冻融循环作用下陶粒混凝土抗压性能研究

袁立月，陈克政，彭 飞，付翼博，孙剑飞，*，丁 琳，*

(1.黑龙江大学 a.水利电力学院；
b.建筑工程学院，哈尔滨 150080；
2.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

冻融作用是混凝土抗冻性以及力学性能发生退化的重要原因之一[1]。在我国北方寒区，建筑物经常遭受冻融破坏，引起骨料与胶凝材料的之间黏结破坏，导致混凝土的耐久性能和力学性能发生变化，最终引起混凝土力学性能的下降[2]。寻求一种轻质耐久性好、抗冻性强的建筑材料尤为重要，而陶粒混凝土作为一种轻质新型建筑材料，具有保温、隔热、耐火等优点[3-4]，可满足我国寒区对建筑材料的要求。

针对陶粒混凝土，国内外学者对其力学性能和冻融循环后的损伤破坏开展了相关研究。在力学性能方面，研究了陶粒粒径及级配[5-6]、粗骨料的预湿方式[7-8]、添加不同类型的纤维等方式[9-12]，对陶粒混凝土抗压强度的影响，并对抗压强度与弹性模量等关系进行了回归分析[13]。耐久性能方面，通过在冻融循环作用下，研究不同浓度的盐溶液[14]、不同冻融循环次数以及不同冻融循环温度对其耐久性的影响[15-17]，并建立冻融损伤模型，分析试件内部损伤程度。王立成等[18]通过试验，系统分析了定侧压下粉煤灰陶粒混凝土双轴压极限强度和变形性能随冻融循环次数和侧压应力水平的变化规律。杭美艳等[19]通过试验研究结果表明，轻骨料混凝土的导热性能比同强度等级的普通混凝土好，但其抗折强度、抗冻性能相对较差。

本实验研究了4种不同强度等级的陶粒混凝土在冻融作用下抗压性能、动弹性模量、表面形态以及破坏特征。并建立了相对抗压强度与相对动弹性模量之间的关系式。

1.1 试验原料

选取亚太集团生产的天鹅牌P·O 42.5复合硅酸盐水泥；
细骨料为天然河砂，表观密度为2 510 kg·m-3，含泥率为1.9%；
粉煤灰采用黑龙江火电公司的Ⅰ级粉煤灰；
外加剂为聚羧酸高性能减水剂；
试验用水为哈尔滨市自来水；
粗骨料为轻质黏土陶粒，其性能指标见表1。

表1 黏土陶粒性能指标

1.2 试验配合比

根据JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》和文献[19]。进行陶粒混凝土配合比设计，见表2。

表2 陶粒混凝土配合比

1.3 试验设备

试验所采用的冻融装置为CDR-5型快速冻融机；
采用进口MTS电液伺服万能液压试验机进行抗压强度试验；
采用北京康科瑞非金属超声检测分析仪器仪测量动弹性模量。

1.4 试验制作

本次试验设计了4组100 mm×100 mm×100 mm的陶粒混凝土试块，其强度等级分别为LC25、LC30、LC35、LC40，每组分别在0、15、30、45、60次下进行冻融循环。根据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测定冻融循环后每组试块的抗压强度。通过设计4组100 mm×100 mm×400 mm的陶粒混凝土试块，测定经过冻融循环后的质量损失和动弹性模量损失以及抗压强度损失，利用试块的动弹性模量损失反映陶粒混凝土内部的损坏机理。

试验进行前，将陶粒预湿24 h。进行搅拌时，先将陶粒和沙子、胶凝材料进行干搅，使之充分混合均匀，水分两次加入，分别搅拌60 s和120 s。采用人工边插边捣法装入模具，在室温下养护24 h后进行脱模，脱模后送入标准养护室养护。在养护第24天时取出，放入(20±2)℃的水中浸泡96 h，使其内部水处于饱和状态。将制备好的陶粒混凝土放入冻融循环机中，冻融温度设为-20～15 ℃，测定相应冻融次数后的质量、抗压强度以及动弹性模量。

2.1 冻融循环后试件表面形态

以冻融60次后的试件为例，其破坏形态见图1，与未冻融的试件相比，冻融后的试块表面均有明显砂浆脱落现象。其中胶凝材料较少的LC25组陶粒混凝土表面脱落现象最为严重，试件表面存在明显的砂浆骨料脱离现象并堆积着脱落后的水泥砂浆粉末，陶粒骨料裸露，出现麻面现象，边缘部位缺失比较严重。随着强度等级的增加，LC30组试件表面水泥砂浆的脱落有所减少，有少量的水泥砂浆粉末堆积在表面，但表面依然粗糙不平整。LC35组和LC40组表面较为平整，少部分砂浆脱落，陶粒骨料裸露较少，相对比较完整。

图1 冻融循环后不同强度等级试件表面形态Fig.1 Surface form of the test piece at different strength levels after the freeze-thaw cycle

2.2 冻融循环后试件受压破坏形态

在进行试件受压破坏时，未冻融的试件见图2。LC25组表现为两侧出现裂缝，随着荷载不断增加，试件两侧部分直接断开，试件中部出现较大裂缝，上下底面均不完整；
LC30组同LC25组破坏形态相同但两侧并未脱离，中间有裂缝；
LC35组破坏形态表现为八字形裂缝，试件受压右侧出现裂缝，随后中间出现一条细裂缝，上下底面均较为完整；
LC40组随着荷载不断增加，试件靠近边缘部位出现裂缝，并未出现分离现象，当荷载达到最大时，试件突然发生破坏，出现裂缝一侧表面脱落。

