張貴, 高婷

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生態(tài)多孔混凝土凍融試驗(yàn)方法探討

張貴, 高婷

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙, 410018)

鑒于目前我國(guó)尚無植生型生態(tài)多孔混凝土的標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗(yàn)方法及其抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 比較了目前混凝土常見的凍融試驗(yàn)方法, 并通過試驗(yàn)探究了生態(tài)多孔混凝土凍融試驗(yàn)方法及其抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)表明: 潤(rùn)濕狀態(tài)下的快速凍融試驗(yàn)方法可適用于生態(tài)多孔混凝土; 相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率及試件外觀可以作為生態(tài)多孔混凝土抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

生態(tài)多孔混凝土; 試驗(yàn)方法; 抗凍性能; 評(píng)價(jià)指標(biāo)

水泥混凝土用于工程建設(shè)已有160年左右的歷史。水泥混凝土給人們帶來便利的同時(shí)也帶來眾多環(huán)境問題, 如資源耗費(fèi)大、混凝土成品顏色灰暗單調(diào)、視覺效果差且容易造成“城市熱島效應(yīng)”等。20世紀(jì)90年代初, 日本最早提出了綠色混凝土的概念[1]。生態(tài)多孔混凝土是具有特殊骨架結(jié)構(gòu), 能夠適應(yīng)植物生長(zhǎng)、減少環(huán)境負(fù)荷, 對(duì)環(huán)境有益的多孔混凝土, 是綠色混凝土的一種。其主要應(yīng)用于邊坡、道路兩旁、停車場(chǎng)及屋頂?shù)? 對(duì)資源節(jié)約、環(huán)境改善具有積極作用。生態(tài)多孔混凝土應(yīng)用于工程時(shí), 直接或間接承受環(huán)境介質(zhì)作用, 其抗凍性能是保證生態(tài)多孔混凝土長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵。生態(tài)多孔混凝土作為一種新型混凝土, 國(guó)內(nèi)對(duì)其凍融試驗(yàn)方法的研究仍較少[2–4]。因此, 本文將對(duì)生態(tài)多孔混凝土的凍融試驗(yàn)方法與抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)探究。

1 凍融試驗(yàn)方法

1.1 普通混凝土凍融試驗(yàn)方法

洪錦祥等[5]研究?jī)鋈趽p傷對(duì)混凝土力學(xué)性能衰減規(guī)律時(shí)參照J(rèn)TG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的水泥混凝土抗凍性試驗(yàn)方法(快凍法)進(jìn)行。其根據(jù)混凝土抗凍能力確定凍融循環(huán)次數(shù)及橫向基頻的測(cè)量頻率。由于全級(jí)配混凝土抗凍性能較好, 宋玉普等[6]對(duì)凍融循環(huán)后全級(jí)配混凝土及其濕篩混凝土的力學(xué)性能比較時(shí), 依據(jù)DL/T5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的試驗(yàn)方法, 每50次凍融循環(huán)測(cè)1次橫向基頻。曹大富等[7–8]在凍融循環(huán)作用下混凝土的受拉性能及受壓本構(gòu)特征研究過程中, 依據(jù)GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》中的快速凍融法, 根據(jù)混凝土強(qiáng)度, 每25次測(cè)1次橫向基頻。劉衛(wèi)東等[9]對(duì)凍融循環(huán)作用下纖維混凝土的損傷模型以及鄭曉寧等[10]對(duì)混合侵蝕與凍融循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能劣化機(jī)理進(jìn)行研究, 亦根據(jù)GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》中的快速凍融法, 但混凝土強(qiáng)度較高時(shí), 其在凍融循環(huán)分別進(jìn)行無凍融、100次、200次、300次和400次后測(cè)1次橫向基頻。

1.2 再生混凝土凍融試驗(yàn)方法

再生混凝土[11]是指將廢棄混凝土塊進(jìn)行破碎、清洗、分級(jí)后按一定比例與級(jí)配混合部分或全部代替天然骨料制成的混凝土。作為一種應(yīng)用前景廣闊、環(huán)保型的混凝土, 其抗凍性能需要做進(jìn)一步研究。崔正龍等[12]進(jìn)行再生混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究時(shí), 依據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISA1148規(guī)定的凍結(jié)溶解試驗(yàn)A法(水中凍結(jié)溶解試驗(yàn)方法), 混凝土試件共經(jīng)歷300次凍融循環(huán)。陳愛玖等[13]參考DL/T5150-2001標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)再生混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)與損傷模型進(jìn)行研究, 每25次測(cè)1次橫向基頻。

