泡沫混凝土材料靜、動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

慕 欣，陳洪祥，陳喜坤

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230000；2.寧波市慈城古縣域開發(fā)建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315031；3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

泡沫混凝土材料靜、動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

慕 欣1，陳洪祥2，陳喜坤3

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230000；2.寧波市慈城古縣域開發(fā)建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315031；3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料，泡沫混凝土常用于濱海道路工程，結(jié)構(gòu)承受著自重、波浪及交通載荷等多種靜、動(dòng)荷載作用。通過一系列靜、動(dòng)力三軸試驗(yàn)，研究了泡沫混凝土材料在靜、動(dòng)力加載條件下的變形與強(qiáng)度特性，并探討動(dòng)載歷史對材料強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：泡沫混凝土在靜壓荷載作用下的變形發(fā)展呈現(xiàn)出先彈性后塑性的特點(diǎn)，其靜力抗壓強(qiáng)度約為1 040 kPa；當(dāng)動(dòng)力荷載幅值較小時(shí)，泡沫混凝土變形將逐漸趨于穩(wěn)定，且動(dòng)彈性模量隨應(yīng)變增長變化較小；而當(dāng)循環(huán)荷載幅值較大時(shí)，材料將發(fā)生動(dòng)力破壞。此外，隨著先期動(dòng)力荷載幅值的增大，泡沫混凝土的靜力抗壓強(qiáng)度先增大后減小。研究結(jié)果揭示了泡沫混凝土材料在靜、動(dòng)荷載作用下的工作機(jī)理，可對類似工程的應(yīng)用提供參考。

泡沫混凝土；三軸試驗(yàn)；力學(xué)特性；動(dòng)載歷史；荷載幅值

1 研究背景

目前，對普通混凝土物理力學(xué)性能的研究較為充分，包括靜力抗壓強(qiáng)度和動(dòng)力受壓變形等方面[5-6]，而對泡沫混凝土則鮮有研究。因此，當(dāng)泡沫混凝土應(yīng)用于道路等工程承受高頻交通荷載時(shí)，測定其應(yīng)力-應(yīng)變特性，建立靜動(dòng)力強(qiáng)度關(guān)系，并進(jìn)一步研究材料在循環(huán)荷載作用下的工作機(jī)理，具有重要意義。本文通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了泡沫混凝土材料在靜、動(dòng)力加載條件下的變形與強(qiáng)度特性，可供實(shí)際工程參考。

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用泡沫混凝土采用性能可靠的海螺牌42.5級(jí)水泥，水灰比為0.5。制樣時(shí)采用高分子復(fù)合型發(fā)泡劑，其發(fā)泡倍數(shù)約為20，沉陷距和泌水量均滿足要求。通過平行試驗(yàn)確定最優(yōu)泡沫劑水溶液質(zhì)量比為0.025。參照混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程[7]，稱量原材料并經(jīng)過混合、攪拌、澆筑和靜停發(fā)泡后，塑模成型；再將成型試樣放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，至預(yù)定齡期(28 d)第3天前取出試件，用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干，直至恒重。試樣尺寸為φ50 mm100 mm。

靜力試驗(yàn)包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和100 kPa圍壓條件下抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制，軸向應(yīng)變速率為0.1%/min，一般至軸向應(yīng)變達(dá)到10%或試樣發(fā)生明顯軟化時(shí)終止試驗(yàn)。為減小試驗(yàn)離散誤差，設(shè)3組平行試樣。

動(dòng)力試驗(yàn)中對試樣施加三角波形循環(huán)荷載，荷載幅值分別為100，300，500，600，800 kPa及變幅加載，加載周期為1 min。為研究動(dòng)載歷史對泡沫混凝土材料的影響，對以上試樣又進(jìn)行了單調(diào)加載靜力加載試驗(yàn)，以測定強(qiáng)度并與靜載抗壓強(qiáng)度相比較。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 泡沫混凝土靜力抗壓強(qiáng)度

圖1分別給出了3組平行泡沫混凝土試樣在有側(cè)限(100 kPa圍壓)和無側(cè)限條件下的抗壓強(qiáng)度，圖中縱坐標(biāo)為試樣軸向應(yīng)力，橫坐標(biāo)為試樣軸向應(yīng)變。

