风速对浇筑期轻质泡沫混凝土性能的影响

2022-08-24许欣刘鑫杜磊姚云龙

科学技术与工程 2022年20期

许欣，刘鑫，杜磊，姚云龙

(1.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032； 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098； 3.河海大学隧道与地下工程研究所，南京 210098)

泡沫混凝土(lightweight cellular concrete，LCC)一般是由物理方法将水泥、水、发泡剂和一些可添加材料(粉煤灰、玻璃纤维等)按一定比例混合而成[1]，LCC作为一种性能优异的轻质岩土材料，已在道路工程中广泛应用[2-3]。从气泡混合轻质土的应用来看，因长期承受交通荷载、化学侵蚀等作用，其耐久性能已成为研究热点。

LCC混凝土耐久性的影响分为两个时间段。在初始阶段(新浇筑和固化成型前)，易受风速等环境因素影响，进而影响固化成型后LCC在服役运营期的耐久性能[4-5]。另一方面，在服役和运行阶段，初始损伤会受到环境和载荷等影响，随着龄期增长，其性能劣化程度将会加剧。张开路[6]建立了模拟太阳辐射的环境箱，发现有风作用下，多孔材料孔隙率越大，降温幅度越大；王玲等[7]控制风速为2.2 m/s，发现温湿度和风速均对混凝土表面的蒸发干燥有较大的影响；姜帅[8]研究了风及环境温度对混凝土收缩值、抗压强度、弹性模量的影响，得出风主要通过提高混凝土表面水分散失量改变内部水分含量及温度场，从而增加早期收缩应变。此外，在施工方面，周宜红等[9]认为刮风使得混凝土表层水分蒸发变快，降低了混凝土的工作性能，风速越大对施工质量的影响越大。Barhmi等[10]基于三维数值模拟，计算得到混凝土板内温度随风速升高不断下降，且风速变快7 km/h，温度下降3 ℃。Shen等[11]对混凝土在不同环境条件下的温度场进行了试验研究，3.6 m/s风速下混凝土峰值温度较1.8 m/s风速降低0.7 ℃，芯面温差增大0.8 ℃。

以上研究表明，风对水泥基材料主要产生表层性的影响，大多数研究的关注点在于混凝土材料受风影响后的温度分布变化、收缩开裂及材料碳化，而且均为浇筑养护完成后的成型样品，但是对初始阶段的研究较少。其次，已有学者对浇筑过程的各工艺参数如浇筑龄期、浇筑均匀性、浇筑边界设置及浇筑厚度进行了研究[12]，但是有关风速参数在浇筑过程中对LCC性能影响未作考虑。《现浇轻质泡沫混凝土应用技术规程》(DGJ 32/TJ 104—2017)[13]规定，要求LCC室外施工时的外界风力不应大于5级。但在实际施工过程中，防护措施往往不及时，突发天气会在一定时间内对LCC性能造成一定的影响，而且各规范所规定的施工标准有所差异。

为此，采用试验与环境模拟相结合的方法，模拟了浇筑期受风速影响的泡沫混凝土试验。通过物理力学试验和微观结构观察，研究不同风速下LCC耐久性机理，表征等效孔径、平均孔圆度值和孔分布分维，建立微孔结构参数与宏观性能参数之间的关系，以期为LCC在不同风速环境下的施工提供参考和指导。

1 LCC室内试验方案

1.1 试验原材料

试验采用南京江宁中联水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥，水泥比重是3.11 kg/m3，比表面积为356.0 m2/kg，其主要物理力学性能指标如表1所示，主要化合物含量如表2所示。试验的发泡剂选取的是河南华泰工程有限公司的HTW-1型复合发泡液，由动植物蛋白为原料复合加工而成，环保无污染。

表1 水泥的物理力学性能指标Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 水泥主要化合物含量Table 2 Main compound content of cement

1.2 配合比和试样制备

试验选取湿容重7 kN/m3、水胶比0.58、气泡含量700 L/m3作为基准配合比。试样制备过程如下。

(1)制备水泥浆液和泡沫。将水和水泥称重、混合，然后充分搅拌均匀。将动植物复合蛋白发泡剂与水按1∶50的质量比进行稀释搅拌，制成用于发泡的混合浆液。

(2)混合搅拌和浇筑。将量筒测量的泡沫倒入水泥浆液中，充分搅拌5～10 min。将浆液倒入涂好润滑油的100 mm×100 mm×100 mm立方体模具，浇筑后的模具用保鲜膜覆盖，防止水分蒸发。

(3)环境模拟试验：在开展模拟试验前，去除模具表面的多余浆液，让试样表面尽量保持平整，然后在模拟风速环境因素下开展试验。

(4)养护和脱模：在(20±2) ℃的恒温，湿度95%±2%的标准条件下养护48 h后，使用气泵进行脱模，编号后继续标准养护28 d，进行后续试验。

1.3 风速模拟试验

试验采用单一变量法开展室内模拟试验，对LCC浇筑过程的试验时间段设置为8 h。在这个时间段内，通过改变风速的不同水平，分别以一定水平施加影响，在此基础上研究LCC的宏观性能和微观结构。