1.3 透水混凝土凍融試驗(yàn)方法

透水混凝土[14]是由特定級(jí)配的骨料、水泥、水、外加劑和摻合料, 按特定比例經(jīng)特殊工藝制成的具有連續(xù)孔隙的多孔混凝土。透水混凝土具有透氣、透水、吸聲降噪、緩解城市熱島效應(yīng)等作用, 但透水混凝土有效孔隙率達(dá)18%～22%, 因此, 其抗凍耐久性試驗(yàn)方法的研究非常關(guān)鍵。薛冬杰等[15]對(duì)凍融環(huán)境下透水性生態(tài)混凝土試驗(yàn)研究的依據(jù)是GB/T50082-2009中的快速凍融法, 飽水凍融12次測(cè)1次橫向基頻; 樣品試件每0次、15次、30次分別測(cè)1次橫向基頻。王軍強(qiáng)[16]通過飽水凍融對(duì)再生骨料透水混凝土的收縮和抗凍性進(jìn)行研究時(shí), 依據(jù)了GB/T50082-2009標(biāo)準(zhǔn), 而鄭木蓮[17]、馬骉[18]等研究基層多孔混凝土抗凍性能時(shí), 雖主要參考GB/T50082-2009中快速凍融法, 但兩者皆認(rèn)為飽水凍融情況下偏離實(shí)際情況, 建議在潤(rùn)濕狀態(tài)下進(jìn)行凍融循環(huán)。

1.4 生態(tài)多孔混凝土凍融試驗(yàn)方法

生態(tài)多孔混凝土是在填充保水材料、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及表層土后能夠適應(yīng)植物生長(zhǎng)的一種孔隙率高達(dá)25%的混凝土。潘志峰等[2]認(rèn)為基于慢速凍融法和快速凍融法均不能準(zhǔn)確表征多孔混凝土的抗凍性能, 自制一種試驗(yàn)方法——單面凍融循環(huán)試驗(yàn)方法。多孔混凝土試件在-20 ℃下凍4 h, 接著在常溫下溶解4 h為1個(gè)周期, 每隔5個(gè)周期測(cè)其橫向基頻。劉小康[3]也自行設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)方法, 模擬邊坡實(shí)際情況, 每5次測(cè)其橫向基頻, 試件尺寸為100 mm × 100 mm × 300 mm。顏小波[4]根據(jù)GB/T50082-2009中規(guī)定的慢凍法進(jìn)行飽水凍融循環(huán)試驗(yàn), 研究多孔生態(tài)混凝土的抗凍性能, 每25次測(cè)量動(dòng)彈模量, 但其耗時(shí)較長(zhǎng)。

綜合以上混凝土凍融試驗(yàn)方法, 分析可知, 目前我國(guó)混凝土凍融試驗(yàn)參考的標(biāo)準(zhǔn)主要有JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、DL/T5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》等。研究者大多采用的是快速凍融法, 且根據(jù)混凝土的特性, 在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整了凍融循環(huán)次數(shù)和橫向基頻測(cè)量頻率。其調(diào)整的依據(jù)主要是混凝土的功能差別與強(qiáng)度等級(jí)。生態(tài)多孔混凝土作為一種具有特殊骨架結(jié)構(gòu)的新型混凝土, 其在植物生長(zhǎng)基填充前后的抗凍性能有較大差異。因此, 探討能夠模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的生態(tài)多孔混凝土凍融試驗(yàn)方法具有重要意義。

2 生態(tài)多孔混凝土凍融試驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為湖南恒宇建材有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。水泥性能指標(biāo)見表1。粗骨料為19～26.5 mm單一粒級(jí)的碎石, 無細(xì)骨料; 碎石堆積密度為1 550 kg/m3; 水為長(zhǎng)沙市自來水。

表1 水泥性能指標(biāo) 比表面積/(m2·kg-1)SO3/%安定性初凝/min終凝/min3 d抗折/MPa3 d抗壓/MPa28 d抗折/MPa28 d抗壓/MPa 3542.4合格1552005.625.38.953.0

2.2 制備技術(shù)

采用漿體裹石法, 即先將水泥與70%的水一起加入攪拌機(jī)攪拌1 min后, 再加入粗骨料繼續(xù)攪拌1 min, 最后加入剩余的30%拌合水, 繼續(xù)攪拌1 min, 共攪拌3 min。攪拌完成后, 參照普通混凝土的制備方式進(jìn)行振搗、裝模及養(yǎng)護(hù)。生態(tài)多孔混凝土的配合比如表2所示。

表2 生態(tài)多孔混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)生態(tài)多孔混凝土骨架結(jié)構(gòu), 確定試驗(yàn)方案如下。

制備2組相同配合比的生態(tài)多孔混凝土, 每組各3個(gè)試件。試件尺寸均為100 mm × 100 mm × 400 mm。試件養(yǎng)護(hù)齡期24 d時(shí)將試件從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)取出, 隨后將試件放在(20 ± 2) ℃水中浸泡, 浸泡時(shí)水面應(yīng)高出試件頂面20～30 mm, 水中浸泡4 d, 試件在28 d齡期時(shí)開始凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用上海路達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的快速凍融箱。試件用橡膠筒盛裝, 一組飽水凍融, 1次凍融循環(huán)測(cè)1次動(dòng)彈模量; 另一組經(jīng)潤(rùn)濕后無自由水流出時(shí)凍融, 每5次凍融循環(huán)測(cè)1次動(dòng)彈模量。

制備同尺寸的普通混凝土作為溫度控制試件, 以防凍液為凍融介質(zhì), 并在試件端部中心預(yù)留溫度控制區(qū)域。本試驗(yàn)以相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率、試件外觀為初步評(píng)價(jià)指標(biāo)。未說明的試驗(yàn)步驟依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》(GB/T50082-2009)中的方法進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

