大温差干湿循环条件下路用泡沫混凝土强度特性研究

□□ 章 伟

(杭州交通投资建设管理集团有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

干湿交替作为一种自然现象，存在于道路工程建设的全阶段。路用泡沫混凝土作为一种较新的混凝土制品，在道路工程建设中应用越来越广泛，而干湿交替对路用泡沫混凝土性能的影响也逐渐引起人们的重视。已有研究表明，干湿交替可极大地加速侵蚀性离子对混凝土制品的侵入，加速混凝土制品的损伤劣化[1-3]。自然暴露试验法和室内快速试验法是两种研究干湿交替环境下路用泡沫混凝土性能的主要手段[4]，但自然暴露试验耗时较长，往往无法满足工程的进度要求，因此，现有研究基本采用室内试验快速法。

GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》中对加气混凝土干湿循环试验做了具体规定，其中特别强调在干湿交替循环过程中应将试块取出后冷却20 min。而近年来华东地区夏季最高温度频频破纪录，路面温度最高时可达70 ℃左右，夏季雷阵雨又较多，往往来势迅猛，使得路面经常在被晒得高温之时遭遇一场大雨，而雨水的温度在20 ℃左右，因此，这是一种存在大温差的干湿交替现象。尽管目前针对泡沫混凝土在干湿循环条件下的强度变化规律已开展了部分研究，但考虑大温差干湿交替影响的研究相对较少。

因此，本文针对大温差干湿循环作用下路用泡沫混凝土强度特性问题开展试验研究，通过对路用泡沫混凝土的干湿循环试验，分析得出路用泡沫混凝土在干湿循环作用下的强度变化规律。

1 干湿循环试验

1.1 试验材料

试验采用的路用泡沫混凝土设计强度为：28 d无侧限抗压强度≮0.8 MPa，设计湿容重为6.0 kN/m3；水泥采用P·O 42.5，发泡剂采用F60B，水采用自来水，具体配合比见表1。

表1 路用泡沫混凝土配合比

试验采用试块为100 mm×100 mm×100 mm的标准立方体试块，制作试块的路用泡沫混凝土取自现场浇筑出料口，保证了试验试块原料与工程应用的一致性。制作试块时，先将试模清理洁净，之后涂刷脱模剂，底部脱模孔用纸片覆盖防漏；向试模中浇筑路用泡沫混凝土时，边浇筑边轻轻敲击试模，确保试块内部无大气泡滞留；同时，为防止路用泡沫混凝土干缩，制模时路用泡沫混凝土浇筑高度应高于模口，待终凝脱模前用刀刮平。试块浇筑完成30 h后脱模，再于标准养护室内养护至28 d。

1.2 试验方案

干湿循环条件下的试验过程为：先将养护28 d的试件放入电热鼓风干燥箱内，在(60±5)℃下烘至恒重，之后将试块(每组3块)在温度为(20±5)℃的室内冷却20 min，然后放入水温为(20±5)℃恒温水箱内，水高出试件上表面30 mm，浸渍5 min后取出，置于室内晾干，晾干时长为30 min。最后再放入电热鼓风干燥箱内，在(60±5)℃下烘7 h，此为一个干湿循环。为达到模拟大温差干湿交替的效果，试验中舍去了“室内冷却”这一步骤，即将试块从烘箱中取出之后，直接放入恒温水箱中进行湿循环，且为了加速试验进程，适当延长了试块的烘干时间，烘干时间取8 h和16 h交替进行，当到达预期干湿交替次数时，为保证试块彻底烘干，将试压试块烘干24 h以上，即以每5次干湿交替为一个大循环，烘干时间分别为8 h、16 h、8 h、16 h、24 h，具体试验方案如图1所示。

图1 大温差干湿交替循环示意图

试验共分为7组，每组有3个试块，为防止试验中试块意外损坏，共准备25个试块。试验过程中，首先将试块烘干至恒重，测得试块的干容重，再按设定的大温差干湿交替机制进行试验。试验进行了7次大循环，共计35次大温差干湿交替试验，分别于每次大循环之后测定试块的吸水量(5 min)和无侧限抗压强度，取每组3个试样的平均值；试块表面裂缝情况做到每次大温差干湿交替均有记录，裂缝观察以肉眼观察为主。

2 试验结果分析

2.1 吸水量试验及孔隙率分析

路用泡沫混凝土的吸水量及吸水速率如图2所示。由试验结果可知，试块5 min吸水量可达饱和吸水量的50%以上，而试块的饱和容重，甚至超过了其制备完成时的湿容重，为干容重的1.75倍左右，饱和吸水量可达300 g左右。这与崔晓桐等[5]研究成果中的吸水量增加约25%有较大的差距，分析其主要原因，由于崔晓桐等[5]吸水试验前未将试块彻底烘干，而该试验中先将试块彻底烘干后再进行吸水量试验，在对试块彻底烘干的过程中泡沫混凝土中原本封闭完好的气泡结构被破坏，且产生了微裂缝，导致试块吸水量增加。由于在烘干过程中路用泡沫混凝土在热胀作用下会出现一定的开裂现象，虽未出现肉眼可见的裂缝，但从试验结果可知，路用泡沫混凝土内部已发展出裂缝导致其吸水量增加。吸水量的增加将严重影响路用泡沫混凝土的轻质性，也影响到了设计时其自重的取值。