如图1所示，试验中通过大功率电风扇产生不同大小的风速，通过数显风速仪测定风速，其量程为0.4～30 m/s。根据规范规定的施工风速大小限制，同时考虑风扇所能达到的最大风速，设置3个风速水平分别为2、4、6 m/s，不同的风速大小通过调整试样至风扇之间距离来确定。试验时读取模具中每个试样中心点的平均风速，确保各中心点风速距该风速水平的误差在±5%以内，认为满足试验要求。

为了考虑吹风持续时间对LCC试样的影响，在各风速水平下设置4个时间水平，分别为1.5、3.0、4.5、6.0 h，试验分组如表3所示。试验共制备12组试样，每组制备9个平行试样，对每组试样进行干密度、抗压强度和吸水率试验。

图1 风速模拟试验Fig.1 Wind speed simulation test

表3 风速试验编号Table 3 Wind speed test number

1.4 物理力学试验

物理力学试验包括干密度试验、抗压强度试验和吸水率试验。

1.4.1 干密度试验

将试样放入干燥箱内，以(60±5) ℃烘干至前后4 h的质量差不大于1 g，即水分烘干完全，待试样冷却至室温后，称取试样烘干质量。对试样每个长度方向在两端和中间各测一次，相对面再各测一次，取6次测量的平均值作为该方向的长度值，计算试样体积。

(1)

式(1)中：ρ0为试块的干密度，kg/m3；m0为试块烘干质量，g；V为试块体积，cm3。

1.4.2 抗压强度试验

试验时加载速度为0.24 kN/s，测定时应保证试样承压面水平，并与加载方向保持垂直，取3次测量值的算术平均值作为抗压强度。

(2)

式(2)中：qu为试块的抗压强度，MPa；F为试块极限破坏荷载，kN；A为承压面积，cm2。

环境因素影响后，计算试块抗压强度变化的程度。

(3)

式(3)中：q为试块强度变化百分比，%；qi为不同环境因素影响后的抗压强度，MPa；qs为经标准温湿度养护后的抗压强度，MPa，试验取20 ℃温度作用后经标准养护的试块强度作为标准抗压强度。

1.4.3 吸水率试验

将干密度试验后烘干至恒重的试块放入(20±5) ℃的恒温水箱内，加入的清水至试样高度的1/3处，保持24 h。再加水至试样高度的2/3处，继续保持24 h后，加水浸没试块，水面高于试块30 mm上，保持24 h。将试块取出，然后用湿抹布擦去试块表面水分，称取每块质量。

(4)

式(4)中：WR为试块的体积吸水率，%；mg为试块吸水后质量，g；ρw为水的密度，g/cm3。

1.5 微观结构试验

采用图像分析法进行微观结构试验，图像微细观数据的获取主要采用光学细观测试系统，通过图像数据采集系统得到试样截面的微观图片，然后通过细观处理系统对图片进行分析处理。

图像采集系统拍摄的图片为灰阶为8的图片，利用Image J软件对图片进行二值化处理，选择合适的阈值对图片进行分割，获得二值化图片。再利用Image J软件的Analyze功能计算孔径、孔圆度值、孔分布分维等结构参数。

2 试验结果分析

2.1 宏观性能分析

干密度、抗压强度和吸水率随风速变化的关系，如图2所示。可以看出，在同一持续时间下，干密度和抗压强度均随着风速的增大而增大，干密度与抗压强度具有相关性。在较短的持续时间内(1.5、3.0 h)，干密度和抗压强度增长趋势变快。在较长的持续时间内(4.5、6.0 h)，其增长速度逐渐变缓。吸水率随着风速的增大而减小，同时吸水率随着持续时间越长而减小，这说明风速对LCC施加了较好的影响，降低了吸水率，材料更加密实，对材料后期耐久性能有优化作用。

LCC试样受风影响后，抗压强度试验时的裂缝照片，如图3所示。可以看出，随风速增大，试样受压的顶面与底面出现的压碎与表层剥落现象普遍出现，并出现向侧边延伸的斜向短裂缝。随着风持续时间的增大，试样顶部延伸至底部的纵向斜裂缝为主要裂缝形式，在薄弱处会出现纵向裂缝的分叉，向两侧横向进而斜向伸展。风主要影响LCC的表面层，故在受风面一定深度范围内LCC结构比较薄弱，纵向裂缝的分叉倾向于受风面发展。

图3 抗压强度试验的试样裂缝Fig.3 Cracks in specimens for compressive strength tests

图4 孔径累计分布Fig.4 Cumulative distribution of pore size

2.2 微孔结构参数分析

气孔与骨架结构形成的微观形貌决定着LCC的各项性能，气孔是LCC主要的组成成分和影响性能的重要因素，在浇筑期更是处于不断发展的阶段，有必要对LCC的微孔结构特征进行研究。

