泡沫混凝土力學性能研究

龍文武，王勁松，盧愷

（南華大學城市建設學院，湖南 衡陽 421001）

泡沫混凝土力學性能研究

龍文武，王勁松，盧愷

（南華大學城市建設學院，湖南 衡陽 421001）

從泡沫混凝土墻板生產廠中的臥式攪拌機（容量1 m3）取料，并制作了泡沫混凝土試塊（干密度等級為800 kg/m3）。在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后進行力學性能測試。分別研究了不同尺寸下立方體抗壓強度統(tǒng)計參數(shù)及其尺寸效應，以及泡沫混凝土棱柱體峰值應變、彈性模量、泊松比。通過正態(tài)概率紙和W檢驗法對標準試塊抗壓強度進行了正態(tài)分布檢驗。結果表明：峰值應變變化范圍為（2200～2400）×10-6，彈性模量均值為3823 MPa，泊松比均值為0.21，彈性模量與抗壓強度的擬合關系式為：Ec=104/（-6.37+53.62/fck）。標準試塊抗壓強度符合正態(tài)分布，2個參數(shù)估計值分別為μ=6.508、σ=0.607。

泡沫混凝土；力學性能；尺寸效應；彈性模量；W檢驗法

目前各種結構體系中的非承重墻體一般采用輕質填充墻，泡沫混凝土制成的墻板具有質量輕、抗震性能好、保溫隔熱性好、吸聲降噪及防火性能，且能實現(xiàn)工業(yè)化生產等優(yōu)異特點，是一種符合國家節(jié)能減排的綠色環(huán)保新型墻體材料。本文通過設計相關實驗方案研究了干密度約為800 kg/m3用做墻體材料的泡沫混凝土的力學性能。

1 實驗

1.1 試塊制作和目的

1.1.1 泡沫混凝土制作過程

（1）將一定濃度的動物蛋白發(fā)泡劑水溶液置于高壓空氣發(fā)泡機的儲液箱中，把高壓空氣發(fā)泡機設置成實驗調制好的參數(shù)，即空氣流量和發(fā)泡劑水溶液吸入量調至合適的比例，空氣壓力把氣體壓向液體中，同時也把液體壓向氣體中，實行雙向同時施壓過程。高壓空氣發(fā)泡機把空氣和液體二相混合成泡沫，產生的泡沫具有速度快，效率高、泡徑小、細致均勻等特點。

（2）將水泥、河砂按預定的計量放入攪拌機，攪拌均勻后加入水和減水劑，然后再加入耐堿玻璃纖維和早強劑，最后摻入泡沫，攪拌均勻后（攪拌過程中要檢測料漿濕密度，從而控制泡沫混凝土干密度）制成泡沫混凝土料漿，制備過程控制在15 min左右。

（3）將泡沫混凝土料漿澆制在準備好的試模中成型，1 d后將成型好的試件移至標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護。

1.1.2 泡沫混凝土試塊尺寸及其數(shù)量和目的

（1）制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm、70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊數(shù)量分別為12、36、30個，用于測試不同尺寸立方體抗壓強度統(tǒng)計參數(shù)及其尺寸效應關系，并通過正態(tài)概率紙和W檢驗法對標準試塊抗壓強度進行正態(tài)分布檢驗。

（2）制作尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件6個，分為2組，每組3個試件。第1組用于測試泡沫混凝土棱柱體軸心抗壓極限強度，第2組用于測試泡沫混凝土棱柱體彈性模量、泊松比、峰值應變。

1.2 實驗方法

（1）將標準養(yǎng)護28d后的各尺寸立方體試塊從標準養(yǎng)護室取出，用干抹布擦干，再放置在實驗室晾干2～5h后進行實驗。抗壓強度測試在壓力試驗機上進行，加載速率0.2～0.3MPa/s[1]。