图2 冻融循环前不同强度等级试件破坏形态Fig.2 Destruction pattern of test pieces of different intensity levels before the freeze-thaw cycle

与未冻融的试件相比，冻融后的试件受压破坏形态有明显的差异(图3)。LC25组和LC30组下底面直接发生破坏，破坏面处存在明显的砂浆骨料脱离，残留块体表面也表现较为酥松，其内部也出现了裂缝，试件内部陶粒从中间断开，发生脆性破坏；
LC35组试件上下底面较为完整，其破坏形态呈对顶锥状，试件内部发生断裂，出现少量裂纹；
LC40组试件表面的水泥砂浆和陶粒掉落，内部没有太大裂纹。可见，经过冻融循环后，陶粒混凝土内部损坏的程度较为严重，初始裂缝经过冻融不断扩大导致产生新的裂缝，从而冻融循环后经过压载出现对顶锥状。

图3 冻融循环后不同强度等级试件破坏形态Fig.3 Destruction form of test pieces of different intensity levels after the freeze-thaw cycle

3.1 冻融后抗压强度损失

对冻融循环次数达到设计的陶粒混凝土试件进行抗压测定，分析抗压强度损失率与冻融循环次数的关系见图4。

图4 混凝土抗压强度损失率与冻融循环关系Fig.4 Loss rate of concrete pressure strength is related to the freeze-thaw cycle

不同强度等级的陶粒混凝土抗压损失规律与普通混凝土大致相同。在进行冻融循环作用后，强度等级越低，抗压强度损失越大。在冻融初期，抗压强度损失率增长较为缓慢，随着次数的增加，试件的抗压损失率逐渐增大。LC25组与LC30组在冻融45次前，其抗压强度损失率差别不大，45次之后，损失率明显增大，分别达到57.7%、51.34%。而LC40组试件，相比其他组增长较为缓慢，但依然达到34.95%。

3.2 冻融后动弹性模量损失

对达到相应设计冻融循环次数的陶粒混凝土试件进行动弹性模量测定，得到动弹性模量损失率与冻融循环次数的关系见图5。

图5 混凝土动弹性模量损失率与冻融循环关系Fig.5 Loss rate of concrete dynamic elastic modulus is related to the freeze-thaw cycle

不同强度等级的陶粒混凝土动弹性模量损失与普通混凝土基本一致。随着冻融循环次数的增加，混凝土的动弹性模量损失率越大，在冻融循环初期，不同强度等级混凝土的损失率相差不大。在冻融30次后，各组试件的动弹性模量损失率差值变化比较明显。在冻融循环60次后，LC25组试件的动弹性模量损失率增长最快，达到30%。LC30和LC35组试件动弹性模量损失率分别为25.9%、21.2%。LC40组试件，由于内部更为紧密，其动弹性模量损失率为15.1%。经过冻融循环后，混凝土内部损伤的积累更容易导致低强度等级混凝土试件破坏。

3.3 冻融后破坏机理分析

在开始进行冻融循环前，试块已进行4 d的浸泡，陶粒混凝土试件内部处于水饱和状态。随着冻融循环机开始运行，内部温度逐渐降低，试件内部空隙分布不均匀，靠近边缘位置较大孔隙中的水先达到冰点而冻结并形成冻结锋面，其他位置的孔隙水由于温度梯度的作用向低温冻结锋面迁移，使混凝土外围冻胀更加明显，随着冻结时间增加，冻结封面向试件中心位置迁移，但在此工程中孔隙水已经迁移至试件外围，试件内部冻胀现象并不显著。

冻融循环初期，表层有少量的脱落，有较为明显的损伤。内部孔隙逐渐增大，随着温度增高，陶粒混凝土除了在饱和之前存在的细小裂缝，在经过反复高低温循环后，产生新的毛细孔隙，这些裂缝在水融化后吸附少量水，不断进行冻融循环，继续吸水饱和，导致爆发出更多毛细孔隙。随着次数的增加，砂浆基体被破坏，由于冻融前后的试块均在水中浸泡且饱和，试块内部存在物理约束。陶粒混凝土表面的自由水由于冻融循环结晶膨胀，使得表层砂浆脱落，出现麻面，陶粒显露出来。相比低强度等级，强度等级高的试块表面的脱落现象不明显。这是因为强度等级高的混凝土所用水泥量较大，产生水化产物较多，导致试件内部的孔隙相对较少，混凝土内部相对密实，使抗冻性得到提升。

3.4 陶粒混凝土抗压强度衰减规律

图6 混凝土相对动弹性模量与相对抗压强度的关系Fig.6 Relationship between the relative dynamic elastic modulus of concrete and the phase-to-phase anti-pressure strength

表3 抗压强度衰减相关系数

通过设计4组不同强度等级的陶粒混凝土试件，研究其在不同冻融循环次数下的抗压性能，得出以下结论：

1)冻融循环作用下，陶粒混凝土的抗压强度和动弹性模量变化规律与普通混凝土基本一致，随着冻融循环次数的增加逐渐降低，且强度等级越低，其降低速率越快。

2)冻融循环对低强度等级的陶粒混凝土破坏形式影响较大。由于冻融作用，随着次数增加，陶粒混凝土内部损伤的积累不断增加，低强度等级的试件更容易被破坏，且破坏形式从内到外。

3)冻融循环后，试件的相对抗压强度与相对动弹性模量之间的相关性较好，相对动弹性模量与相对抗压强度呈指数关系。

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