李广生
北京京城久筑节能科技有限公司 102403
摘要：
为研究颗粒粒径差异对水泥砂浆冻融破坏的影响，对不同粒径砂粒水泥砂浆试件进行冻融循环实验，测试不同冻融循环周期后水泥砂浆立方体抗压强度，并利用扫描电子显微镜对不同粒径砂粒试件破坏面进行观察，分析冻融循环条件对不同粒径砂粒试件破坏形态及其物理力学性质变化规律的影响。结果表明：随冻融周期增加，粒径≥30目试件表面以颗粒脱落为主，粒径≥40目试件表面以片状剥落为主。纵波波速以及单次冻融前后质量差值均随冻融周期增加而降低。在冻融循环前期，水化反应对试件力学性能影响占主导地位，造成试件抗压强度、弹性模量增加，冻融循环后期，冻融损伤加剧，微裂纹、微孔洞扩展造成抗压强度、弹性模量降低。相同冻融周期后，纵波波速、抗压强度和弹性模量随粒径减小而降低。提出改进的微观颗粒胶结物理模型，解释了不同粒径水泥砂浆冻融破坏机制。
关键词：水泥砂浆；砂粒；粒径；冻融循环；力学性质
水泥砂浆作为砌体材料的粘合剂和室内外抹灰材料而广泛应用于建筑施工过程中。寒区水泥胶结建筑材料冻融风化是多种因素作用的结果。细观尺度上，水泥砂浆由不同粒径的砂粒和砂粒之间的胶结物组成。在冻融循环作用下，砂粒之间联系（胶结物）被削弱，砂粒自身被破坏，颗粒属性对水泥砂浆材料的冻融破坏具有重要影响。因此开展砂粒胶结材料冻融破坏研究对寒区岩土工程有十分现实而重要的意义。
1.不同粒径砂粒水泥砂浆冻融循环实验
1.1试件制备
（1）实验原料：本实验所用砂为普通洁净河砂，使用标准筛筛取10目、20目、30目、40目、50目5个不同粒径等级砂粒各15kg。胶结剂采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。水为蒸馏水。
（2）制备方法：经过预先试配，最终确定胶砂比为0.5，水灰比为0.45。按比例取某一等级目数的砂和水泥放入容器中，充分混合均匀后倒入相应比例蒸馏水，而后进行充分搅拌至均匀。将配置好的水泥砂浆置于70mm×70mm×70mm模具中，分层振捣、压实。将模具置于恒温保湿箱中养护24h，待水泥砂浆有一定强度后脱模，将脱模后的试件放入恒温保湿箱中养护28d。按同样的方法每种目数砂粒一次性制备18个试件，每3个试件为一组，所有试件共计90个。按配置试件颗粒粒径减小，依次将试件记为10D、20D、30D、40D、50D。每种目数水泥砂浆试件取1组为对照组，养护28d后进行水泥砂浆立方体抗压实验，其余5组进行冻融循环实验。
1.2冻融循环实验
（1）所有需进行冻融实验的试件养护24d后，将试件置于20℃蒸馏水中浸泡4d，且保证液面高于试件上表面4cm。
（2）将试件置于低温保存箱中冻结，为模拟寒区气温变化规律，设定冻结时间为8h，冻结温度为－30℃。冻结完成后将试件放入20℃蒸馏水中融解，融解时间为8h，融解时保证液面完全浸泡试件。
（3）每次冻融完成后观察并纪录试件表面形貌变化，并称量试件质量，每20T（周期）冻融循环后测量试件纵波波速，并对试件进行立方体抗压实验。
表1 试件基本物理参数均值
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1.3水泥砂浆立方体抗压实验
每20次冻融循环后取每种目数水泥砂浆试件1组进行立方体抗压实验。抗压实验采用辽宁省矿山灾害重点实验室YAW－2000型微机控制电液伺服岩石压力试验机，压力机最大荷载为2000kN，最大牵引位移100mm，加载速率为0.01mm／s。
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图2不同冻融周期不同粒径试样劣化状态
2.结果及分析
2.1不同粒径砂粒水泥砂浆试件冻融劣化特征分析
