加气混凝土抗冻性能的实验研究

加气混凝土抗冻性能的实验研究

抗冻性是评价其耐久性的重要指标。导致加气混凝土冻害的机理主要有两种:一是冰胀压理论,由于负温下材料中的孔隙水结冻体积膨胀,受孔壁约束形成膨胀压力,从而在孔周围的微观结构中产生拉应力使材料破坏。二是渗透压理论,由于冰的自由能小于液态水的自由能,在冻结时凝胶孔中的水流向毛细孔,当毛细孔水结成冰时,凝胶孔中过冷水在材料微观结构中迁移和重分布从而引起渗透压力,导致冻害。无论是冰胀压理论还是渗透压理论,其破坏机理均是基于水在冻融循环中的作用而提出的,因此水作为导致材料冻害的重要因素也被众多研究人员在抗冻性研究中予以考虑。在这些研究中以含水率对材料抗冻性能的影响的研究较多,一般来说,材料的吸水率越大抗冻性就越差,反之抗冻性越好。另外,材料的抗冻性与其孔结构有很大关系。由于在制作过程中加入发气剂,加气混凝土的孔结构与其他砌体材料完全不同,其抗冻性能也有所不同。本文通过不同吸水率加气混凝土在不同冻融条件下的抗冻性试验研究,揭示加气混凝土的抗冻性能。1冻融试验测定本研究选用4组不同厂家的蒸压加气混凝土试件进行冻融实验研究,试件均为100mm×100mm×100mm的标准试块。不同试件物理性能如表1所示。表中试件的原始抗压强度为未冻融前在干燥箱中烘至恒重后的抗压强度,吸水率为试件在水中浸泡7d后的体积吸水率。冻融试验参照GBT11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行。首先用毛刷清理试样表面将试样放入干燥箱干燥至恒量称其质量G0,然后以冻6h融5h为一个冻融循环按规范方法进行冻融试验,最后将达到表1规定次数的试件取出后烘干至恒重称其质量G1,计算质量损失,并进行抗压强度实验测得冻融后的抗压强度。2试验结果2.1几种常见概念设计4组试件分别冻融15次、30次、50次后的强度损失和质量损失如图1、图2所示。从图中我们可以看出加气混凝土4组试件的强度损失和质量损失随冻融循环次数增加,几乎成线性关系,但损失量均不大,在50次冻融循环后平均强度损失小于15%,质量损失小于3%。2.2抗冻性能与体积吸水率的关系通过4组加气混凝土试件的冻融实验我们可以得到它的强度损失和质量损失与饱和体积吸水率的关系如图3、图4所示。从图中可以看出加气混凝土质量损失随体积吸水率的增加先增大后减小无明显线性规律。但是当冻融循环次数达到30、50次时加气混凝土的强度损失随饱和体积吸水率的增加呈现降低的趋势较为明显。这种吸水率越大而强度损失越小的现象实际说明加气混凝土的抗冻性能随吸水率的增加而增强,这一点与大多数砖砌体材料有明显区别。吸水率越大抗冻性能越差的规律对加气混凝土来说是不适用的。3讨论与分析3.1抗冻性能分析加气混凝土是一种典型的宏观多孔材料,孔隙率可达70%~80%,并且具有较高的吸水率,饱和质量吸水率通常可达50%以上。这一特点很容易使人们主观的推测它的抗冻性能较差,而事实上加气混凝土的抗冻性能与这一推测恰恰相反。通过加气混凝土与几种常见砌体材料经50次冻融循环后的实验结果(表2)对比可以直观的证明这点。从表2中可以看出加气混凝土的体积吸水率远高于其他材料,但经冻融循环后它的强度损失却远低于其他三种材料。通过观察50次循环后材料外观(图5)也可以看出加气混凝土抗冻性能与其他材料的不同。加气混凝土经冻融实验后表面基本完整,其冻害现象主要表现为材料表面出现粉装的碎裂残渣,但情况并不严重。而其他砌体材料(如蒸压粉煤灰砖)经冻融后表面出现大面积的脱落,破坏往往表现为表面产生大量薄片状的碎砖片从砖砌体上分离,这与加气混凝土粉状残渣存在明显区别。3.2孔壁类型对抗冻性能的影响通过与其他砌体材料的比较可以发现加气混凝土最大的不同点在于它特殊的孔结构。蒸压加气混凝土的气孔结构是料浆在一定的环境中由铝粉发气剂在料浆中发生化学反应放出氢气形成的,这种以气孔为主的孔结构使得加气混凝土的物理性能与其他砌体材料存在很大区别,特别是抗冻性能。从孔的分布上来说,加气混凝土中的人工气孔数量多使得材料孔隙率较高,但分布比较均匀,它们之间仅通过孔径较小的毛细孔相连,而且仍有约30%的孔是完全封闭的。因此,当冻胀力超过材料承载极限时气孔孔壁发生破坏,但孔与孔之间存连通空间较小这种破坏难以向内部传递,破坏仅发生在材料表面(图5a)。而其他砌体材料中孔的分布往往是发散式的针状连通孔,这使得冻胀力在材料内部沿孔隙不断传递破坏也随之深入。从空隙的孔径来说,加气混凝土中的气孔多为宏观孔孔径较大,其中大部分在0.5mm~2mm,这进一步加大了加气混凝土的孔隙率。但在实际冻融过程中这一部分大孔对抗冻性能的影响很小,原因主要有两点:第一,孔径较大的孔(气孔)在冻融过程中很难达到饱和,当水位降至孔隙以下时孔隙中的水将开始流出,根据冻胀理论只要孔隙中水的体积小于孔隙总体积的91.7%,即使孔隙中水完全结冰冻胀力也不会产生。第二,在冻融试验中水的冻结是由外向内的过程,在冻胀力的作用下,部分未结冻的自由水向材料更深处迁移,而较大的气孔可以容纳这部分自由水从