2.2.1 等效孔径变化

通过宏观性能的分析，在较大风速及较长持续时间下，二者共同作用对LCC性能影响效果更明显，故选择W2t6.0、W4t6.0和W6t6.0作为提取LCC内部微观参数的对象，并将W0作为无风时的对照试样，试样孔径累计分布如图4所示。为了定量说明孔径大小的变化，在孔径累计分布曲线上选取累计分布百分比为90%所对应的孔径d90作为该试样的等效孔径。Nambiar等[14]也采用d50(累计分布百分比为50%所对应的孔径)和d90两参数来定量比较LCC内部的孔径分布及其对宏观性能的影响，并证明了d90比d50有更好的相关性。

根据武艳文[15]对泡沫混凝土气孔结构的研究，将泡沫混凝土中孔结构划分为：微孔(<50 μm)、小孔(50～200 μm)、中孔(200～500 μm)和大孔(>500 μm)。小孔代表LCC的合理孔径分布，若平均孔径为小孔则认为环境因素对LCC影响较小，大孔代表着LCC内部的有害孔，其直接影响LCC的宏观力学性能。因此，按50、200、500 μm为分割边界的孔分布如图5所示，不同风速下的孔径分布及其曲线拟合如图6所示。

图5 孔径分布划分Fig.5 Division of pore size distribution

由图4、图5可知，浇筑期受风影响LCC内部孔径主要分布在80～700 μm。在较大风速和较长持续时间下，风的影响使得LCC内部孔径减小，相应的宏观性能表现较好。这是由于风作用加快了内部水分流动及碳化作用的发生，使得结构变得密实，孔径相应减小。由图6可知，LCC中气孔尺寸分布符合对数正态分布，且随着风速的增大，孔径分布在高斯拟合后的相关系数也逐渐变大，说明在风速影响下，内部孔径变得更加均匀，相应的宏观性能表现更好。

图6 不同风速下孔径分布Fig.6 Distribution of pore size at different wind speeds

2.2.2 孔圆度值变化

孔隙圆度值表征的是在二维平面内微孔的形状偏离圆形的程度，若圆度值越接近于1，则表明该孔隙的形状越趋近于圆形，受力状态更好。

浇筑期受风影响的试样孔圆度值分布，如图7所示。可以看出，W0、W2、W4、W6试样的孔圆度值主要都集中在1.05～1.15，孔圆度值在大于1.15的各范围，所占的百分比逐渐减小，即孔圆度值随着风速的增大而逐渐变小，逐渐趋于有利于受力特性的圆形。但各范围内占比都未大于50%，且在各风速下分布规律类似，所以风在浇筑期对试样主要为表面影响，并未很大程度改变内部孔隙性质。

图7 不同风速下孔圆度值分布Fig.7 Distribution of pore roundness value at different wind speeds

2.2.3 孔分布分维变化

分布分维是描述微细孔隙在LCC结构内部分布的均匀程度的特征参数，风速影响下孔隙分布分维的变化如图8所示。可以看出，孔分布分维值随着风速变大而缓慢减小，分布分维变化较平缓，说明风对孔隙分布分维影响不大。分布分维参数越小，则表明气孔分布越均匀，气孔集团化程度越低，结构密实度越大，强度越大。若孔隙分布集中，会在聚集处形成薄弱面，对结构强度不利。

图8 风速与孔分布分维的关系Fig.8 Relationship between wind speed and fractal dimension of pore distribution

2.3 微孔参数与宏观性能参数相关分析

环境因素影响了微观孔结构的生长，通过对宏微观参数进行拟合分析，揭示不同微观孔结构参数对宏观性能的影响。

2.3.1 等效孔径与宏观性能的关系

等效孔径与干密度、抗压强度和吸水率的关系，如图9所示。可以看出，随着等效孔径增大，干密度呈线性下降，抗压强度呈对数下降，且两参数与孔径相关性较好，说明孔径对LCC干密度和抗压强度影响较大。孔径越小，则材料结构越密实，干密度越大，抗压强度也更大。体积吸水率随孔径增大呈对数上升趋势，但数据离散型较大，孔径越大增加了孔与孔之间贯通相连，结构内部连通孔隙变多，同时结构变得不密实，体积吸水率随之上升。

d为等效孔径图9 等效孔径与宏观性能的关系Fig.9 Relationship between average pore size and macroscopic performance

2.3.2 平均孔圆度值与宏观性能的关系

平均孔圆度值与干密度、抗压强度和吸水率的关系，如图10所示。可以看出，LCC干密度随着平均孔圆度值的增大不断下降，在平均孔圆度值小于1.25的范围内，干密度几乎不再增长，存在平台段，干密度保持在550 kg/m3左右，当平均孔圆度值大于1.25且不断增大，干密度显著降低。随孔圆度值下降，LCC抗压强度呈线性下降，也即为获得强度的提升，应尽可能创造利于气孔生长的浇筑环境，使得气孔形状近似于圆形发展，则受力越均匀，抵抗外部荷载的能力就愈大。LCC体积吸水率随着平均孔圆度值的增大呈线性增大。