水泥砂浆材料为非均质复合材料，颗粒粒径的差异对水泥砂浆物理力学性质具有重要影响。从颗粒接触模式角度分析：砂粒粒径较大时，砂粒接触方式包括面接触与点接触，当砂粒粒径较小时，砂粒之间以点接触为主。颗粒接触方式的差异对水泥砂浆原生缺陷（包括微裂隙、微空洞）的分布数量及位置具有显著作用。微细观尺度下的材料结构特征深刻影响材料的抗冻融性能。随着冻融循环周期增加，不同粒径水泥砂浆试件冻融劣化现象出现差异，随砂粒粒径不断减小，微孔洞数量和密度减小，且由颗粒脱落向片状剥落变化。限于篇幅，仅以20目（a、b、c、d）、４０目（e、f、g、h）试件为例具体分析，如图2所示。20次冻融循环后，20目粒径试件表面颗粒凸出显露，表面变粗糙，并且表面开始出现微孔洞，如图2（a）所示。随冻融次数增加，试件表面微孔洞发育，40次冻融循环后，微孔洞数量增多，孔径和深度增大，如图2（b）所示。60次冻融循环后，试件四周开始破损，出现角部脱落和颗粒脱落现象，如图2（c）所示。80次冻融循环后，试件表面疏松，大量颗粒脱落，颗粒骨料裸露，角部出现大块脱落，部分出现裂纹，试件劣化严重，如图2（d）所示。40目粒径试件随冻融次数增多，劣化状态与粗颗粒试件存在明显差异。冻融循环20次，40目粒径试件出现微孔洞，但表面孔洞分布密度较大，但体积较小，且微孔洞发育缓慢，如图2（e）所示。40次冻融循环后，表面开始出现片状剥落现象，如图2（f）所示。60次冻融循环后表面剥落现象加剧，且剥落向内部延伸，表面大面积疏松，如图2（g）所示。80次冻融循环后，试件多个表面均呈现片状脱落现象，且脱落面积不断扩大，深度加深，同时孔洞发育，角部出现明显脱落现象，如图2（h）所示。
2.2物理性质研究
（1）质量变化结果及分析
每次冻融循环前、后测量每个试件质量，表2为不同粒径试件第0、20、40、60、80次冻融循环前、后的质量。根据表2可知，随冻融次数增加，冻融前（即融化状态）、冻融后（冻结状态）各粒径试件质量均出现增加，且随粒径减小质量增幅逐渐减小。粒径为10目试件质量增加最大，冻结终了融化状态质量相对于初始融化状态增加了0.73％，冻结状态质量增加9％。这一方面是由于水泥砂浆试件随时间增加，水参加水泥砂浆的化学反应，致使质量增加；另外，根据Powers的静水压力理论，在正负温交替循环的条件下，负温冻结时颗粒微孔中部分孔溶液结冰膨胀迫使未结冰孔中溶液向孔外迁移，导致颗粒微孔内空气排出，正温融化时外部水分进入微孔，多次循环后，颗粒微孔内空气逐渐被水溶液替代，从而使试件质量有所增加。
表2不同冻融周期冻融循环前、后不同粒径试件质量
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为更进一步研究冻融循环对试件的破坏效应，计算第0、20、40、60、80次冻融循环前、后质量差值，不同粒径试件质量差值随冻融周期变化如图3所示。由图3可得出：随冻融周期增加，不同粒径试件质量差值均减小，但较大粒径试件质量差值在冻融过程中存在显著波动，而小粒径试件质量呈现单调减小。本文根据不同粒径砂粒水泥砂浆试件冻融前后质量差值变化情况，分析认为质量差值的变化主要是由试件含水量和试件自身质量变化造成的。随冻融周期增加，试件内部裂隙发育、贯通，水分向深部迁移，同时试件胶结剂与水发生化学反应生成水化物，使试件质量增加。但同时试件在冻胀力作用下发生劣化，存在表面疏松、颗粒脱落等质量缺损现象，造成试件质量减小。即单次冻融前后质量差值Ｍ受水分迁移变量ｘ、化学反应变量ｙ、试件质量缺损变量ｚ，以及冻融循环周期Ｔ四个因素控制，如式（1）所示。在冻融周期持续增加后质量差值会出现负值，即冻融微观损伤导致试件宏观破坏，劣化加剧，而此时水化反应、水分迁移已基本完成，质量差值主要受质量缺损控制。
（1）
随冻融次数增加，水分迁移变量ｘ、化学反应变量ｙ作用将会减弱，而质量缺损变量ｚ作用将会增强，从而使试件质量差值Ｍ减小。
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图3质量差值与冻融循环周期关系曲线图4纵波波速与冻融循环周期关系曲线
（2）纵波波速结果及分析