注：A，B，C為試驗(yàn)編號(hào)。 圖1 泡沫混凝土在有側(cè)限和無側(cè)限條件下的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Curves of stress vs. strain of foam concrete under confined and unconfined conditions

從圖1中可以看出如下規(guī)律。

更新教育觀念、提高教育質(zhì)量是永恒的主題。在教育教學(xué)規(guī)律、課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教材建設(shè)和教學(xué)管理方面，在提高學(xué)生的素質(zhì)、加強(qiáng)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和注重個(gè)性發(fā)展方面要有新的突破，為培養(yǎng)和造就一大批基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的專門人才，將不懈努力、不斷探索和實(shí)踐。

(1) 對于100 kPa圍壓條件下的試樣(圖1(a))，在軸向應(yīng)變<2%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線段，試樣表現(xiàn)出線彈性特性，隨后，試樣有少許鼓凸現(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)力緩慢增長，最終達(dá)到塑性狀態(tài)，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

(2) 對于無側(cè)限條件下的試樣(圖1(b))，在較小應(yīng)變時(shí)，試樣也表現(xiàn)彈性響應(yīng)的特點(diǎn)，直至出現(xiàn)應(yīng)力峰值點(diǎn)；峰值點(diǎn)后試樣變形迅速發(fā)展，開始出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在較大應(yīng)變時(shí)達(dá)到殘余強(qiáng)度。這種條件下泡沫混凝土的軟化特性類似于超固結(jié)黏土或密砂[8]。

(3) 與一般混凝土材料相比，泡沫混凝土材料的強(qiáng)度明顯偏低，其變形規(guī)律和強(qiáng)度特性與側(cè)限條件有關(guān)。有側(cè)限條件下，3個(gè)平行樣的抗壓強(qiáng)度均值Fc約為1 040 kPa；與之對應(yīng)的，材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則略微偏小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度偏大。值得注意的是，側(cè)限條件對材料力學(xué)特性的作用受試樣個(gè)體差異影響，依賴于試樣的制備工藝與養(yǎng)護(hù)條件。

3.2 動(dòng)力加載條件下應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

泡沫混凝土材料與巖土類材料的動(dòng)力特性有許多不同之處。在土的動(dòng)力試驗(yàn)中，孔隙水壓力、抗液化能力等都是很重要的力學(xué)指標(biāo)[9]，而泡沫混凝土就不涉及到這些問題；在循環(huán)荷載作用下，泡沫混凝土的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變發(fā)展和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系都表現(xiàn)出自有的特征和變化規(guī)律。如前所述，由于試樣個(gè)體間的離散差異，側(cè)限條件對材料力學(xué)特性的影響并不能定量表述，在此不予討論。

圖2給出了循環(huán)荷載幅值為300，600，800 kPa和變幅加載時(shí)試樣的應(yīng)變時(shí)程曲線。

圖2 不同動(dòng)力荷載幅值下動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.2 Time-history curves of dynamic strain under dynamic loading of various amplitudes

從圖2可以看出如下規(guī)律。

(1) 動(dòng)力荷載幅值較小時(shí)，試樣變形將趨于穩(wěn)定。將300 kPa和600 kPa幅值條件下的應(yīng)力與應(yīng)變發(fā)展曲線分別繪于圖2(a)和圖2(b)，可以看到：在開始加荷階段，應(yīng)變的增加速度非常快；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)變累積速率逐漸減慢。這是因?yàn)榕菽炷猎趧?dòng)力加載過程中逐漸被壓密，對循環(huán)荷載能量的吸收越來越少。對泡沫混凝土而言，這種軸向應(yīng)變累積減慢的趨勢尤為明顯，這與其在低應(yīng)力水平下的彈性性狀有關(guān)(圖1(a))。

(2) 在所有動(dòng)力試驗(yàn)中，只有圖2(c)所示試樣最終破壞。實(shí)際上，此組試驗(yàn)應(yīng)力幅值最大(800 kPa)，已接近于該試樣的靜力抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)中觀察到，試樣在第1個(gè)加載周期后已出現(xiàn)明顯鼓凸變形，軸向應(yīng)變進(jìn)入塑性發(fā)展階段，在后續(xù)循環(huán)荷載的往復(fù)作用下，變形持續(xù)累積導(dǎo)致試樣最終破壞。可以確信，在動(dòng)力荷載作用下，只有當(dāng)循環(huán)荷載幅值足夠大以至于應(yīng)變發(fā)展進(jìn)入塑性區(qū)后，試樣才會(huì)破壞。此時(shí)，動(dòng)力荷載幅值約為材料抗壓強(qiáng)度的0.8～0.9倍[10]。