（2）棱柱體試塊軸心抗壓強度、彈性模量、泊松比在300 kN微機控制電液伺服機上進行。第1組棱柱體試塊軸心抗壓強度加載速率（2.0±0.5）kN/s；第2組棱柱體試塊先進行彈性模量、泊松比測試，其應力上限取第1組棱柱體試塊軸心抗壓強度平均值的1/2，即0.5fck，重復加卸載5～10次，試塊變形趨于穩(wěn)定，泡沫混凝土σ-ε曲線接近直線，即應變片差值趨于穩(wěn)定，彈性模量由E=σ/εel計算得出[2]。其中應變片參數(shù)型號是：BX120-50AA，電阻值：120 Ω±0.1%，靈敏系數(shù)：（2.06± 0.28）%，敏感柵長寬：50 mm×4 mm。

2 實驗結果與分析

2.1 試塊破壞現(xiàn)象

在達到極限承載力前，試塊一般沒有可見裂縫。當達到破壞時，底部和頂部出現(xiàn)試塊四周出現(xiàn)粉狀壓碎現(xiàn)象，試件上下向中間擴展延伸的斜向裂縫，隨著應變的增加，一般有1條到幾條斜向貫通的主裂縫，大部分試塊有形成大致與底部呈45°的剪切裂縫，整個過程表現(xiàn)出低強度彈脆性力學性能[3-4]，見圖1～圖2。耐堿玻璃纖維的摻入增加了試件開裂后的整體性與橫向拉應力，且泡沫混凝土內部具有與普通混凝土明顯不同的獨特孔隙結構，故泡沫混凝土達到極限應變后沒有出現(xiàn)如普通混凝土的崩裂現(xiàn)象。

圖1 單個典型斜裂縫

圖2 斜裂縫群樣

2.2 各尺寸立方體試塊抗壓強度統(tǒng)計

泡沫混凝土在生產過程中受許多因素的影響，其質量不可避免的存在波動。造成泡沫混凝土質量波動的主要原因有（1）生產前因素：主要有組成原材料、生產環(huán)境、設備狀況等（2）生產過程中的因素：計量、攪拌、澆筑、養(yǎng)護、運輸?shù)?；?）生產后的因素：批量劃分、驗收界限、檢測方法和檢測條件等。雖然泡沫混凝土的質量波動是不可避免的，我們在認識到質量控制的復雜性時，更要將質量管理貫穿在生產的全過程，使泡沫混凝土質量波動在合理的范圍內，以確保泡沫混凝土質量安全。衡量泡沫混凝土生產質量的指標主要包括正常生產控制條件下泡沫混凝土強度的最大值、最小值、平均值、標準差變異系數(shù)和強度保證率等。表1給出了不同尺寸泡沫混凝凝土試塊數(shù)量及其抗壓強度統(tǒng)計參數(shù)，包括抗壓強度最大值、最小值、平均值μf、標準差σf、變異系數(shù)δf。泡沫混凝土的變異系數(shù)低于普通混凝土變異系數(shù)[5-6]。

表1 各尺寸試塊數(shù)量及其抗壓強度統(tǒng)計參數(shù)

2.3 標準試塊抗壓強度正態(tài)分布檢驗

正態(tài)分布（Normal distribution）又名高斯分布（Gaussian dis tribution），記為N（μ，σ2），其密度函數(shù)曲線呈鐘形，期望值μ決定了其橫坐標位置，標準差σ決定了分布的幅度。正態(tài)分布不僅在統(tǒng)計學方面有著重大的影響力，在實際工程等領域也有著非常重要的作用。材料強度標準值應根據符合規(guī)定質量的概率分布的某一分位值確定，即材料強度標準值是材料強度概率分布中具有一定保證率的偏低的材料強度值。若服從正態(tài)分布，則強度標準值fcu，k可按式（1）表示。

