單軸壓縮下泡沫混凝土的強(qiáng)度特性研究

殷成勝　殷如陽

摘要：以水泥、粉煤灰、礦渣為膠凝材料，制備出不同氣泡含量的泡沫混凝土。通過室內(nèi)試驗，對不同氣泡率下（0～74.23%）的泡沫混凝土進(jìn)行單軸壓縮破壞試驗，得到其不同齡期下的抗壓強(qiáng)度和破壞形態(tài)，研究了泡沫混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，探討了抗壓強(qiáng)度與齡期和氣泡率之間的關(guān)系。結(jié)果表明：泡沫混凝土在單軸壓縮下經(jīng)過密實、彈性、屈服、破壞4個階段；其抗壓強(qiáng)度隨泡沫含量的增大而減小，在一定范圍內(nèi)隨著齡期的增大而增大。

關(guān)鍵詞：泡沫混凝土；單軸壓縮；強(qiáng)度特性；應(yīng)力應(yīng)變曲線

中圖分類號：U416.216文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Foam concrete with different content of foam was prepared with cement， fly ash and slag as binding materials. The uniaxial compression tests on foam concrete under different rates of foam （074.23%） were conducted， and the compressive strength and failure morphology at different curing ages were obtained. The stressstrain curves of foam concrete were studied， and the relationship between the compressive strength and curing age and rate of foam was discussed. The results indicate that there are four stages of foam concrete under uniaxial compression， namely the densification stage， elastic stage， yield stage and failure stage； the higher content of foam， the lower the compressive strength； in a certain range， the compressive strength increases with curing age.

Key words： foam concrete； uniaxial compression； strength characteristic； stressstrain curve

0引言

泡沫混凝土是通過發(fā)泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿攪拌均勻后制成泡沫料漿，然后成型或者現(xiàn)澆，是經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)建筑材料。由于泡沫混凝土含有大量的封閉孔隙，且具有輕質(zhì)、低碳環(huán)保、保溫隔熱性能好、易于加工等特點，因此在世界建筑節(jié)能領(lǐng)域和土木工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。為保證泡沫混凝土的安全性和耐久性，研究泡沫混凝土的力學(xué)性能具有重大的工程意義。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對泡沫混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的試驗研究，并獲得了許多成果。周順鄂等[12]對不同泡沫混凝土進(jìn)行了單軸壓縮試驗，提出了泡沫混凝土的壓縮過程可分為4個階段——平臺階段、密實階段、屈服階段和衰退階段，其壓縮力學(xué)性能受到容重、基本材料和氣孔形態(tài)及分布等因素的影響。方永浩等[34]研究了水泥粉煤灰泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提出了二者之間的關(guān)系表達(dá)式。陳兵等[56]對生土泡沫混凝土進(jìn)行了試驗研究，指出生土泡沫混凝土的干表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)隨著泡沫摻量的增加而減??；隨微硅粉摻量的增大，生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和保溫隔熱性能得到顯著改善。尚帥旗等[78]對泡沫混凝土的單軸抗壓力學(xué)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在單軸壓縮下泡沫混凝土的峰值應(yīng)力隨齡期的增加而增大，密度大的峰值應(yīng)力增長速率高，尤其在低齡期時最為明顯，但泡沫混凝土隨著齡期的增加，其峰值應(yīng)力增長速率是降低的。Mydi等對高溫環(huán)境下泡沫混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，指出泡沫混凝土的剛度損失主要發(fā)生在溫度高于90 ℃之后，在高溫狀態(tài)下水分被蒸發(fā)，微裂縫產(chǎn)生并引起材料剛度退化。Hilal等通過觀察泡沫混凝土中氣泡的大小和形狀，研究了不同添加劑對泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響，并指出，對于一個給定的密度，通過加入添加劑可以減小孔隙大小，實現(xiàn)強(qiáng)度增加。Amran等系統(tǒng)總結(jié)了目前泡沫混凝土的組成成分、制造技術(shù)、基本特性以及在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀。Guo等通過數(shù)值模擬研究了不同溫度和不同應(yīng)變率條件下泡沫混凝土的力學(xué)性能，并指出單軸壓縮下其力學(xué)性能和破壞形態(tài)主要受泡沫混凝土干密度和所處環(huán)境溫度大小的影響，而受應(yīng)變速率變化的影響較小。然而，上述學(xué)者并沒有在泡沫混凝土受單軸壓縮的情況下，對其應(yīng)力應(yīng)變曲線特征以及破壞形態(tài)做深入分析。