(3) 在低應(yīng)力變幅動(dòng)力加載條件下，試樣變形發(fā)展仍趨于穩(wěn)定，見圖2(d)。試樣應(yīng)變只在每個(gè)加載階段的初期迅速增長；當(dāng)加載到600 kPa時(shí)，與圖2(b)相比，試樣應(yīng)變略微偏小，這是因?yàn)榍?個(gè)階段的動(dòng)力預(yù)加載使材料孔隙變密，模量增大，造成后續(xù)加載時(shí)材料應(yīng)變累積速率減緩。

3.3 動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

進(jìn)一步地試樣,在不同循環(huán)荷載幅值下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。由于泡沫混凝土的內(nèi)部機(jī)械缺陷以及裂隙、孔隙、顆粒接觸面等微結(jié)構(gòu)特征，材料實(shí)際為非理想彈性體，因此其循環(huán)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變波形線在時(shí)間上并不完全對應(yīng)，兩者之間有一定的時(shí)間差，形成滯回圈[11]。在開始加荷時(shí)，應(yīng)變的增加速率非?？?，較低的應(yīng)力水平仍能使應(yīng)變能快速提高；隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，變形發(fā)展迅速減慢，滯回圈的面積逐漸減小，如圖3(b)所示。此外，還可以看到，當(dāng)循環(huán)荷載幅值較小時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將逐漸趨于穩(wěn)定(圖3中的(a)，(b)，(d))；而當(dāng)循環(huán)荷載幅值足夠大時(shí)，隨著應(yīng)變能的累積和變形的發(fā)展，試樣發(fā)生破壞(圖3(c))。

圖3 不同動(dòng)載幅值下動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Curves of dynamic stress vs. dynamic strain under dynamic loading of various amplitudes

圖4 泡沫混凝土動(dòng)應(yīng)力- 應(yīng)變骨干曲線Fig.4 Backbone curve of dynamic stress vs. dynamic strain of foam concrete

泡沫混凝土在不同幅值動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變骨干曲線如圖4所示。骨干曲線反映了動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展趨勢，體現(xiàn)材料在一定的動(dòng)應(yīng)力水平下動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律。骨干曲線與滯回曲線反映了材料在整個(gè)加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展特點(diǎn)。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值較大時(shí)，泡沫混凝土動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變骨干曲線基本呈線性關(guān)系，可以用一條通過原點(diǎn)的直線來擬合。這說明泡沫混凝土材料的動(dòng)彈性模量隨著動(dòng)應(yīng)變發(fā)展變化較小，這一特點(diǎn)與一般混凝土材料類似[12]。

3.4 動(dòng)載歷史對抗壓強(qiáng)度的影響

在實(shí)際工程中，絕大部分的工程材料都會(huì)承受動(dòng)力荷載，但這些材料并不一定都會(huì)發(fā)生動(dòng)力破壞，在某些情況下，動(dòng)載歷史引起的材料強(qiáng)度衰減更值得關(guān)注[13]。因此，為研究后動(dòng)力加載階段泡沫混凝土材料的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，本文對未破壞的動(dòng)力加載試樣進(jìn)行了單調(diào)再加載，探討動(dòng)載歷史對其抗壓強(qiáng)度的影響。

現(xiàn)將不同振次和不同動(dòng)力荷載幅值條件下后動(dòng)力加載試樣的峰值抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律示于圖5和圖6。從圖5中可以看到，當(dāng)動(dòng)力荷載幅值為300 kPa時(shí)，隨動(dòng)力荷載循環(huán)振次的增大，3組試樣的峰值抗壓強(qiáng)度比較接近，且沒有某種特定的變化趨勢；或者說，當(dāng)前期動(dòng)力荷載幅值較小時(shí)，動(dòng)力荷載振次的變化對泡沫混凝土材料抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。

圖5 不同振次條件下后動(dòng)力加載試樣抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strengths of samples with posterior dynamic loading under various cycles of loading