图2 试块吸水量与浸水时间的关系

整个大温差干湿交替试验过程中试块吸水量的变化趋势如图3所示，可以看出，随着干湿交替次数的增加，在相同的浸水时间(5 min)内试块吸水量有明显的上升趋势。从最初50%的吸水量(饱和吸水量按300 g计算)，当大温差干湿交替进行了一个大循环(即5次大温差干湿交替)后，试块吸水量上升到了63%左右，之后吸水量虽有所增加，但增加速率明显变缓。这主要是因为试块的裂缝发展集中发生在第一个大循环期间，之后虽然会有裂缝继续发展，但由于第一个大循环期间产生的裂缝对大温差作用下的试块变形有一定的缓冲作用，因而使得后续裂缝发展减缓。

图3 试块吸水量与大温差干湿交替次数的关系

路用泡沫混凝土作为一种多孔材料，内部的孔隙率及孔径分布对其各项性能均有显著的影响。混凝土中的孔隙主要分为凝胶孔、毛细孔、宏观大孔及气泡。对于路用泡沫混凝土而言，影响其耐久性的主要孔隙为毛细孔和气泡。由于其以水泥作为主要原料，路用泡沫混凝土孔隙率可由贺彬等[6]推导的公式进行计算。试验中路用泡沫混凝土设计容重为600 g/dm3，水灰比为0.6，水化程度参考相关文献取80%，计算可得路用泡沫混凝土孔隙率为72.5%，其中毛细孔隙率为14.1%，宏观大孔体积率为58.4%。根据图2可知，路用泡沫混凝土单个试块(尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)饱和吸水量达到了300 g(由图2，未浸水时试样质量为413.37 g，浸水时间2 160 min时，试样质量是716.28 g，此时认为试样饱和，试样质量的增加为吸水量，两个时间段的差值为303 g)，折合成体积，大约为300 cm3，约占试块体积的30%。这说明在路用泡沫混凝土吸水过程中，除了毛细孔吸水外，部分宏观大孔也有储水。

2.2 强度特性分析

当试验进行到第4次干湿交替时，有2个试块因出现贯穿裂缝而裂为两瓣；进行到第6次干湿交替时，同样又有1个试块因出现贯穿裂缝而裂为两瓣。为研究试块裂开后强度的变化，将裂开试块烘至恒重后进行强度测试。测试时，分为两种受压状态：一是裂缝平行于受压面；二是裂缝垂直于受压面。试验结果表明，试块强度未受到裂缝的影响。这主要是由于试块虽裂为两瓣，但每一部分仍较大，具有较好的整体性，因此仍可以抗压。但在工程中，路用泡沫混凝土一旦发展为贯穿裂缝，应视为完全失效，虽然其在整体抗压方面仍具有一定的强度，但在偏心受压情况下将完全失效。

分析路用泡沫混凝土试块出现贯穿裂缝的原因，主要是由于泡沫混凝土属于纯水泥制品，抗热胀冷缩能力较差，在大温差干湿循环的作用下，极易产生裂缝，而一旦裂缝相互连接，只需在较小的外力作用下，如试验过程中的试块搬动，就会使试块裂为两瓣。由此也可以看出，在大温差干湿循环作用下，路用泡沫混凝土试块的裂缝深度较大，由于只有两个试块出现贯穿裂缝，而剩余的25个试块均未出现贯穿裂缝，但表面有宽为1 mm左右的裂缝出现，由此可推断出其裂缝开展深度应普遍<5 mm，若其裂缝开展深度>5 mm，则路用泡沫混凝土会普遍出现贯穿裂缝。

试验过程中路用泡沫混凝土经历每一个大干湿循环之后均测定其无侧限抗压强度，试验结果中取每组3个试块的平均强度值，试验结果见表2。由试验结果可知，大温差干湿交替并没有明显影响路用泡沫混凝土的抗压强度，相对于其28 d强度(即0次大温差干湿循环试验所得强度)来讲，在整个35次大温差干湿循环试验之中，路用泡沫混凝土强度上下浮动在10%以内，因此可以认为：在排除由于试块制作过程中路用泡沫混凝土试块强度的正常浮动带来影响的情况下，可认为路用泡沫混凝土强度未有降低。

表2 大温差干湿循环试验强度试验结果表

3 结论

3.1 在大温差干湿交替作用下，路用泡沫混凝土极易产生裂缝，甚至发展成贯穿裂缝，导致路用泡沫混凝土结构发生破坏。

3.2 大温差干湿交替对路用泡沫混凝土的无侧限抗压强度影响不明显，即在35次大温差干湿交替后，路用泡沫混凝土强度未出现明显的变化。

3.3 路用泡沫混凝土裂缝的出现导致其吸水速率增加，5 min吸水量有明显上升，但对其无侧限抗压强度没有明显的影响；而吸水量的增加将使得路用泡沫混凝土设计时的自重荷载取值增大，影响后期沉降计算。