泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

蘇謙，趙文輝，王亞威，劉亭

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

蘇謙1，2，趙文輝1，2，王亞威1，2，劉亭1，2

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

為研究泡沫輕質(zhì)混凝土的力學(xué)特性，采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)濕密度為400～1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣開展單軸壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明:泡沫輕質(zhì)混凝土壓縮過(guò)程分為典型的4個(gè)階段，即調(diào)整階段、彈性階段、脆性階段和屈服階段（震蕩屈服和點(diǎn)屈服）；當(dāng)濕密度為400～800kg/m3時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)增加，當(dāng)濕密度為800～1000kg/m3時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)效果不明顯；當(dāng)濕密度為400～600kg/m3時(shí)彈性模量增長(zhǎng)緩慢，而當(dāng)濕密度為600～1000kg/m3時(shí)彈性模量增長(zhǎng)較迅速，但增長(zhǎng)速率逐漸減小；養(yǎng)護(hù)齡期前期影響較大，后期影響較小。

泡沫輕質(zhì)混凝土；濕密度；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；彈性模量；養(yǎng)護(hù)齡期

泡沫輕質(zhì)混凝土是由水泥（固化材料）、水、原料土（砂或砂性土或低液限土）按一定比例充分混合形成漿體，然后再與一定比例的足夠細(xì)小的穩(wěn)定氣泡群充分混合攪拌形成流體，并最終凝固成型的一種輕型填筑材料。該材料具有自重輕、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、性能穩(wěn)定、直立性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境影響反應(yīng)遲鈍等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程中得到了廣泛的應(yīng)用，如軟土地基處理、路基加寬、橋背回填及沿海地基填充等。隨著泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用范圍的增加，其濕密度使用范圍也隨之?dāng)U大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土展開了許多研究，文獻(xiàn)［1-6］介紹了泡沫輕質(zhì)混凝土的基本概念，詳細(xì)研究了其物理力學(xué)特性和影響因素。Satoh等［3］分析了泡沫輕質(zhì)混凝土作為港口填料的可行性，認(rèn)為其作為港口填料，一年后密度與28d密度相同，但強(qiáng)度提高了40%；Otani等［4］采用CT技術(shù)對(duì)熊本機(jī)場(chǎng)的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣進(jìn)行掃描，分析不同配合比下泡沫輕質(zhì)混凝土在澆筑過(guò)程中氣泡分布及抗壓強(qiáng)度等力學(xué)特性。但上述研究中泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度主要集中在520～670kg/m3，范圍較狹窄，因此有必要開展?jié)衩芏确秶鼜V的泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性研究。

本文針對(duì)濕密度范圍為400～1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣開展單軸壓縮試驗(yàn)，研究泡沫輕質(zhì)混凝土的壓縮特性和濕密度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響，為工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1　材料與試樣制備

水泥為四川拉法基集團(tuán)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；發(fā)泡劑為FL-1型；外加劑若干。制備泡沫輕質(zhì)混凝土漿液過(guò)程為：首先分別稱取水泥及水若干，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，再加入發(fā)泡裝置制備的泡沫，攪拌至要求。試驗(yàn)中要求水泥漿的水固比為0.65，濕密度誤差≤1%，故下述抗壓強(qiáng)度分析中，對(duì)同一配合比試樣的質(zhì)量差異忽略不計(jì)。試樣尺寸為100mm×100mm× 100mm，制備過(guò)程為：①澆筑；②刮平（養(yǎng)護(hù)24h后）；③拆模、成型；④養(yǎng)護(hù)（試樣由保鮮袋包裹，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)）。

2　試驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/h2>

為了研究泡沫輕質(zhì)混凝土在不同濕密度下的抗壓強(qiáng)度特性及其影響因素，采用WDW系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。下文中試樣的測(cè)試平均值為3組測(cè)試結(jié)果的平均值。試驗(yàn)中，對(duì)同一配合比的試樣采用一次澆筑完成，且對(duì)不同配合比試樣采用同一條件下養(yǎng)護(hù)，減小外部環(huán)境差異對(duì)試樣的影響。除養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)力學(xué)特性影響的研究外，其余試驗(yàn)所用試樣齡期均為28d。試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土砌塊》（JC/T1062—2007）執(zhí)行。

3　試驗(yàn)成果和分析

3.1泡沫輕質(zhì)混凝土的壓縮特性

對(duì)濕密度范圍為400～1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣開展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其中典型濕密度為400，700，1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1　泡沫輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可知：不同濕密度泡沫輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始階段均會(huì)出現(xiàn)一段應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增長(zhǎng)的曲線，但與圖1（a）相比，圖1（b）和1（c）中該段曲線較短；而后進(jìn)入應(yīng)力隨應(yīng)變線性增長(zhǎng)的彈性階段；達(dá)到應(yīng)力峰值前，出現(xiàn)一段隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力增加較緩慢的曲線，即切線斜率減小的一段曲線；達(dá)到峰值后，圖1（a）應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈波浪狀緩慢增長(zhǎng)或衰減（不超過(guò)峰值）現(xiàn)象，而圖1（b）和圖1（c）在應(yīng)力達(dá)到峰值后，突降到一定值，而后出現(xiàn)一段隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)應(yīng)力緩慢減小的曲線。

