黃榜彪¹，廖天權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． 廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州545006; 2． 廣西榮泰建筑設計有限責任公司，廣西柳州545007)

摘要: 為研究凍融作用下輕質燒結磚和污泥燒結磚的抗凍性能，對輕質燒結磚和污泥燒結磚進行凍融試驗研究，得到表觀損傷、質量損失率、開孔孔隙率和強度損失率與凍融次數之間的關系。結果表明，輕質燒結磚凍融損傷速率發展較快，不適用于寒冷和嚴寒地區可能與水接觸的結構。基于彈塑性力學理論分析了凍融破壞機理，結合材料損傷理論，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。將此方程與試驗數據擬合，分別得到輕質燒結磚和污泥燒結磚強度損失隨開孔也隙率增量的變化關系。

關鍵詞: 輕質燒結磚; 污泥燒結磚; 凍融; 孔隙率

0 引言

隨著工程建設的長期發展，結構耐久性成為當今工程研究的重點^［1］。在眾多影響因素之中，凍融環境是導致磚砌體結構耐久性下降、結構過早失效的主要因素之一^［2-4］。苑振芳等^［5］總結國內外有關工程實踐、標準規范及研究成果，也指出凍融是影響砌體結構耐久性的主要因素之一。關于燒結磚的抗凍性能，GB /T 2542—2012《砌體墻體磚實驗方法》規定: 以50 次凍融循環后磚的質量損失率≤5%和強度損失率≤25%，作為燒結磚抗凍性能評價指標。此方法對歷經上百年的古老燒結磚類建筑物耐久性和壽命的預測顯然欠妥。吳中偉等^［6］ 曾提出凍融破壞與材料的孔隙有關^［6］。宦文娟等^［7］對歷經凍融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，需從凍融環境下磚的孔隙率微觀結構的變化出發，以探究孔隙率變化與強度損傷之間的規律。為此，選取了初始孔隙率不同的輕質燒結磚和污泥燒結磚，研究長期凍融環境下塊體的抗壓強度，質量損失和孔隙率隨凍融次數的變化規律，并結合力學損傷理論，建立凍融作用下孔隙變化率與塊體強度損傷之間的關系，以期為燒結類材料的抗凍性能評價提供參考，同時也為輕質燒結磚和污泥燒結磚在凍融環境下的應用提供依據。

1 試驗方法

試驗用磚選用矩形孔污泥燒結磚^［8］和輕質燒結磚^［9］，強度等級分別為MU15 和MU7． 5。考慮試驗具有較大的離散型，每組試驗設計用磚量增加至10 批。其中，污泥燒結磚凍融試驗共10組，分別進行10，20，30，40，50，60，70，80，90 和100 次凍融循環; 輕質燒結磚凍融試驗共6 組，分別進行10，20，30，40，50 和60 次凍融循環; 且每種磚均設置1 組不進行凍融的對照樣。凍融循環試驗采用JCD-40 立式磚凍融循環試驗機，凍融方法和質量損失率、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 試驗結果及分析

2． 1 表觀質量損傷

輕質燒結磚歷經20 次凍融循環，外觀無明顯變化; 在20 ～ 40 次循環內，表面開始出現起皮、裂紋和酥松等初始損傷現象，如圖1 所示。在40 ～60 個循環內，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象，如圖2 所示。污泥燒結磚經歷60 次凍融，表面形態無變化; 在60～ 90 個循環內，表面開始鼓皮，如圖3 所示。在80 ～ 100 次凍融內，塊體損傷加速，出現明顯的鼓皮、掉渣和棱角模糊等嚴重的裂化現象，如圖4 所示。輕質燒結磚表觀裂化速度快且嚴重，污泥燒結磚的表觀裂化緩慢，具有優良的抗凍性能。這是由于輕質磚內燃輔料是鋸沫^［8］，輔料燃燒后，形成的孔隙多且孔徑較大，抗凍性能差。

2． 2 質量損失

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

2． 3 開孔孔隙率

采用統計檢驗方法分析試驗數據，剔除開口孔隙率數據中的離群值。凍融前，輕質燒結磚和污泥燒結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的變化如圖6 所示。初始階段的輕質燒結磚( 0 ～ 10 次) 和污泥燒結磚( 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變，孔隙擴展。