每20次冻融循环后测量不同砂粒粒径试件纵波波速，如图4所示。由图可知，随砂粒粒径减小，试件纵波波速降低。此外，随冻融次数增加，试件波速均减小，这说明不同粒径砂粒水泥砂浆试件均受冻融循环损伤。但10目、20目、30目试件在冻融循环前期（40Ｔ前）波速下降较为缓慢，其中10目试件下降最大为4.4％。20目试件下降最小仅为1.7％。这是由于在冻融循环前期，粗粒径试件受冻胀力作用不显著，内部微裂隙、孔洞扩展缓慢，同时水化反应产生的水化产物填充至微裂隙、微孔洞，降低行波阻力。40Ｔ后内部初始损伤加速扩展，微裂隙、孔洞在周期性冻胀力作用下显著发育，波速急剧降低。冻融循环80Ｔ后，10目试件波速为初始波速的86％，20目、30目试件下降为初始波速的89％。冻融循环80Ｔ后，40目、50目试件波速呈现均匀且缓慢下降趋势，在冻融循环后期下降略有加速。
表3破碎体统计结果
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2.3不同粒径砂粒水泥砂浆试件抗压实验结果分析
（1）水泥砂浆破坏形态
统计不同粒径试件、不同冻融周期后立方体压缩破坏情况，破碎体统计结果如表3所示，其中最大、最小尺寸指破碎体受压方向的长度。由表可知，随冻融周期增加，破碎体最大、最小尺寸均减小，碎屑颗粒增多，同一冻融周期后，随粒径减小，破碎体尺寸减小。由于数据繁多，以10目、50目试件典型破坏形态具体分析，如图5所示。其中，以10目粒径试件为代表的大粒径试件在冻融前期破碎体以板形、块体为主，立方体压缩破坏后试件主体较完整。随冻融次数增多，破碎体以条形体为主，并伴随有大量砂粒脱落，冻融循环80次后，根据统计分析发现碎屑颗粒占破碎体比例显著提高。以50目粒径砂粒试件为代表的小粒径试件在冻融破坏前期破碎体板块状特征更为显著，随冻融次数增多，破碎体为不规则多面体，呈现小型化趋势，未出现大量颗粒脱落现象。此外，随粒径减小，试件破坏形式由拉伸破坏趋向于Ｘ型共轭斜面剪切破坏，如图6所示。
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图5不同冻融次数不同粒径砂粒试件破坏形态
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图6 不同粒径砂粒水泥砂浆破坏形式
经过多次冻融循环，不同粒径试件均受周期性冻胀力作用，造成试件内部损伤积累。但由于粒径差异，二者破坏形态存在差异。大粒径试件中砂粒以面接触为主，冻胀力作用于颗粒之间胶结物，削弱颗粒之间的联结，使颗粒分离，从而宏观表现为颗粒的脱落。对小粒径试件而言，砂粒以点接触为主，颗粒之间存在直接接触，压缩破坏时，破碎体较为完整，未出现大量颗粒脱落。
（2）冻融循环对不同粒径试件力学特性影响
1）应力－应变曲线
初始即未冻融条件下，不同粒径砂粒水泥砂浆试件立方体压缩破坏应力－应变曲线如图7所示。由图可知不同粒径砂粒试件的应力－应变曲线变化趋势基本一致，且可分为4个阶段，即压密阶段、弹性阶段、裂纹扩展阶段、破坏阶段。砂粒粒径≥30目试件具有较强的脆性破坏特征，50目粒径试件峰后存在水平段，具有一定残余强度。冻融循环80Ｔ后不同粒径砂粒试件应力－应变曲线如图9所示。由图可知，随粒径减小，应力－应变曲线趋于平缓、峰值强度对应的应变增大，此外40目试件较初始未冻融时具有显著的残余强度特征。限于篇幅，仅分析20目试件不同周期应力－应变曲线，如图8所示。由图可知，随着冻融循环周期增加，试件压密阶段延长，相应的峰值应变增加。80Ｔ时试件的压密阶段应变最大为0.031，较未冻融条件下增长38％。这说明周期性冻胀力使试件内部原生裂隙显著扩展，试件表面和内部已出现大量微损伤。
2）弹性模量
由图7可知：在未冻融条件下，不同粒径砂粒试件弹性模量差异较小，波动范围在2900～3200ＭＰａ，粒径因素对其影响不明显。但随着冻融周期增加，不同粒径砂粒试件弹性模量出现差异。由图9可知：冻融循环80Ｔ后，随粒径减小，弹性模量降低，特别是50目试件下降为1875ＭＰａ。经过相同的冻融循环周期，弹性模量的差异化说明粒径差异对水泥砂浆材料的抗冻融破坏性能存在显著影响。表4为不同冻融周期后不同粒径砂粒水泥砂浆试件力学参数变化均值，由表4可知：试件弹性模量先随冻融周期的增加而增加，达到一定峰值后随冻融周期继续增加而大幅减小。这是由于冻融循环前期水泥水化反应占主导地位导致试件强化，冻融循环后期冻融损伤加剧，其对试件内部的破坏作用效果显著，造成试件弹性模量加速下降。