結(jié)合文獻(xiàn)［7］對(duì)多孔材料和混凝土壓縮特性的分析，總結(jié)上述泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性，給出泡沫輕質(zhì)混凝土材料壓縮曲線模型，如圖2所示。該曲線模型主要分為4個(gè)階段：

圖2　泡沫輕質(zhì)混凝土材料壓縮曲線模型

1）調(diào)整階段（圖2的oa段）。該階段的產(chǎn)生與泡沫輕質(zhì)混凝土試樣存在較脆弱的表面相關(guān)，該表面是由試樣在澆筑時(shí)模具表面的涂油層造成的（試樣自身缺陷）。在壓縮試驗(yàn)中，隨著壓縮位移的增加，這些孔隙首先被壓實(shí)，主要表現(xiàn)為應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增長(zhǎng)。在實(shí)際工程中，該階段不存在，研究意義不大。

2）彈性階段（圖2的ab段）。該階段應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)，外力由整個(gè)試樣承載，應(yīng)力變化較大。

3）脆性階段（圖2的bc段）。該階段伴隨著試樣內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展、新裂紋的產(chǎn)生或匯集，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為與彈性階段相比，彈性模量出現(xiàn)減小現(xiàn)象。

4）屈服階段。結(jié)合試驗(yàn)，得到泡沫輕質(zhì)混凝土的屈服階段分為下述兩種情況，其破壞情況如圖3所示。

圖3　兩種典型屈服的破壞情況

①震蕩屈服（圖2的cf段）。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，試樣表層首先個(gè)別孔壁被壓垮，其所在面上（主要為平面）的其余孔壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致整層孔壁被壓垮，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而小幅下降。隨著破碎層面被壓實(shí)，應(yīng)力會(huì)隨著應(yīng)變的增加而小幅上升，但不會(huì)超過(guò)峰值，接著與之接觸的另外一層的氣孔被壓垮壓實(shí)，產(chǎn)生相同的現(xiàn)象（見圖3（a））。

②點(diǎn)屈服。該階段主要分為兩段：突降段（圖2的cd段）和緩降段（圖2的de段）。突降段發(fā)生的原因?yàn)椋寒?dāng)泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)力超過(guò)其斷裂承載力時(shí)，發(fā)生脆性斷裂，應(yīng)力隨著應(yīng)變而陡降。從破壞部位上，主裂縫與軸線約成45°。緩降段發(fā)生的原因?yàn)椋涸撾A段試樣整體已破壞，荷載由相互接觸的幾部分試樣共同承受，隨著壓縮位移的增加，次裂縫產(chǎn)生，試樣進(jìn)一步被壓壞，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而加速衰退（見圖3（b））。

結(jié)合圖2和圖3分析得到：濕密度為400kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土的屈服階段主要表現(xiàn)為震蕩屈服；而濕密度為700，1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土的屈服階段主要表現(xiàn)為點(diǎn)屈服，且其cd段隨著濕密度的增加而增大。說(shuō)明隨著泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度的增加，其屈服階段由震蕩屈服向點(diǎn)屈服過(guò)渡，且點(diǎn)屈服突降段幅度隨著濕密度的增加而增大。

3.2濕密度對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性的影響

泡沫輕質(zhì)混凝土主要由固化材料（水泥）組成，所以水泥水化作用后形成的固化物決定著泡沫輕質(zhì)混凝土的密度。根據(jù)測(cè)試平均值進(jìn)行線性擬合，可知濕密度與干密度呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.9987，擬合度較高。泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度（范圍為400～1000 kg/m3）與干密度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4　濕密度與干密度關(guān)系曲線

文獻(xiàn)［7-8］分別分析了飽和度和干密度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，得出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與飽和度和干密度呈指數(shù)關(guān)系。Kearsley等［9-10］對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、孔隙率與滲透性的相互關(guān)系、孔隙率對(duì)其強(qiáng)度的影響進(jìn)行了系列研究，建立了泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與其齡期和孔隙率的相互關(guān)系數(shù)學(xué)模型，計(jì)算公式如下

式中：fc為泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，MPa；t為泡沫混凝土的齡期，d；p為365d后測(cè)試所得的泡沫混凝土孔隙率。

其中，孔隙率可由下式計(jì)算得出式中：ρd為泡沫輕質(zhì)混凝土的干密度，kg/m3；ρs為純水泥漿固化密度，為固定值，kg/m3。

由式（2）可知，對(duì)于同一水固比澆筑的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣，其干密度與孔隙率呈線性關(guān)系。結(jié)合圖4線性擬合結(jié)果，則泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度與孔隙率呈線性關(guān)系。再結(jié)合式（1），可知對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期相同的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣，其抗壓強(qiáng)度隨著濕密度的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。

對(duì)濕密度范圍為400～1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，濕密度與抗壓強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5　濕密度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖6　濕密度與彈性模量關(guān)系曲線

