黃榜彪¹，廖天權(quán)¹，鄭澤彬¹，黃秉章²，張貝¹，李治¹，祁偉偉¹，潘佳玉¹，盧強¹，劉陽¹，盛琪¹

( 1． 廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006; 2． 廣西榮泰建筑設(shè)計有限責(zé)任公司，廣西柳州545007)

摘要: 為研究凍融作用下輕質(zhì)燒結(jié)磚和污泥燒結(jié)磚的抗凍性能，對輕質(zhì)燒結(jié)磚和污泥燒結(jié)磚進行凍融試驗研究，得到表觀損傷、質(zhì)量損失率、開孔孔隙率和強度損失率與凍融次數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，輕質(zhì)燒結(jié)磚凍融損傷速率發(fā)展較快，不適用于寒冷和嚴寒地區(qū)可能與水接觸的結(jié)構(gòu)。基于彈塑性力學(xué)理論分析了凍融破壞機理，結(jié)合材料損傷理論，提出了用凍融前后的開孔孔隙率增量表征的強度損傷方程。將此方程與試驗數(shù)據(jù)擬合，分別得到輕質(zhì)燒結(jié)磚和污泥燒結(jié)磚強度損失隨開孔也隙率增量的變化關(guān)系。

關(guān)鍵詞: 輕質(zhì)燒結(jié)磚; 污泥燒結(jié)磚; 凍融; 孔隙率

0 引言

隨著工程建設(shè)的長期發(fā)展，結(jié)構(gòu)耐久性成為當(dāng)今工程研究的重點^［1］。在眾多影響因素之中，凍融環(huán)境是導(dǎo)致磚砌體結(jié)構(gòu)耐久性下降、結(jié)構(gòu)過早失效的主要因素之一^［2-4］。苑振芳等^［5］總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)工程實踐、標準規(guī)范及研究成果，也指出凍融是影響砌體結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一。關(guān)于燒結(jié)磚的抗凍性能，GB /T 2542—2012《砌體墻體磚實驗方法》規(guī)定: 以50 次凍融循環(huán)后磚的質(zhì)量損失率≤5%和強度損失率≤25%，作為燒結(jié)磚抗凍性能評價指標。此方法對歷經(jīng)上百年的古老燒結(jié)磚類建筑物耐久性和壽命的預(yù)測顯然欠妥。吳中偉等^［6］ 曾提出凍融破壞與材料的孔隙有關(guān)^［6］。宦文娟等^［7］對歷經(jīng)凍融65 次的黏土紅磚進行壓汞試驗，凍融前后孔隙率增加了3． 88%，平均孔徑由0． 09 μm 增加到0． 32 μm。因此，需從凍融環(huán)境下磚的孔隙率微觀結(jié)構(gòu)的變化出發(fā)，以探究孔隙率變化與強度損傷之間的規(guī)律。為此，選取了初始孔隙率不同的輕質(zhì)燒結(jié)磚和污泥燒結(jié)磚，研究長期凍融環(huán)境下塊體的抗壓強度，質(zhì)量損失和孔隙率隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律，并結(jié)合力學(xué)損傷理論，建立凍融作用下孔隙變化率與塊體強度損傷之間的關(guān)系，以期為燒結(jié)類材料的抗凍性能評價提供參考，同時也為輕質(zhì)燒結(jié)磚和污泥燒結(jié)磚在凍融環(huán)境下的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗方法

試驗用磚選用矩形孔污泥燒結(jié)磚^［8］和輕質(zhì)燒結(jié)磚^［9］，強度等級分別為MU15 和MU7． 5?？紤]試驗具有較大的離散型，每組試驗設(shè)計用磚量增加至10 批。其中，污泥燒結(jié)磚凍融試驗共10組，分別進行10，20，30，40，50，60，70，80，90 和100 次凍融循環(huán); 輕質(zhì)燒結(jié)磚凍融試驗共6 組，分別進行10，20，30，40，50 和60 次凍融循環(huán); 且每種磚均設(shè)置1 組不進行凍融的對照樣。凍融循環(huán)試驗采用JCD-40 立式磚凍融循環(huán)試驗機，凍融方法和質(zhì)量損失率、抗壓強度和孔隙率的計算，按照GB /T 2542—2012《墻體磚實驗方法》進行。

