黄榜彪¹，廖天权¹，郑泽彬¹，黄秉章²，张贝¹，李治¹，祁伟伟¹，潘佳玉¹，卢强¹，刘阳¹，盛琪¹

( 1． 广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006; 2． 广西荣泰建筑设计有限责任公司，广西柳州545007)

摘要: 为研究冻融作用下轻质烧结砖和污泥烧结砖的抗冻性能，对轻质烧结砖和污泥烧结砖进行冻融试验研究，得到表观损伤、质量损失率、开孔孔隙率和强度损失率与冻融次数之间的关系。结果表明，轻质烧结砖冻融损伤速率发展较快，不适用于寒冷和严寒地区可能与水接触的结构。基于弹塑性力学理论分析了冻融破坏机理，结合材料损伤理论，提出了用冻融前后的开孔孔隙率增量表征的强度损伤方程。将此方程与试验数据拟合，分别得到轻质烧结砖和污泥烧结砖强度损失随开孔也隙率增量的变化关系。

关键词: 轻质烧结砖; 污泥烧结砖; 冻融; 孔隙率

0 引言

随着工程建设的长期发展，结构耐久性成为当今工程研究的重点^［1］。在众多影响因素之中，冻融环境是导致砖砌体结构耐久性下降、结构过早失效的主要因素之一^［2-4］。苑振芳等^［5］总结国内外有关工程实践、标准规范及研究成果，也指出冻融是影响砌体结构耐久性的主要因素之一。关于烧结砖的抗冻性能，GB /T 2542—2012《砌体墙体砖实验方法》规定: 以50 次冻融循环后砖的质量损失率≤5%和强度损失率≤25%，作为烧结砖抗冻性能评价指标。此方法对历经上百年的古老烧结砖类建筑物耐久性和寿命的预测显然欠妥。吴中伟等^［6］ 曾提出冻融破坏与材料的孔隙有关^［6］。宦文娟等^［7］对历经冻融65 次的黏土红砖进行压汞试验，冻融前后孔隙率增加了3． 88%，平均孔径由0． 09 μm 增加到0． 32 μm。因此，需从冻融环境下砖的孔隙率微观结构的变化出发，以探究孔隙率变化与强度损伤之间的规律。为此，选取了初始孔隙率不同的轻质烧结砖和污泥烧结砖，研究长期冻融环境下块体的抗压强度，质量损失和孔隙率随冻融次数的变化规律，并结合力学损伤理论，建立冻融作用下孔隙变化率与块体强度损伤之间的关系，以期为烧结类材料的抗冻性能评价提供参考，同时也为轻质烧结砖和污泥烧结砖在冻融环境下的应用提供依据。

1 试验方法

试验用砖选用矩形孔污泥烧结砖^［8］和轻质烧结砖^［9］，强度等级分别为MU15 和MU7． 5。考虑试验具有较大的离散型，每组试验设计用砖量增加至10 批。其中，污泥烧结砖冻融试验共10组，分别进行10，20，30，40，50，60，70，80，90 和100 次冻融循环; 轻质烧结砖冻融试验共6 组，分别进行10，20，30，40，50 和60 次冻融循环; 且每种砖均设置1 组不进行冻融的对照样。冻融循环试验采用JCD-40 立式砖冻融循环试验机，冻融方法和质量损失率、抗压强度和孔隙率的计算，按照GB /T 2542—2012《墙体砖实验方法》进行。

2 试验结果及分析

2． 1 表观质量损伤

轻质烧结砖历经20 次冻融循环，外观无明显变化; 在20 ～ 40 次循环内，表面开始出现起皮、裂纹和酥松等初始损伤现象，如图1 所示。在40 ～60 个循环内，外观损伤加快，有明显的酥松、脱棱掉角、裂纹变宽加深等裂蚀现象，如图2 所示。污泥烧结砖经历60 次冻融，表面形态无变化; 在60～ 90 个循环内，表面开始鼓皮，如图3 所示。在80 ～ 100 次冻融内，块体损伤加速，出现明显的鼓皮、掉渣和棱角模糊等严重的裂化现象，如图4 所示。轻质烧结砖表观裂化速度快且严重，污泥烧结砖的表观裂化缓慢，具有优良的抗冻性能。这是由于轻质砖内燃辅料是锯沫^［8］，辅料燃烧后，形成的孔隙多且孔径较大，抗冻性能差。