2． 4 抗壓強度

采用統計檢驗方法分析磚的抗壓強度數據，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的變化。兩種磚的強度損失率隨凍融循環次數增加而增大，輕質燒結磚的強度損失率明顯大于污泥燒結磚。凍融60 次的輕質燒結磚強度損失率達58． 01%，凍融100 次的污泥燒結磚強度損失率達42． 21%。根據燒結磚的抗凍性能評價指標( 表3) ，污泥燒結磚抗凍性能較好，適用于所有地區; 輕質燒結多孔磚較差，按標準則不能在寒冷和嚴寒冷地區運用。考慮燒結磚的凍融是孔隙吸水后，凍融作用下孔隙水物態變化，凍脹力反復作用于材料而最終破壞的過程。因此，輕質燒結磚砌筑不宜在寒冷及嚴寒冷地區可能與水接觸的結構中使用，但仍可用于砌筑沒有水接觸的非承重墻。

3 凍融損傷裂化規律

3． 1 凍融破壞機理

材料的凍融破壞是一個復雜的物理變化過程。關于多孔材料的凍融破壞機理，目前尚未形成統一的認識，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因素，學者們持有不同的見解。李天媛^［11］基于客觀試驗現象和理論分析計算，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雜，可能存在一端連通、兩端連通或封閉等情況，故質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作用的一種力學劣化過程。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，作用在內壁的凍脹擠壓應力為qa，外壁壓力為qb( 圖8) 。并假定，液固相變是一個準靜態過程; 燒結磚均勻連續各向同性，產生的是彈性變形。圓筒單元的結構形狀與受力狀態均對稱于軸線，因此，問題可簡化為軸對稱平面應變問題。如不計體力，在應力與極角無關的情況下，由于此圓筒單元的幾何形狀和受力是軸對稱的，由此得到應力分量表達式為

式中: σr，σr分別為環向拉應力和徑向壓應力; σrθ為切應力。

當只考慮圓筒內壁作用均勻凍脹內壓力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，則應力狀態為

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

應力強度與r² 成反比，燒結磚受凍孔隙內壁有應力強度最大。將應力強度代入到Mises 屈服條件，可得

式中: 為燒結磚剪切屈服應力。

由此可得到燒結磚彈性極限壓力q_e為

與黃孝蘅等^［14］ 研究硬化混凝土中氣泡性質對抗凍性影響提出的觀點一致。由式(5) 可知燒結磚受凍時的彈性極限壓應力，不僅磚的材料黏結強度有關，還與內部孔隙孔徑大小和孔隙分布間距有關。而且對于孔隙分布復雜的燒結磚^［8-9］，在凍脹壓應力作用下，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，隨凍融次數的增加積累塑性變形，導致凍融后的燒結磚最初的酥松、脫皮掉塊等現象發生在棱角和表面等部位，隨凍融次數向內發展。而對于塊體內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，使得燒結磚孔隙率隨凍融次數逐漸增大，塊體材料損傷逐漸惡化。

3． 2 燒結磚強度隨孔隙率變化的損傷規律

由以上分析，凍融后燒結磚內部微觀孔隙率發展，使得有效承載力面積減小，導致塊體強度降低。因此，可用燒結磚孔隙率的變化以表征凍融損傷程度。根據材料力學損傷理論^［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n次凍融循環之后的孔隙橫截面積; A₀為材料凍融前初始孔隙面積。設燒結磚凍融前的體積為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

將燒結磚孔隙在橫截面面積上的對應值與在體積上對應值的關系近似表示為

式中: k 為材料參數，根據燒結磚試驗結果擬合確定。

聯立式(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。依據損傷力學理論，凍融后燒結磚的強度表示為

式中: f₀和f_n分別為凍融前后磚體抗壓強度。

將式( 10) 與凍融后燒結磚強度和開口孔隙

率的結果擬合，可得到塊體強度與開孔隙變化率的關系，如圖9 ～ 10 所示。由圖9 ～ 10 可知，試驗數據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，能夠描述燒結磚凍融強度損傷演化規律，開孔孔隙率的變化可作為衡量燒結磚抗凍性能的評價指標。

4 結論

( 1) 燒結磚在凍脹力反復作用下，孔隙塑性應變積累、擴張、相鄰孔隙貫通發展，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測壽命的判斷標準。

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

( 3) 燒結磚的抗凍性能與開口孔隙率有關。為提高燒結磚在凍融環境下的抗凍性能，建議制坯時，需嚴格控制用水量并適當擠壓，減少坯體干縮裂紋產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; 調節完善燒結程序，減少燒結過程中溫度裂縫的產生。

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