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图7 初始时不同粒径砂粒试件应力－应变曲线 图8 20目粒径砂粒试件应力－应变曲线
3）抗压强度
由表4可知：水泥砂浆试件立方体抗压强度均经历先增大后减小的过程，且经过相同冻融循环周期后随粒径减小抗压强度降低。分析抗压强度变化规律可知：由于胶结剂的水化反应，所有试件在冻融循环前期抗压强度均存在一定程度的增加。但随着冻融循环次数增加，周期性冻胀力的破坏作用占据主导地位，试件抗压强度下降。由于试件繁多，以20目粒径砂粒试件为例分析（如图8所示）。在冻融前40Ｔ（周期），试件抗压强度稳步增长，40Ｔ 时达到最大48ＭＰａ，较未冻融条件下增长84％，60Ｔ 时试件抗压强度开始下降，80Ｔ 时抗压强度仅为34ＭＰａ。这说明在冻融循环后期周期性冻胀力对试件内部损伤加剧，试件初始微裂纹、微孔洞等原生缺陷在周期性冻胀力作用下不断扩展、连通，最终造成试件宏观承载力下降。
图10为不同粒径砂粒试件抗压强度随冻融循环周期变化关系图。由图可知，除60Ｔ时10Ｄ、20Ｄ试件外，经历相同冻融周期后，砂粒粒径越小，抗压强度越小。砂粒粒径≥30目试件随冻融周期增加抗压强度先增大后降低，且增幅明显。砂粒粒径小于40目试件抗压强度增幅较小，50目砂粒粒径试件仅在0～20Ｔ周期内抗压强度小幅增加，20Ｔ后强度逐步衰减。这说明水化反应生成的水化产物增强了不同粒径砂粒试件的抗冻融破坏能力，尤其是对大粒径砂粒试件作用明显。但随着冻融循环次数增多，水化反应减弱，冻融损伤加剧造成试件冻融破坏。
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表5 拟合参数表
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图11抗压强度拟合曲线
对不同粒径试件抗压强度实测值进行拟合，拟合结果如图11所示，并得到不同粒径砂粒试件抗压强度σ与冻融周期Ｔ的拟合关系式，如式（2）所示。
（2）
式中，ｙ0、Tｃ、ｗ、Ａ为拟合参数，拟合参数及相关系数Ｒ2具体数值如表5所示。根据相关系数可知，随砂粒粒径减小，拟合效果呈增强趋势。
结束语
（1）不同砂粒粒径试件冻融损伤模式存在差异，粗砂粒试件以颗粒剥落形式为主，细砂粒试件主要为片状脱落劣化形式。随冻融循环周期增加，粗砂粒试件破碎体以条状形为主，碎屑颗粒增多。细砂粒试件破碎体由板块状发展为不规则多面体，破碎体尺寸变小。
（2）随冻融循环周期增加，不同粒径砂粒水泥砂浆试件物理性质劣化加剧。单次冻融循环前后质量差值与胶结剂水化反应、裂隙水渗透、冻融损伤及冻融循环周期４个变量有关，在冻融循环后期冻融损伤占主导地位，损伤向试件深部发展，造成冻融损伤积累，宏观表现为试件质量差值减小。
（3）砂粒粒径对水泥砂浆力学性质存在显著影响，随粒径减小，抗压强度降低。受胶结剂水化反应影响，冻融循环前期抗压强度、弹性模量先增大，但随着冻融循环周期增加，试件内部冻融损伤积累，抗压强度、弹性模量减小。
参考文献：
［1］ 戴北冰，杨峻，周翠英．颗粒大小对颗粒材料力学行为影响初探［J］．岩土力学，2015，35（7）：187-188
［2］ 王来贵，习彦会，刘向峰，等．不同粒径砂粒水泥胶结体物理力学性质研究［J］．硅酸盐通报，2016，35（1）：61-67
［3］ 蒋明镜，白闰平，刘静德，等．岩石微观颗粒接触特性的试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，2017，21（6）：1121-1128