冻融环境下泡沫混凝土的孔结构与力学性能

高志涵,陈波*,陈家林,袁志颖

（1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

泡沫混凝土是指将水泥、泡沫、矿物掺合料和水等经过拌合、浇筑、养护而形成的一种轻质多孔材料，具有保温隔热、缓冲减震和轻质节能等优点[1]，广泛用于大型结构保温、机场跑道减震、建筑材料防火等领域[2]。泡沫混凝土内部不含粗骨料且存在大量随机孔隙，因空气的导热系数远小于水泥，故泡沫混凝土具有良好的保温性能[3-5]。作为一种硅酸盐材料，泡沫混凝土与普通混凝土的变形收缩系数一致且具有阻燃和高耐久性等优点，未来有望应用于寒区混凝土坝表面的保温防护中，以取代现有的有机保温材料[6-7]。然而，孔隙的存在削弱了泡沫混凝土的结构强度，如何平衡泡沫混凝土的保温性能与力学强度之间的关系是当前研究的关键[8-10]。

力学性能作为影响泡沫混凝土推广和应用的重要指标，国内外学者已开展大量研究[11-14]，结果表明：孔隙结构是决定其力学性能的内在因素，随着密度的增大，泡沫混凝土的孔隙率降低、孔隙结构趋于均匀致密，进而显著提升其抗压强度[15-17]。而现有的研究大多集中于常态环境下泡沫混凝土的受压特性，关于冻融循环过程中其宏观力学性能与微观孔隙结构变化的研究较少。用于寒区保温防护的泡沫混凝土在服役过程中常受到冻融循环(Freeze-thaw cycle，F-T cycle)等不利环境因素的影响，有必要深入了解冻融环境下泡沫混凝土力学性能和孔隙结构的变化规律。

声发射(AE)技术通过捕获试样在受压过程中弹性波的释放事件来还原其内部开裂的过程，在当前混凝土损伤监测领域的应用较成熟[18]。传统力学试验只能获得待测试样的强度值，无法得知试验过程中内部裂缝损伤的发展情况；而AE测试可通过分析试样在单轴受压各阶段的声发射特征参数来对单轴压缩试验作以补充，有助于深入了解冻融循环后泡沫混凝土的受压特性。X-CT技术可实现泡沫混凝土的无损检测与三维重构，通过提取试样的孔隙特征参数来研究孔隙结构在冻融前后的变化情况。本文结合单轴压缩、AE和XCT试验，研究了冻融前后泡沫混凝土的应力-应变特征、峰值抗压强度、声发射参数及孔隙结构的变化规律，结果有助于进一步了解冻融循环对泡沫混凝土宏观力学性能和微观孔隙结构的影响，为其在寒区工程的应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 泡沫混凝土的制备

本试验所用泡沫混凝土的原材料为水泥、发泡剂和水。水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；发泡剂为河南华泰新材公司生产的HTW-1型复合发泡剂，稀释倍数为1∶30；水为自来水，水灰比为0.6。所制泡沫混凝土的配合比参考英国邓迪大学提出的“固相容积法”，根据目标试样的湿密度来确定各材料的用量[5,19]，具体公式如下：

式中：Dw为目标试样的湿密度(kg·m-3)；c、w、f为单位立方体水泥、水和泡沫的用量(kg·m-3)；Vf为泡沫的体积(m3)；ρc、ρw、ρf对应水泥、水和泡沫的密度，分别为3 100、1 000、55 kg·m-3。

根据式(1)～(3)，共设计4种密度等级的泡沫混凝土，各组配合比及其干密度、孔隙率等实测特征值如表1所示。

表1 泡沫混凝土的配合比及实测特征值Table 1 Mixture proportion and measured characteristic value of foam concrete

1.2 试验仪器和方法

泡沫混凝土的冻融循环试验按照SL/T 352-2020《水工混凝土试验规程》[21]要求，使用建研华测(北京)仪器设备有限公司生产的CABRHDK快速冻融试验机共进行100次冻融循环，温度范围为-18～10℃。在试验前4天将各组试样置于清水中浸泡，确保待测试样吸水饱和，每经历25次冻融循环从各密度试样中取出3块，待其充分干燥后进行单轴压缩-AE联合测试。