式中：t——概率度。

因JC/T 266—2011《泡沫混凝土》以邊長為100 mm的泡沫混凝土立方體作為標準試塊測試抗壓強度，故以本次實驗方案中該尺寸泡沫混凝土立方體抗壓強度數(shù)值作為正態(tài)分布檢驗的統(tǒng)計數(shù)據。因概率紙作統(tǒng)計推斷具有簡單、直觀、使用方便等優(yōu)點，故首先對本次實驗表2中xi、xn+1-i的抗壓強度數(shù)據通過MATLAB軟件繪制正態(tài)概率紙的方法對其進行初步觀察，如圖3所示。

表2 W檢驗法計算參數(shù)

圖3 正態(tài)概率

從圖3可知，各數(shù)據點在直線附近，由此初步認為該批數(shù)據來自正態(tài)分布樣本。

本實驗數(shù)量n=36，符合W檢驗法中樣本含量在8≤n≤50小樣本場合范圍要求。故泡沫混凝土標準試塊抗壓強度分布統(tǒng)計采用夏皮羅-威爾克（Shapiro-Wilk）法（W檢驗）[7-8]對其進行正態(tài)分布檢驗。首先對36個抗壓強度數(shù)據按大小排序，并記為x1≤x2≤x3≤…≤xn，再把數(shù)據排列成如表2。

W檢驗法計算如式（2）所示：

將表2中各參數(shù)代入式（2）可得：

當顯著性水平取α=0.01，n=36時查W檢驗法系數(shù)表可知W0.01=0.912，計算值W=0.96>W0.01=0.912。在顯著水平取α= 0.01時未落入拒絕域，則該組抗壓強度數(shù)據服從正態(tài)分布。同時再次運用MATLAB軟件對W檢驗法編程[9-10]并得到該組數(shù)據的W=0.9601以及正態(tài)分布2個參數(shù)估計值為μ=6.508，σ= 0.607。

當保證率取P=95%，則概率度t為1.645，即泡沫混凝土強度標準值為具有95%保證率的強度值。根據式（1），則泡沫混凝土標準試塊抗壓強度標準值（MPa）按式（3）計算。

2.4 尺寸效應及其原因分析

尺寸效應是準脆性材料的一個普遍性質，泡沫混凝土作為一種準脆性材料也存在尺寸效應[2]。泡沫混凝土強度尺寸效應是指其強度不僅由材料性質決定，也受其尺寸大小影響。試塊在壓力試驗機上受壓時，試塊縱向會壓縮，橫向會膨脹。由于試塊與壓力機受壓鋼板彈性模量及泊松比有差異，試塊的橫向變形將大于實驗機壓力鋼板，若試塊受壓面未涂潤滑劑，則試塊的受壓接觸面橫向變形將受到壓力機鋼板摩擦力約束，形成“箍套”效應。標準的實驗方法不加潤滑劑，根據試驗方案，本節(jié)主要討論3種尺寸立方體泡沫混凝土試塊抗壓強度尺寸效應。

以邊長為100 mm的泡沫混凝土立方體強度作為標準試塊，由表1可知，采用150 mm或者70.7 mm立方體試塊時，和比值分別取0.98和0.95，邊長為150 mm與 100 mm的普通混凝土立方體試塊比值是0.95，此值比相應的泡沫混凝土值略低。

泡沫混凝土棱柱體抗壓強度與標準試塊抗壓強度的比值見式（4）。

對于普通混凝土，立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度之間的統(tǒng)計關系為fc=0.76fcu[11]。普通混凝土的這一比值比泡沫混凝土低20%左右。

由以上計算可知，泡沫混凝土尺寸效應不明顯以及泡沫混凝土棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的比值要高于普通混凝土，其原因大致有3個方面：（1）混凝土隨著強度等級提高尺寸效應顯著性逐漸增大[12]，泡沫混凝土材料強度較低，一般只有普通混凝土的1/10；（2）尺寸效應同材料的細觀結構有關，材料的強度與材料內部缺陷成反比[13-14]，泡沫混凝土無粗骨料，料漿較均勻，內部缺陷很少；（3）泡沫混凝土的拉壓值比普通混凝土高，且料漿中添加了堿性玻璃纖維絲，增加了試塊的抗拉力與橫向約束能力，致“套箍”效應不明顯。