圖6 抗壓強(qiáng)度與先期動(dòng)力 荷載幅值的關(guān)系Fig.6 Curve of compressive strength vs. amplitude of advanced dynamic loading

另一方面，隨著動(dòng)力荷載幅值的增大，試樣的峰值抗壓強(qiáng)度則先增大后減小，如圖6所示。這種現(xiàn)象可以解釋為，當(dāng)荷載幅值較小時(shí)，動(dòng)力加載會(huì)使得泡沫混凝土材料變密，抗壓強(qiáng)度提高；而較大幅值的動(dòng)力加載歷史又會(huì)破壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。這說明劇烈的前期動(dòng)載作用將對泡沫混凝土材料的抗壓強(qiáng)度和承載能力造成不利影響，在實(shí)際工程中應(yīng)加以考慮。值得注意的是，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，再考慮到試樣個(gè)體的離散性，前期動(dòng)載對泡沫混凝土材料抗壓強(qiáng)度的影響并不能定量表示，這有待于對不同制備工藝和不同工況下的泡沫混凝土材料進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文通過一系列室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了泡沫混凝土材料的靜、動(dòng)力特性以及動(dòng)載歷史對其抗壓強(qiáng)度的影響，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 靜壓荷載作用下，泡沫混凝土一開始表現(xiàn)出彈性特征；隨著軸向壓力的持續(xù)施加，材料逐漸產(chǎn)生裂縫，進(jìn)入塑性變形階段。通過多組平行試驗(yàn)，確定側(cè)限條件下材料的靜力抗壓強(qiáng)度約為1 040 kPa。

(2) 動(dòng)力荷載幅值較小時(shí)，泡沫混凝土變形將逐漸趨于穩(wěn)定，這與低應(yīng)力水平下材料的彈性特性有關(guān)；當(dāng)循環(huán)荷載幅值足夠大以至于應(yīng)變發(fā)展進(jìn)入塑性區(qū)后，材料將發(fā)生動(dòng)力破壞，此時(shí)，動(dòng)力荷載幅值約為其抗壓強(qiáng)度的0.8～0.9倍。

(3) 泡沫混凝土材料是非理想彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變滯回圈將隨動(dòng)力荷載循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小；另一方面，泡沫混凝土的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變骨干曲線呈線性關(guān)系，材料的動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)變增長變化較小。

(4) 對經(jīng)動(dòng)力加載的試樣進(jìn)行了單調(diào)再加載，測定其靜力抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明：動(dòng)力荷載振次的變化對泡沫混凝土材料的靜力抗壓強(qiáng)度影響不明顯；而隨著動(dòng)力荷載幅值的增大，材料的靜力抗壓強(qiáng)度總體上表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

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(編輯：姜小蘭)

Experimental Study on Static and Dynamic Propertiesof Foam Concrete

MU Xin1, CHEN Hong-xiang2,CHEN Xi-kun3

(1.Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei 230000,China;2.Development and Construction Company of Cicheng Ancient Town, Ningbo 315031,China;3.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098,China)

As a material of light weight and high strength, foam concrete is usually used in road engineering at coastal region subjected to different static and dynamic actions such as deadweight, wave force, and transportation loading. Static and dynamic triaxial tests were conducted to investigate the deformation and strength of foam concrete, and the influence of dynamic loading history on material strength was also discussed. Results indicate that under static loading, the deformation of foam concrete showed elastic tendency followed by plastic tendency subsequently, with the static compressive strength about 1 040 kPa; under small dynamic loading, deformation of foam concrete gradually became stable and dynamic elastic modulus changed slightly with the increase of strain; dynamic failure of foam concrete would be triggered if the dynamic loading amplitude was large. In addition, static compressive strength increased first and then decreased with the increasing amplitude of advanced dynamic loading. The results revealed the mechanical mechanism of foam concrete under static and dynamic loadings, which can be taken as reference for similar projects.

foam concrete; triaxial test; mechanical characteristics; history of dynamic loading; loading amplitude

2015-12-22；

2016-01-26

慕 欣(1976-)，女，安徽合肥人,副教授，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程的理論與應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作，(電話)13956901203(電子信箱)muxin_youxiang@163.com。

10.11988/ckyyb.20151094

2017,34(3):126-129

TU528.01

A

1001-5485(2017)03-0126-04