2 試驗結(jié)果及分析

2． 1 表觀質(zhì)量損傷

輕質(zhì)燒結(jié)磚歷經(jīng)20 次凍融循環(huán)，外觀無明顯變化; 在20 ～ 40 次循環(huán)內(nèi)，表面開始出現(xiàn)起皮、裂紋和酥松等初始損傷現(xiàn)象，如圖1 所示。在40 ～60 個循環(huán)內(nèi)，外觀損傷加快，有明顯的酥松、脫棱掉角、裂紋變寬加深等裂蝕現(xiàn)象，如圖2 所示。污泥燒結(jié)磚經(jīng)歷60 次凍融，表面形態(tài)無變化; 在60～ 90 個循環(huán)內(nèi)，表面開始鼓皮，如圖3 所示。在80 ～ 100 次凍融內(nèi)，塊體損傷加速，出現(xiàn)明顯的鼓皮、掉渣和棱角模糊等嚴重的裂化現(xiàn)象，如圖4 所示。輕質(zhì)燒結(jié)磚表觀裂化速度快且嚴重，污泥燒結(jié)磚的表觀裂化緩慢，具有優(yōu)良的抗凍性能。這是由于輕質(zhì)磚內(nèi)燃輔料是鋸沫^［8］，輔料燃燒后，形成的孔隙多且孔徑較大，抗凍性能差。

2． 2 質(zhì)量損失

輕質(zhì)燒結(jié)磚與污泥燒結(jié)頁巖多孔磚的質(zhì)量損失率變化如圖5 所示。如圖5 可知，0 ～ 20 次凍融，兩種磚的質(zhì)量損失率微小; 在20 ～ 60 次凍融內(nèi)，輕質(zhì)燒結(jié)磚的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)迅速增長，經(jīng)60 次凍融質(zhì)量損失率達17． 1%; 而污泥燒結(jié)磚的質(zhì)量損失變化緩慢，經(jīng)100 次凍融質(zhì)量損失率為10． 1%。

2． 3 開孔孔隙率

采用統(tǒng)計檢驗方法分析試驗數(shù)據(jù)，剔除開口孔隙率數(shù)據(jù)中的離群值。凍融前，輕質(zhì)燒結(jié)磚和污泥燒結(jié)磚各組開孔孔隙率分別為28． 11% 和41． 25%，凍融后開孔隙率如表1 所示。開孔孔隙率增量隨凍融次數(shù)的變化如圖6 所示。初始階段的輕質(zhì)燒結(jié)磚( 0 ～ 10 次) 和污泥燒結(jié)磚( 0 ～ 30次) 開口孔隙率無變化，此階段后開始迅速增長。表明孔隙變化是材料塑性變形是隨凍融累積的過程，累積的塑性變形超過材料的極限應(yīng)變，孔隙擴展。

2． 4 抗壓強度

采用統(tǒng)計檢驗方法分析磚的抗壓強度數(shù)據(jù)，剔除離群值后，各凍融組抗壓強度平均值如表2所示。如圖7 所示為試樣抗壓強度損失率隨凍融次數(shù)的變化。兩種磚的強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大，輕質(zhì)燒結(jié)磚的強度損失率明顯大于污泥燒結(jié)磚。凍融60 次的輕質(zhì)燒結(jié)磚強度損失率達58． 01%，凍融100 次的污泥燒結(jié)磚強度損失率達42． 21%。根據(jù)燒結(jié)磚的抗凍性能評價指標( 表3) ，污泥燒結(jié)磚抗凍性能較好，適用于所有地區(qū); 輕質(zhì)燒結(jié)多孔磚較差，按標準則不能在寒冷和嚴寒冷地區(qū)運用?？紤]燒結(jié)磚的凍融是孔隙吸水后，凍融作用下孔隙水物態(tài)變化，凍脹力反復(fù)作用于材料而最終破壞的過程。因此，輕質(zhì)燒結(jié)磚砌筑不宜在寒冷及嚴寒冷地區(qū)可能與水接觸的結(jié)構(gòu)中使用，但仍可用于砌筑沒有水接觸的非承重墻。