2． 2 质量损失

轻质烧结砖与污泥烧结页岩多孔砖的质量损失率变化如图5 所示。如图5 可知，0 ～ 20 次冻融，两种砖的质量损失率微小; 在20 ～ 60 次冻融内，轻质烧结砖的质量损失随冻融次数迅速增长，经60 次冻融质量损失率达17． 1%; 而污泥烧结砖的质量损失变化缓慢，经100 次冻融质量损失率为10． 1%。

2． 3 开孔孔隙率

采用统计检验方法分析试验数据，剔除开口孔隙率数据中的离群值。冻融前，轻质烧结砖和污泥烧结砖各组开孔孔隙率分别为28． 11% 和41． 25%，冻融后开孔隙率如表1 所示。开孔孔隙率增量随冻融次数的变化如图6 所示。初始阶段的轻质烧结砖( 0 ～ 10 次) 和污泥烧结砖( 0 ～ 30次) 开口孔隙率无变化，此阶段后开始迅速增长。表明孔隙变化是材料塑性变形是随冻融累积的过程，累积的塑性变形超过材料的极限应变，孔隙扩展。

2． 4 抗压强度

采用统计检验方法分析砖的抗压强度数据，剔除离群值后，各冻融组抗压强度平均值如表2所示。如图7 所示为试样抗压强度损失率随冻融次数的变化。两种砖的强度损失率随冻融循环次数增加而增大，轻质烧结砖的强度损失率明显大于污泥烧结砖。冻融60 次的轻质烧结砖强度损失率达58． 01%，冻融100 次的污泥烧结砖强度损失率达42． 21%。根据烧结砖的抗冻性能评价指标( 表3) ，污泥烧结砖抗冻性能较好，适用于所有地区; 轻质烧结多孔砖较差，按标准则不能在寒冷和严寒冷地区运用。考虑烧结砖的冻融是孔隙吸水后，冻融作用下孔隙水物态变化，冻胀力反复作用于材料而最终破坏的过程。因此，轻质烧结砖砌筑不宜在寒冷及严寒冷地区可能与水接触的结构中使用，但仍可用于砌筑没有水接触的非承重墙。

3 冻融损伤裂化规律

3． 1 冻融破坏机理

材料的冻融破坏是一个复杂的物理变化过程。关于多孔材料的冻融破坏机理，目前尚未形成统一的认识，认可度较高的是Powers^［10］提出的静水压理论和渗透压理论。他认为吸水饱和的多孔材料冻融破坏作用主要包括静水压力和渗透压力，二者的最大区别在于孔隙溶液的迁移方向。无论通过试验测定还是物理化学公式计算，确定静水压力和渗透压力都存在诸多困难。对于静水压和渗透压何者是主导因素，学者们持有不同的见解。李天媛^［11］基于客观试验现象和理论分析计算，对静水压和渗透压的大小、破坏程度进行了论证，得出静水压是导致多孔材料冻融破坏的主要因素。Chatterji 认为静水压只会存在于至少一端封闭的孔隙中，实际上多孔材料的孔隙分布比较复杂，可能存在一端连通、两端连通或封闭等情况，故质疑了该理论的适用条件，认为是渗透压起主要作用。而Powers^［10］本人后来也偏向渗透压假说。

不论是静水压力作用还是渗透压作用，实际上，材料的冻融破坏是冻胀力反复作用的一种力学劣化过程。借鉴与Kang 等^［12］相同的处理方法，将研究含孔隙的烧结砖材料理想化为圆筒直杆单元，孔隙半径为a，单元半径为b，作用在内壁的冻胀挤压应力为qa，外壁压力为qb( 图8) 。并假定，液固相变是一个准静态过程; 烧结砖均匀连续各向同性，产生的是弹性变形。圆筒单元的结构形状与受力状态均对称于轴线，因此，问题可简化为轴对称平面应变问题。如不计体力，在应力与极角无关的情况下，由于此圆筒单元的几何形状和受力是轴对称的，由此得到应力分量表达式为