飽水凍融情況下, 生態(tài)多孔混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量與質(zhì)量損失率見表3。生態(tài)多孔混凝土試件破壞時(shí), 裂縫沿骨料與水泥漿的界面發(fā)展, 平均寬度在1 mm左右, 且骨料的表面有極少量水泥漿脫落。

潤(rùn)濕凍融情況下, 生態(tài)多孔混凝土試件的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量見表4。生態(tài)多孔混凝土試件無裂縫產(chǎn)生, 且骨料的表面有少量水泥漿脫落。

表3 飽水狀態(tài)下生態(tài)多孔混凝土試件質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量

表4 潤(rùn)濕狀態(tài)下生態(tài)多孔混凝土試件質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量

飽水凍融情況下, 生態(tài)多孔混凝土試件的孔隙全部被水充滿, 骨料之間的粘結(jié)點(diǎn)難以承受水結(jié)冰產(chǎn)生的巨大膨脹應(yīng)力而發(fā)生破壞。在潤(rùn)濕狀態(tài)下, 骨料表面水泥漿的微小孔隙充滿水分, 凍融過程中產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力較小, 且水泥漿比較密實(shí), 因此, 生態(tài)多孔混凝土試件在承受多次凍融作用后才發(fā)生失效。

由表3、表4可知, 生態(tài)多孔混凝土試件在飽水狀下的質(zhì)量損失率遠(yuǎn)小于潤(rùn)濕狀態(tài)下的質(zhì)量損失率。生態(tài)多孔混凝土試件在飽水凍融的過程中, 水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力使得骨料之間的粘結(jié)點(diǎn)率先開裂, 而骨料表面的水泥漿還未產(chǎn)生剝離; 在潤(rùn)濕凍融過程中, 水泥漿直接承受凍融作用, 水泥漿率先產(chǎn)生剝離、脫落, 繼而引起試件失效, 故潤(rùn)濕狀態(tài)下生態(tài)多孔混凝土試件的質(zhì)量損失率較高。

生態(tài)多孔混凝土試件在飽水凍融情況下承受3次凍融循環(huán)即接近失效, 其相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律不明顯; 而在潤(rùn)濕狀態(tài)凍融過程中, 生態(tài)多孔混凝土試件能承受50次凍融循環(huán)作用, 而且相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律明顯, 相對(duì)動(dòng)彈模量的二次擬合曲線方程為=-0.013 82+ 0.023 1+ 99.236 0,2= 0.996 8。由此可知, 潤(rùn)濕狀態(tài)下的相對(duì)動(dòng)彈模量更適合評(píng)價(jià)生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能。

綜上所述, 相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率及試件外觀可以作為生態(tài)多孔混凝土抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在生態(tài)多孔混凝土的工程應(yīng)用中, 孔隙會(huì)被生長(zhǎng)介質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分等填充, 故潤(rùn)濕狀態(tài)下的快速凍融試驗(yàn)方法滿足試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了不同類型混凝土常用的凍融試驗(yàn)方法及采用的抗凍性能評(píng)價(jià)指標(biāo), 并對(duì)生態(tài)多孔混凝土進(jìn)行了凍融試驗(yàn), 主要結(jié)論如下。

目前混凝土凍融試驗(yàn)常采用潤(rùn)濕狀態(tài)下的快速凍融試驗(yàn)方法, 其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是相對(duì)動(dòng)彈模量。生態(tài)多孔混凝土試件在飽水與潤(rùn)濕凍融情況下, 失效原理不同。飽水凍融時(shí), 骨料之間的粘結(jié)點(diǎn)難以承受水結(jié)冰產(chǎn)生的巨大膨脹應(yīng)力, 而引起試件開裂, 導(dǎo)致試件失效; 潤(rùn)濕狀態(tài)下, 骨料粘結(jié)處的水泥漿承受凍融作用而逐漸產(chǎn)生剝離、脫落, 且隨凍融次數(shù)的增加, 損傷逐漸積累, 最終導(dǎo)致試件失效。

在潤(rùn)濕狀態(tài)下進(jìn)行凍融試驗(yàn)較符合工程實(shí)際應(yīng)用情況, 相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率及試件外觀可以作為生態(tài)多孔混凝土抗凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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(責(zé)任編校: 江河)

On freeze-thaw test method of ecological porous concrete

Zhang Gui, Gao Ting

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410018, China)

In view of the method and evaluation index system of frost resistance of vegetation type eco-porous concrete without standard test in our country, the domestic common test methods of frost resistance is analyzed and the freeze-thaw test method and evaluation index of eco-porous concrete are explored. The result shows that the freeze-thaw cycles method under wetting state can be applied to eco-porous concrete, and the relative dynamic modulus, mass loss rate and the appearance of the specimen can be used as the evaluation index of the frost resistance of the eco-porous concrete.

eco-porous concrete; test method; frost resistance; valuation index

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.021

TU 528.01

A

1672–6146(2017)01–0091–04

張貴, 595529849@qq.com。

2016–11–27

中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2016B24)。