X-CT测试使用德国Y.CT Precision微焦点X射线及工业CT系统，在测试的过程中沿着圆柱体试样的水平断面由上到下逐层旋转扫描，获得1 300张连续的二维断层扫描图，并使用Avizo软件对测试结果进行分析处理，实现测试样品的三维重构。

单轴压缩-声发射联合测试(AE-MTS)借助MTS-SANS万能试验机与Sensor Highway III全天候结构健康监测系统进行，其联合布置情况如图1(a)所示。采用荷载控制的加载方式，以50 N/s的加载速率沿试样的轴向施加荷载，当试样的轴向位移达到6 mm时停止加载，每个密度设置3组平行试验。在测试过程中，为排除试验现场噪声对AE精准度的干扰，提高定位的准确性，试验前根据现场测试结果设定AE门槛值为40 dB，以保证所采集数据的有效性。AE测试与单轴压缩试验同步进行，在待测试样的4个侧面各布置一个AE传感器，耦合剂为凡士林，其布置情况如图1(b)所示。

图1 试验仪器示意图Fig.1 Schematic diagram of test instrument

2 泡沫混凝土的单轴压缩结果

由于不同试样在受压过程中的变化情况各不相同，直接取每组测试结果的平均值会存在较大的误差[22]，本文以具有中间峰值应力的试样作为各组的代表，得到不同冻融循环次数下各密度泡沫混凝土单轴压缩的应力-应变关系，如图2所示，4组试样在不同冻融循环次数下的全部应力-应变关系曲线详见文末附录A。

图2 各密度泡沫混凝土的应力-应变关系曲线Fig.2 Stress-strain curves of foam concrete with different densities

由图2可知，泡沫混凝土单轴压缩的应力-应变关系曲线存在明显的阶段性，根据曲线的特征，其受压过程大致分为初步密实阶段、弹性阶段、屈服阶段和平台阶段[23-24]。

初步密实阶段发生在受压初期，泡沫混凝土在外界荷载的作用下首先发生表层孔隙的压缩和填充，引起试样的弹性模量不断增大；弹性阶段的应力-应变曲线近似呈线性关系，该阶段荷载主要由初步密实后的水泥基体以弹性变形的方式来承担；荷载一般在屈服阶段达到峰值，随后应力-应变曲线开始骤降，并伴随大量的裂缝开裂现象，不同于其他混凝土的急速脆性破坏，泡沫混凝土的孔隙结构赋予其良好的缓冲能力[13,25]，试样的承载力下降约20%～30%。随后进入平台阶段，该阶段泡沫混凝土的孔隙不断被压缩，荷载的增加引起试样的轴向变形的增大，直至达到6 mm时停止加载。

密度是影响泡沫混凝土力学性能的主要因素，随着密度的增大，孔隙率降低，泡沫混凝土的强度迅速提升：A10的密度是A05的2倍，但是其峰值强度约为A05的5倍。另一方面，泡沫混凝土的脆性随着密度的增大而不断提高[13]，这一特征在各密度试样的屈服阶段表现明显：A05～A10这4组试样在屈服阶段前后承载力下降程度分别为3.6%、6.3%、18%和23%，密度的增大提高了水泥基质的占比，弱化了孔隙的缓冲作用，使屈服阶段的峰后曲线更加陡峭。冻融侵蚀加剧了泡沫混凝土内部孔隙的扩张和裂缝的发展，降低了试样的刚度[13]。因此在应力-应变曲线的峰后应力骤降段，各密度试样承载力的下降幅度随冻融循环次数的增加而减小。通过提取各密度试样峰值强度的平均值，得到了如图3所示的不同冻融循环次数下泡沫混凝土的受压特征图。

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图3 泡沫混凝土的受压特征图Fig.3 Compression characteristic of foam concrete

可知：在冻融循环的作用下，不同密度试样的峰值强度之间存在着较大差距。A05的强度在冻融循环初期损失严重，而在后续50次冻融循环的过程中，其抗压强度维持在0.67 MPa左右，变化幅度较小，而其他3组试样的抗压强度则随着冻融循环次数的增加而不断减小。张亚梅等[16]研究了A03～A10共8种密度等级的泡沫混凝土的孔隙结构，发现随着密度的增大，内部孔隙连通的情况逐渐减少、孤立孔隙的占比增大。