式中: σr，σr分别为环向拉应力和径向压应力; σrθ为切应力。

当只考虑圆筒内壁作用均匀冻胀内压力q_a，为了简化分析，假定材料体积是不可压缩的，取υ为0． 5，则应力状态为

由于切应力分量全部为0，故主应力为σ_θ，σ_r，σ_z。根据应力强度理论^［13］ 则可得

应力强度与r² 成反比，烧结砖受冻孔隙内壁有应力强度最大。将应力强度代入到Mises 屈服条件，可得

式中: 为烧结砖剪切屈服应力。

由此可得到烧结砖弹性极限压力q_e为

与黄孝蘅等^［14］ 研究硬化混凝土中气泡性质对抗冻性影响提出的观点一致。由式(5) 可知烧结砖受冻时的弹性极限压应力，不仅砖的材料黏结强度有关，还与内部孔隙孔径大小和孔隙分布间距有关。而且对于孔隙分布复杂的烧结砖^［8-9］，在冻胀压应力作用下，靠近块体表面孔隙壁，因弹性极限压力较低而先进入塑性阶段，随冻融次数的增加积累塑性变形，导致冻融后的烧结砖最初的酥松、脱皮掉块等现象发生在棱角和表面等部位，随冻融次数向内发展。而对于块体内部孔隙则随着塑性变形的累积而向相邻孔隙逐步扩展、延伸和连通，使得烧结砖孔隙率随冻融次数逐渐增大，块体材料损伤逐渐恶化。

3． 2 烧结砖强度随孔隙率变化的损伤规律

由以上分析，冻融后烧结砖内部微观孔隙率发展，使得有效承载力面积减小，导致块体强度降低。因此，可用烧结砖孔隙率的变化以表征冻融损伤程度。根据材料力学损伤理论^［15］，定义损伤变量D 为

式中: A 为材料冻融前横截面积; A_n为材料历经n次冻融循环之后的孔隙横截面积; A₀为材料冻融前初始孔隙面积。设烧结砖冻融前的体积为V，冻融前后的孔隙体积分别为V₀和V_n，则冻融前后的孔隙率n₀和n 可分别表示为

将烧结砖孔隙在横截面面积上的对应值与在体积上对应值的关系近似表示为

式中: k 为材料参数，根据烧结砖试验结果拟合确定。

联立式(6) ～ (8) ，冻融损伤变量用孔隙率表示为

由于封闭孔孔隙中无水渗入，无冻胀力作用于孔隙壁。因此，式(9) 中冻融前后的孔隙率为开孔孔隙率，开孔隙率的变化可通过砖吸水率变化测定。依据损伤力学理论，冻融后烧结砖的强度表示为

式中: f₀和f_n分别为冻融前后砖体抗压强度。

将式( 10) 与冻融后烧结砖强度和开口孔隙

率的结果拟合，可得到块体强度与开孔隙变化率的关系，如图9 ～ 10 所示。由图9 ～ 10 可知，试验数据与强度损伤方程的拟合较好。说明通过开孔孔隙率变化来定义的损伤演化方程，能够描述烧结砖冻融强度损伤演化规律，开孔孔隙率的变化可作为衡量烧结砖抗冻性能的评价指标。

4 结论

( 1) 烧结砖在冻胀力反复作用下，孔隙塑性应变积累、扩张、相邻孔隙贯通发展，使块体孔隙率增大，有效承载面积减小，强度降低。因此，可以用孔隙率变化作为评价材料抗冻性能或预测寿命的判断标准。

( 2) 导出了用开孔孔隙率增量表达的冻融损伤方程，将此方程与试验结果拟合，分别得到了轻质烧结多孔砖和污泥烧结多孔砖强度随开口孔隙率的变化关系。

( 3) 烧结砖的抗冻性能与开口孔隙率有关。为提高烧结砖在冻融环境下的抗冻性能，建议制坯时，需严格控制用水量并适当挤压，减少坯体干缩裂纹产生和增加坯体密实度; 对砖坯表面可用黏土浆进行涂抹处理，以减小开孔孔隙率; 调节完善烧结程序，减少烧结过程中温度裂缝的产生。

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