3 凍融損傷裂化規(guī)律

3． 1 凍融破壞機理

材料的凍融破壞是一個復(fù)雜的物理變化過程。關(guān)于多孔材料的凍融破壞機理，目前尚未形成統(tǒng)一的認識，認可度較高的是Powers^［10］提出的靜水壓理論和滲透壓理論。他認為吸水飽和的多孔材料凍融破壞作用主要包括靜水壓力和滲透壓力，二者的最大區(qū)別在于孔隙溶液的遷移方向。無論通過試驗測定還是物理化學(xué)公式計算，確定靜水壓力和滲透壓力都存在諸多困難。對于靜水壓和滲透壓何者是主導(dǎo)因素，學(xué)者們持有不同的見解。李天媛^［11］基于客觀試驗現(xiàn)象和理論分析計算，對靜水壓和滲透壓的大小、破壞程度進行了論證，得出靜水壓是導(dǎo)致多孔材料凍融破壞的主要因素。Chatterji 認為靜水壓只會存在于至少一端封閉的孔隙中，實際上多孔材料的孔隙分布比較復(fù)雜，可能存在一端連通、兩端連通或封閉等情況，故質(zhì)疑了該理論的適用條件，認為是滲透壓起主要作用。而Powers^［10］本人后來也偏向滲透壓假說。

不論是靜水壓力作用還是滲透壓作用，實際上，材料的凍融破壞是凍脹力反復(fù)作用的一種力學(xué)劣化過程。借鑒與Kang 等^［12］相同的處理方法，將研究含孔隙的燒結(jié)磚材料理想化為圓筒直桿單元，孔隙半徑為a，單元半徑為b，作用在內(nèi)壁的凍脹擠壓應(yīng)力為qa，外壁壓力為qb( 圖8) 。并假定，液固相變是一個準靜態(tài)過程; 燒結(jié)磚均勻連續(xù)各向同性，產(chǎn)生的是彈性變形。圓筒單元的結(jié)構(gòu)形狀與受力狀態(tài)均對稱于軸線，因此，問題可簡化為軸對稱平面應(yīng)變問題。如不計體力，在應(yīng)力與極角無關(guān)的情況下，由于此圓筒單元的幾何形狀和受力是軸對稱的，由此得到應(yīng)力分量表達式為

式中: σr，σr分別為環(huán)向拉應(yīng)力和徑向壓應(yīng)力; σrθ為切應(yīng)力。

當(dāng)只考慮圓筒內(nèi)壁作用均勻凍脹內(nèi)壓力q_a，為了簡化分析，假定材料體積是不可壓縮的，取υ為0． 5，則應(yīng)力狀態(tài)為

由于切應(yīng)力分量全部為0，故主應(yīng)力為σ_θ，σ_r，σ_z。根據(jù)應(yīng)力強度理論^［13］ 則可得

應(yīng)力強度與r² 成反比，燒結(jié)磚受凍孔隙內(nèi)壁有應(yīng)力強度最大。將應(yīng)力強度代入到Mises 屈服條件，可得

式中: 為燒結(jié)磚剪切屈服應(yīng)力。

由此可得到燒結(jié)磚彈性極限壓力q_e為

與黃孝蘅等^［14］ 研究硬化混凝土中氣泡性質(zhì)對抗凍性影響提出的觀點一致。由式(5) 可知燒結(jié)磚受凍時的彈性極限壓應(yīng)力，不僅磚的材料黏結(jié)強度有關(guān)，還與內(nèi)部孔隙孔徑大小和孔隙分布間距有關(guān)。而且對于孔隙分布復(fù)雜的燒結(jié)磚^［8-9］，在凍脹壓應(yīng)力作用下，靠近塊體表面孔隙壁，因彈性極限壓力較低而先進入塑性階段，隨凍融次數(shù)的增加積累塑性變形，導(dǎo)致凍融后的燒結(jié)磚最初的酥松、脫皮掉塊等現(xiàn)象發(fā)生在棱角和表面等部位，隨凍融次數(shù)向內(nèi)發(fā)展。而對于塊體內(nèi)部孔隙則隨著塑性變形的累積而向相鄰孔隙逐步擴展、延伸和連通，使得燒結(jié)磚孔隙率隨凍融次數(shù)逐漸增大，塊體材料損傷逐漸惡化。