A05等低密度试样的孔隙率和孔隙连通程度较高，冻融循环破坏了其大部分孔隙结构，导致峰值强度迅速下降，存在明显的强度损失问题；而A10内部的孔隙更均匀致密，冻融循环对其影响最小，强度损失率为23.7%，优于其他试样。

3 泡沫混凝土的声发射信号特征

材料在受压的过程中会积累弹性能，当结构内部发生开裂时会释放弹性能并伴随瞬时弹性波的出现，这种现象被称为声发射(AE)。由于A06和A10两试样在冻融循环过程中分别具有最高和最低的强度损失率，本节以这两组试样为代表来研究各自在受压时的AE特性。

在AE信号的诸多参数中，累计振铃计数反映了信号源的活跃度，幅值则表征了内部损伤发生的剧烈程度[26-28]。在本次试验中，AE累计振铃计数增长越快、幅值越高，说明泡沫混凝土在压缩过程中的开裂次数越多、内部损伤发生得越剧烈[29-31]。两试样在不同冻融循环次数后的AE特征如图4所示。可知，两试样在加载过程中的AE信号均存在明显的阶段性：随着荷载的增加，AE累计振铃计数曲线先小幅增长，后趋势放缓，最后激增。根据曲线的变化规律将试样的声发射过程分为接触期、平静期和陡增期3个阶段[32-33]。

图4 A06与A10的声发射特征Fig.4 Acoustic emission characteristics of A06 and A10

接触期发生在加载初期，对应试样受压的初步密实阶段，该阶段由于孔隙受压，引起各试样的累计振铃计数曲线小幅增长；随后进入平静期，该阶段试样的弹性模量增大，变形幅度随之减小，AE事件的活跃程度不高，曲线增长缓慢；陡增期对应泡沫混凝土受压的屈服阶段，试样表面出现宏观开裂等破坏，产生了大量的AE事件，累计振铃计数曲线随时间陡增，绝大部分的AE事件发生在该阶段且幅值较高。

两试样在压缩过程中的AE事件主要发生在接触期和陡增期，对应图2的初步密实阶段、屈服阶段和平台阶段。泡沫混凝土在这3个阶段均出现了不同程度的变形，产生了较多的AE信号，可认为泡沫混凝土的变形是AE信号产生的主要原因。

横向对比图4(a)和图4(b)可知，冻融循环改变了试样受压时AE事件的分布情况，使平静期的AE事件明显增多，累计振铃计数曲线变得更光滑。随着冻融循环次数的增加，曲线在平静期的斜率不断增大，表明试样在该阶段的变形量增加。经历100次冻融循环后，A10的曲线仍具明显的阶段性，表现出良好的抵抗冻融侵蚀能力。各试样的AE累计振铃计数统计如表2所示。可知，冻融循环降低了泡沫混凝土AE信号的活跃度，试样的累计振铃计数大致随密度的增大而减小。这是由于泡沫混凝土密度的增大显著提升了其抵抗变形的能力，使累计振铃计数随之减小；此外，冻融循环加速了内部孔隙的扩张和裂缝的开展，使连续水泥基质的占比减小，变形产生的弹性波在孔隙内多次反射导致信号衰减[34-36]，不利于AE事件的捕捉及定位，使信号的活跃度降低。

表2 各密度泡沫混凝土的声发射(AE)累计振铃计数Table 2 Cumulative acoustic emission (AE) ringing count of foam concrete with different densities

4 泡沫混凝土的孔结构特征

泡沫混凝土的单轴压缩及声发射特性均与其孔隙结构密切相关，孔隙的存在影响了水泥基的分布和连续性，从而决定了试样的力学性能[37]。冻融循环通过劣化试样的孔隙结构来削弱其力学性能，了解孔隙特征的变化可以定量分析冻融侵蚀的影响程度。各组泡沫混凝土在冻融循环后的三维扫描结果如图5所示。

图5 冻融循环后泡沫混凝土的三维扫描图Fig.5 Three-dimensional scanning map of foam concrete after freeze-thaw cycle

可知：冻融循环主要影响泡沫混凝土表层区域，通过水-冰转化过程中的冻胀力来劣化试样的孔隙结构，引起表层砂浆脱落、掉渣，增大了试样的表面粗糙度。

以A06和A10为例，两试样经过X-CT测试后，得到大量连续的二维切片，使用Avizo软件对其进行堆叠处理，实现被测物的三维重构，经中值滤波降噪处理及图像灰度的阈值分割可提取出各自在冻融循环前后的孔隙网络模型，如图6所示。