由圖5可知：①當(dāng)泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度范圍為400～800kg/m3時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與濕密度關(guān)系擬合曲線為y=0.090e0.005x，R2=0.971，說(shuō)明隨著濕密度的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)增加；②濕密度為1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為濕密度為800kg/m3的1.1～1.2倍，增加效果不太明顯，因此實(shí)際工程應(yīng)用中泡沫輕質(zhì)混凝土推薦采用的濕密度范圍為500～800kg/m3。

由圖6可知：泡沫輕質(zhì)混凝土在濕密度范圍為400～600kg/m3時(shí)，其彈性模量由40.388MPa增長(zhǎng)至64.827MPa，增長(zhǎng)緩慢；而在濕密度范圍為600～1000 kg/m3時(shí)彈性模量增長(zhǎng)較迅速，但隨著濕密度的增加，彈性模量增長(zhǎng)速率減小。

3.3養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性的影響

水泥材料的水化是個(gè)緩慢的過(guò)程，所以養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土的力學(xué)特性發(fā)展響應(yīng)較大。為研究養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，測(cè)試了濕密度分別為400，700，1000kg/m3的試樣在3，7，14，28d的抗壓強(qiáng)度，得到泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7　泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

圖8　泡沫輕質(zhì)混凝土彈性模量與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

由圖7可知：濕密度分別為400，700，1000kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.9805，0.9931，0.8569，可靠性均較高。說(shuō)明對(duì)于相同品牌的水泥、發(fā)泡劑、發(fā)泡工藝制造的不同濕密度泡沫輕質(zhì)混凝土，在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期曲線已知時(shí)，其3d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可替代28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為泡沫輕質(zhì)混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)，縮短質(zhì)量檢測(cè)的時(shí)間。對(duì)于3種濕密度的泡沫輕質(zhì)混凝土，其3，7，14d的抗壓強(qiáng)度分別約為28d抗壓強(qiáng)度的0.35～0.45，0.66～0.76，0.84～0.91倍，說(shuō)明泡沫輕質(zhì)混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，抗壓強(qiáng)度在前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)則較為緩慢。

由圖8可知：泡沫輕質(zhì)混凝土的彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度相似，其3，7，14d的彈性模量分別約為28d彈性模量的0.39～0.51，0.65～0.71，0.84～0.92倍。

通過(guò)上述分析可得，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)特性的前期影響較明顯，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，影響逐漸減小。

4　結(jié)論

研究了不同濕密度下泡沫輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分析了濕密度、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響。得到如下結(jié)論：

1）泡沫輕質(zhì)混凝土壓縮過(guò)程分為典型的4個(gè)階段，即調(diào)整階段、彈性階段、脆性階段和屈服階段（震蕩屈服和點(diǎn)屈服）；隨著濕密度的增加，試樣的屈服特征由震蕩屈服向點(diǎn)屈服過(guò)渡，點(diǎn)屈服過(guò)程中強(qiáng)度衰減幅值逐漸增大。

2）當(dāng)泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度范圍為400～800 kg/m3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著濕密度的增加呈指數(shù)增加；濕密度處于800～1000kg/m3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度的增加增長(zhǎng)效果不明顯。

3）泡沫輕質(zhì)混凝土的彈性模量在濕密度范圍為400～600kg/m3時(shí)增長(zhǎng)緩慢；在濕密度范圍為600～1000kg/m3時(shí)增長(zhǎng)較迅速，但彈性模量增長(zhǎng)速率逐漸減小。

4）養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土的力學(xué)特性前期影響較大，后期影響較小。

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AbstractIn order to study the mechanical properties of foam lightweight concrete，the computer-controlled electronic universal testing machine was used to make uniaxial compression tests for foam lightweight concrete specimen with wet density from 400 kg/m3to 1 000 kg/m3.T he results show that there are typical four stages in foam lightweight concrete compression process，which are adjustment step，elastic step，brittle step and yield step（vibration yield and point yield）.T he unconfined compression strength increases exponentially when the wet density is from 400 kg/m3to 800 kg/m3；the unconfined compression strength does not increase obviously when the wet density is in the range of 800～1 000 kg/m3；the elastic modulus increases slowly when the wet density is from 400 kg/m3to 600 kg/m3；the elastic modulus increases quickly but the growth rate decreases gradually while the wet density is in the range of 600～1 000 kg/m3；curing period has a larger effect in the early stage and has a less effect in the late stage on mechanical properties of foam lightweight concrete.

Experimental Research on Mechanical Properties of Foam Lightweight Concrete

SU Qian1，2，ZHAO Wenhui1，2，WANG Yawei1，2，LIU Ting1，2
（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Foam lightweight concrete；W et density；Unconfined compression strength；Elastic modulus；Curing period

TU472

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.36

1003-1995（2016）04-0144-05

（責(zé)任審編周彥彥）

2015-09-07；

2016-01-30

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2014G003-E）；教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃（NCET-12-0941）

蘇謙（1972—），男，教授，博士。