3． 2 燒結(jié)磚強度隨孔隙率變化的損傷規(guī)律

由以上分析，凍融后燒結(jié)磚內(nèi)部微觀孔隙率發(fā)展，使得有效承載力面積減小，導(dǎo)致塊體強度降低。因此，可用燒結(jié)磚孔隙率的變化以表征凍融損傷程度。根據(jù)材料力學(xué)損傷理論^［15］，定義損傷變量D 為

式中: A 為材料凍融前橫截面積; A_n為材料歷經(jīng)n次凍融循環(huán)之后的孔隙橫截面積; A₀為材料凍融前初始孔隙面積。設(shè)燒結(jié)磚凍融前的體積為V，凍融前后的孔隙體積分別為V₀和V_n，則凍融前后的孔隙率n₀和n 可分別表示為

將燒結(jié)磚孔隙在橫截面面積上的對應(yīng)值與在體積上對應(yīng)值的關(guān)系近似表示為

式中: k 為材料參數(shù)，根據(jù)燒結(jié)磚試驗結(jié)果擬合確定。

聯(lián)立式(6) ～ (8) ，凍融損傷變量用孔隙率表示為

由于封閉孔孔隙中無水滲入，無凍脹力作用于孔隙壁。因此，式(9) 中凍融前后的孔隙率為開孔孔隙率，開孔隙率的變化可通過磚吸水率變化測定。依據(jù)損傷力學(xué)理論，凍融后燒結(jié)磚的強度表示為

式中: f₀和f_n分別為凍融前后磚體抗壓強度。

將式( 10) 與凍融后燒結(jié)磚強度和開口孔隙

率的結(jié)果擬合，可得到塊體強度與開孔隙變化率的關(guān)系，如圖9 ～ 10 所示。由圖9 ～ 10 可知，試驗數(shù)據(jù)與強度損傷方程的擬合較好。說明通過開孔孔隙率變化來定義的損傷演化方程，能夠描述燒結(jié)磚凍融強度損傷演化規(guī)律，開孔孔隙率的變化可作為衡量燒結(jié)磚抗凍性能的評價指標。

4 結(jié)論

( 1) 燒結(jié)磚在凍脹力反復(fù)作用下，孔隙塑性應(yīng)變積累、擴張、相鄰孔隙貫通發(fā)展，使塊體孔隙率增大，有效承載面積減小，強度降低。因此，可以用孔隙率變化作為評價材料抗凍性能或預(yù)測壽命的判斷標準。

( 2) 導(dǎo)出了用開孔孔隙率增量表達的凍融損傷方程，將此方程與試驗結(jié)果擬合，分別得到了輕質(zhì)燒結(jié)多孔磚和污泥燒結(jié)多孔磚強度隨開口孔隙率的變化關(guān)系。

( 3) 燒結(jié)磚的抗凍性能與開口孔隙率有關(guān)。為提高燒結(jié)磚在凍融環(huán)境下的抗凍性能，建議制坯時，需嚴格控制用水量并適當(dāng)擠壓，減少坯體干縮裂紋產(chǎn)生和增加坯體密實度; 對磚坯表面可用黏土漿進行涂抹處理，以減小開孔孔隙率; 調(diào)節(jié)完善燒結(jié)程序，減少燒結(jié)過程中溫度裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻:

［1］ 田威，謝永利，黨發(fā)寧． 凍融環(huán)境下混凝土力學(xué)性能試驗及損傷演化［J］． 四川大學(xué)學(xué)報( 工程科學(xué)版) ， 2015，47( 4) : 38-44．

TIAN W，XIE Y L，DANG F N． Experimental study onthe mechanical property and damage evolution of concreteunder freeze-thaw environment． ［J］． Journal ofSichuan University ( Engineering Science Edition) ，2015，47( 4) : 38-44．

［2］ PEＲＲIN B，VU N A，MULTON S，et al． Mechanicalbehavior of fired clay materials subjected to freeze-thawcycles［J］． Construction and Building Materials，2011，25( 2) : 1056-1064．