图6 两试样在冻融循环前后的孔隙网络模型Fig.6 Pore network models of two samples before and after freeze-thaw cycle

可知，两试样在经历100次冻融循环后，其孔隙均明显劣化，孔隙尺寸普遍增大，导致力学性能的下降。通过提取并统计不同冻融循环后两试样的孔隙尺寸、数量及分布，得到了如表3所示的孔隙结构参数表。

表3 A06与A10试样的孔隙结构参数Table 3 Pore structure parameters of A06 and A10 samples

由表3可知，在冻融循环的过程中，A06和A10的孔隙率均有所增长，孔壁厚度不断减小。试样内部的薄弱孔壁在冻胀力作用下出现坍塌破损导致孔隙合并[38]，因此随着冻融次数的增加，孔隙的平均直径增大而数量却在不断减小。

在相同情况下，A06的孔隙率和平均孔径远大于A10，这与其在制备过程中泡沫的含量较高有关。A06在经历100次冻融循环后，其孔隙结构开展迅速，孔隙率和平均孔径分别增至78.8%和1 403 µm，孔隙的开展降低了其抵抗外界荷载的能力，因此A06试样在冻融循环后的强度损失情况较严重。

为深入了解A06和A10在不同次数冻融循环后的孔隙率和孔隙分布特征，对其孔隙参数进行统计处理，得到如图7所示两试样的平面孔隙率变化图和孔隙直径分布情况。

图7 A06与A10试样的孔隙分布特征Fig.7 Pore distribution characteristics of A06 and A10 samples

由图7(a)可知：A06和A10在竖直方向的平面孔隙率随深度的变化趋势一致，上下表面附近的孔隙率较大。两试样在经历100次冻融循环后，各自的平均孔隙率分别由58.5%、46.3%增至78.8%和57.3%，其中两侧区域的孔隙率显著增大，这与冻融侵蚀由外到内的作用规律相符合。

由图7(b)可知：两试样的孔径近似服从对数正态分布，未经冻融循环时，A06的孔径分布主要集中在1 000～1 500 µm范围内，而A10内部以直径在500 µm以下的孔隙为主，且分布更集中。在冻融循环的作用下，两试样的孔径分布范围均增大，A06由于孔隙壁厚度较薄，更容易受到冻融侵蚀的影响；而A10的大部分孔径在1 000 µm以下，表现出更好的力学性能。

以A10为代表的高密度泡沫混凝土由于孔隙结构更均匀，在冻融循环的过程中强度损失不大，具有较好的抵抗冻融侵蚀能力；另一方面，低密度等级的试样由于孔隙率高，相应地具有更好的保温隔热性能，在实际工程中应根据具体应用场景来选择合适密度的泡沫混凝土，以满足工程需要。

5 结 论

(1) 泡沫混凝土单轴压缩的应力-应变曲线具有明显的阶段性，孔隙结构赋予其良好的缓冲能力，达到屈服后，承载能力维持在峰值的70%～80%，表现出良好的韧性。

(2) 声发射(AE)累计振铃计数曲线反映了AE事件的活跃度，与试样在受压过程中的变形密切相关；冻融循环降低了试样的脆性，使累计振铃计数曲线更加光滑，由于孔隙的开展，AE事件的活跃度随之下降。

(3) 泡沫混凝土的孔隙结构是决定其力学性能的关键，A10试样的孔隙率为46.3%，孔径主要分布在500 µm以下，在100次冻融循环后其强度下降约23.7%，具有良好的抵抗冻融侵蚀能力。

(4) 冻融循环使泡沫混凝土的孔径增大、孔径分布离散化，部分薄弱孔壁在冻融循环的过程中受到破坏，造成相邻孔隙的连通、合并，孔隙结构的劣化引起了试样整体力学性能的下降，A06试样在冻融循环100次后，孔隙率由58.5%增至78.8%，强度下降约63.6%，强度损失问题较明显。

附录A

附图 S1 A05试样在不同冻融循环次数后的应力-应变关系曲线Fig.S1 Stress-strain relationship curves of A05 specimen after different freeze-thaw cycles