2.5泡沫混凝土棱柱體基本力學性能

泡沫混凝土棱柱體基本力學性能測試在300 kN微機控制電液伺服機上進行，試件應變通過與應變片連接的應變儀讀取，見圖4。其破壞形態(tài)與立方體試件破壞形態(tài)一致。

圖4 試件裝置

泡沫混凝土棱柱體基本力學性能見表3。

表3 泡沫混凝土棱柱體基本力學性能

由表3可知，泡沫混凝土棱柱體試件峰值應變變化范圍為（2200～2400）με，該幅值與普通混凝土大致相同；泡沫混凝土彈性模量均值為3823 MPa，約為普通混凝土的1/10。普通混凝土的泊松比為0.2，泡沫混凝土泊松比比普通混凝土高6.7%左右。

彈性模量是工程材料中一項最重要、最具特征的力學性質參數(shù)，可用于計算泡沫混凝土截面應力、溫度應力等其它內力和變形。根據本次實驗表3測得的彈性模量與抗壓強度數(shù)據，通過matlab軟件用最小二乘法擬合了Ec和fck的關系式，見式（5）。

式中：fck——棱柱體軸心抗壓極限強度，MPa；

Ec——泡沫混凝土彈性模量，MPa。

3 結論

（1）試塊破壞形態(tài)顯示耐堿玻璃纖維絲能阻礙泡沫混凝土內部微裂縫的擴展與宏觀裂縫的形成，提高泡沫混凝土的抗拉、抗彎強度和破壞后的整體性。

（2）采用MATLAB編程得到泡沫混凝土標準試塊抗壓強度正態(tài)概率紙和W檢驗結果，結果顯示泡沫混凝土標準試塊抗壓強度符合正態(tài)分布，且其抗壓強度離散性很小，說明泡沫混凝土性能及其工藝生產設備穩(wěn)定。

（3）泡沫混凝土試件在整個單軸受壓破壞過程中，呈現(xiàn)出低強度彈脆性的力學性能，破壞時呈剪切型破壞形態(tài)。泡沫混凝土所呈現(xiàn)出來的力學性能特點和不明顯的尺寸效應與泡沫混凝土料漿中添加了耐堿玻璃纖維、無粗骨料、漿料均勻、內部缺陷較少及其與普通混凝土明顯不同的獨特孔隙結構密切相關。

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Study on mechanical properties of foamed concrete

LONG Wenwu，WANG Jingsong，LU Kai
（School of Urban Construction，University of South China，Hengyang 421001，China）

Reclaimed from the horizontal mixer（capacity is 1 m3）in the foam concrete production plant，foam concrete blocks （dry density level is 800 kg/m3）were prepared.Experimental block were cured 28 d in the standard curing room before the mechanical properties experiment.In this paper，the experiments were carried out to study the compressive strength of the cube and its size effect under different sizes，the peak strain，elastic modulus and Poisson's ratio of the foam concrete prism.The normal distribution test of the compressive strength of the standard blocks was carried out by means of the normal probability paper and the W test.The results show that，peak strain ranged from（2200～2400）×10-6；The mean value of the elastic modulus is 3823 MPa；Poisson's ratio average is 0.21；The fitting relationship between elastic modulus and compressive strength is：Ec=104/（-6.37+53.62/fck）. Compressive strength of standard blocks meets normal distribution，two parameter estimation values were μ=6.508，σ=0.607.

foamed concrete，mechanical properties，size effect，elastic modulus，W test method

TU528.2

A

1001-702X（2016）09-0098-04

湖南省土木工程“十二五”重點學科項目資助

2016-03-09

龍文武，男，1990年生，湖南益陽人，碩士研究生。