 samples

由表3可知，在凍融循環(huán)的過程中，A06和A10的孔隙率均有所增長，孔壁厚度不斷減小。試樣內部的薄弱孔壁在凍脹力作用下出現(xiàn)坍塌破損導致孔隙合并[38]，因此隨著凍融次數(shù)的增加，孔隙的平均直徑增大而數(shù)量卻在不斷減小。

在相同情況下，A06的孔隙率和平均孔徑遠大于A10，這與其在制備過程中泡沫的含量較高有關。A06在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，其孔隙結構開展迅速，孔隙率和平均孔徑分別增至78.8%和1 403 μm，孔隙的開展降低了其抵抗外界荷載的能力，因此A06試樣在凍融循環(huán)后的強度損失情況較嚴重。

為深入了解A06和A10在不同次數(shù)凍融循環(huán)后的孔隙率和孔隙分布特征，對其孔隙參數(shù)進行統(tǒng)計處理，得到如圖7所示兩試樣的平面孔隙率變化圖和孔隙直徑分布情況。

圖7 A06與A10試樣的孔隙分布特征Fig.7 Pore distribution characteristics of A06 and A10 samples

由圖7(a)可知：A06和A10在豎直方向的平面孔隙率隨深度的變化趨勢一致，上下表面附近的孔隙率較大。兩試樣在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，各自的平均孔隙率分別由58.5%、46.3%增至78.8%和57.3%，其中兩側區(qū)域的孔隙率顯著增大，這與凍融侵蝕由外到內的作用規(guī)律相符合。

由圖7(b)可知：兩試樣的孔徑近似服從對數(shù)正態(tài)分布，未經(jīng)凍融循環(huán)時，A06的孔徑分布主要集中在1 000～1 500 μm范圍內，而A10內部以直徑在500 μm以下的孔隙為主，且分布更集中。在凍融循環(huán)的作用下，兩試樣的孔徑分布范圍均增大，A06由于孔隙壁厚度較薄，更容易受到凍融侵蝕的影響；而A10的大部分孔徑在1 000 μm以下，表現(xiàn)出更好的力學性能。

以A10為代表的高密度泡沫混凝土由于孔隙結構更均勻，在凍融循環(huán)的過程中強度損失不大，具有較好的抵抗凍融侵蝕能力；另一方面，低密度等級的試樣由于孔隙率高，相應地具有更好的保溫隔熱性能，在實際工程中應根據(jù)具體應用場景來選擇合適密度的泡沫混凝土，以滿足工程需要。

5 結 論

(1) 泡沫混凝土單軸壓縮的應力-應變曲線具有明顯的階段性，孔隙結構賦予其良好的緩沖能力，達到屈服后，承載能力維持在峰值的70%～80%，表現(xiàn)出良好的韌性。

(2) 聲發(fā)射(AE)累計振鈴計數(shù)曲線反映了AE事件的活躍度，與試樣在受壓過程中的變形密切相關；凍融循環(huán)降低了試樣的脆性，使累計振鈴計數(shù)曲線更加光滑，由于孔隙的開展，AE事件的活躍度隨之下降。

(3) 泡沫混凝土的孔隙結構是決定其力學性能的關鍵，A10試樣的孔隙率為46.3%，孔徑主要分布在500 μm以下，在100次凍融循環(huán)后其強度下降約23.7%，具有良好的抵抗凍融侵蝕能力。

(4) 凍融循環(huán)使泡沫混凝土的孔徑增大、孔徑分布離散化，部分薄弱孔壁在凍融循環(huán)的過程中受到破壞，造成相鄰孔隙的連通、合并，孔隙結構的劣化引起了試樣整體力學性能的下降，A06試樣在凍融循環(huán)100次后，孔隙率由58.5%增至78.8%，強度下降約63.6%，強度損失問題較明顯。

附錄A

附圖 S1 A05試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的應力-應變關系曲線Fig.S1 Stress-strain relationship curves of A05 specimen after different freeze-thaw cycles