［3］ GENTILINI C，F(xiàn)ＲANZONI E，BANDINI S，et al．Effect of salt crystallization on the shear behavior ofmasonry walls: an experimental study［J］． Constructionand Building Materials，2012，37: 181-189．

［4］ WAＲDEH G，PEＲＲIN B． Freezing-thawing phenomenain fired clay materials and consequences on theirdurability［J］． Construction and Building Materials，2008，22( 5) : 820-828．

［5］ 苑振芳，劉斌，苑磊． 砌體結(jié)構(gòu)的耐久性［J］． 建筑結(jié)構(gòu)， 2011( 4) : 117-121．

YAN Z F，LIU B，YANG L． Durability of masonrystructures［J］． Building Structure，2011，4: 117-121．

［6］ 吳中偉，廉慧珍． 高性能混凝土［M］． 北京: 中國鐵道出版社，1999．

WU Z W，LIAN H Z． High performance concrete［M］．Beijing: China Ｒailway Publishing House，1999．

［7］ 宦文娟，張云升，劉國建，等． 凍融環(huán)境下黏土紅磚的性能劣化規(guī)律與微結(jié)構(gòu)演化［J］． 東南大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版) ， 2014，41( 2) : 401-405．

HUAN W J，ZHANG Y S，LIU G J，et al． Performancedeterioration and microstructure evolution of clay bricksubmitted to freeze-thaw cycles［J］． Journal of SoutheastUniversity ( Natural Science Edition ) ，2014，41( 2) : 401-405．

［8］ 黃榜彪，張向華，朱基珍，等． 污泥摻量對燒結(jié)污泥頁巖磚抗壓強度的影響［J］． 四川建材，2012( 5) :3-4．

HUANG B B，ZHANG X H，ZHU J Z，et al． The contentof sludge on the influence of sintering sludge-shalebricks'compressive strength［J］． Sichuan Building Material，2012，5: 3-4．

［9］ 黃榜彪，景嘉驊，李青，等． 輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的研發(fā)［J］． 新型建筑材料， 2011( 11) : 45-46．

HUANG B B， JI J H，LI Q， et． The research and developmentof light shale-sintered brick［J］． New BuildingMaterials，2011，11: 45-46．

［10］ POWEＲS T． C． Durability of concrete［M］． Detroit:American Concrete Institute，1975: 1-11．

［11］ 李天瑗． 試論混凝土凍害機理———靜水壓與滲透壓的作用［J］． 混凝土與水泥制品， 1989( 5) : 8-11．

LI T Y． Mechanism of concrete freezing injury effectionof hydrostatic pressure and osmotic pressure［J］． ChinaConcrete and Cement Products，1989，5: 8-11．

［12］ KANG Y，LIU Q，HUANG S． A fully coupled thermohydro-mechanical model for rock mass under freezing /thawing condition ［J］． Cold Ｒegions Science andTechnology，2013，95: 19-26．

［13］ 陳惠發(fā)，薩里普A F． 彈性與塑性力學(xué)［M］． 北京:中國建筑工業(yè)出版社， 2004: 236-256．

CHEN H F，SAＲIP A F． Elasticity and plasticity［M］．Beijing: China Architecture ＆ Building Press，2004:236-256．

［14］ 黃孝蘅，許彩虹，王麗文． 硬化混凝土中氣泡性質(zhì)對抗凍性影響的試驗研究［J］． 中國港灣建設(shè)，2003( 3) : 14-17．

HUANG X H，XU C H，WANG L W． Experiment andstudy of influence of property of air-bubbles in hardenedconcrete upon frost resistance of concrete［J］． ChinaHarbour Engineering，2003，3: 14-17．

［15］ 梁輝，彭剛，田為，等． 循環(huán)孔隙水壓下混凝土常規(guī)三軸壓縮損傷破壞特性分析［J］． 實驗力學(xué)， 2015，30( 6) : 802-809．

LIANG H，PENG G，TIAN W，et al． Damage propertyanalysis of concrete subjected to conventional trianialcompression under cyclic pore water pressure［J］． Journalof Experimental Mechanics，2015，30 ( 6 ) : 802-809．