本文通過對不同氣泡含量的泡沫混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗，研究不同氣泡率、不同齡期的泡沫混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，及其抗壓強(qiáng)度與齡期、氣泡率之間的關(guān)系，從而揭示泡沫混凝土的力學(xué)特性以及變形破壞規(guī)律，為以后的工程實踐提供相關(guān)參考。

1試驗方法

1.1試驗材料與裝置

所用的試驗材料主要有水泥、粉煤灰、礦粉、發(fā)泡劑和水，其中水泥為上海海螺水泥有限公司生產(chǎn)的42.5#普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強(qiáng)度為567 MPa；粉煤灰為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級粉煤灰；礦渣由上海寶鋼公司提供，它們的化學(xué)成分見表1。發(fā)泡劑的主要成分為植物類蛋白，按照質(zhì)量比1∶50用水稀釋后加入到水泥發(fā)泡一體機(jī)中（圖1），發(fā)泡后得到試驗用泡沫（圖2）。泡沫混凝土的單軸壓縮試驗在液壓伺服試驗機(jī)（圖3）上進(jìn)行，最大荷載為300 kN。

1.2試驗過程與方法

本試驗采用水泥發(fā)泡一體機(jī)進(jìn)行泡沫混凝土的制備，通過控制發(fā)泡時間得到不同氣泡含量的泡沫混凝土。具體制備工藝如下：為保證發(fā)泡時間充分，泡沫大小基本均勻一致，每次試驗前首先稱取0.2 kg的發(fā)泡劑，與水按照質(zhì)量比1∶50稀釋均勻后加入發(fā)泡裝置。水泥、粉煤灰、礦渣按照質(zhì)量比16∶3∶1稱取，將其干拌均勻后按照水膠比043加適當(dāng)水到水泥發(fā)泡一體機(jī)中攪拌均勻，攪拌3 min后制備泡沫，并待其發(fā)泡穩(wěn)定后加入到水泥漿中，當(dāng)泡沫與水泥漿混合均勻后開始澆注試模。試件成型后置于自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)，24 h后拆模并自然養(yǎng)護(hù)28 d。分別對7、14、28 d齡期的泡沫混凝土做單軸壓縮試驗。泡沫混凝土試樣為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，試驗加載通過位移控制，加載速率為1 mm·min-1，加載過程中計算機(jī)自動采集軸向荷載和軸向位移。不同氣泡含量的泡沫混凝土分別取6個試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，并從試驗結(jié)果中選取較好的3條應(yīng)力應(yīng)變變化曲線作為研究對象。

2試驗結(jié)果分析與討論

2.1試樣制備規(guī)律

在制備試樣過程中，通過控制發(fā)泡時間改變試樣的氣泡含量，氣泡率和氣泡體積按照以下公式計算

圖5為試樣拆模密度與氣泡率之間的關(guān)系，從圖中可以看出，泡沫混凝土密度與氣泡率呈線性關(guān)系，拆模密度隨氣泡率增大而呈線性減小[910]。這說明在制備試樣的過程中，攪拌時的泡沫破損較少，與水泥漿混合均勻。

2.2泡沫混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本特征

由泡沫混凝土單軸壓縮試驗，得到了不同齡期下、不同氣泡含量的泡沫混凝土力學(xué)性能參量。需說明的是，由于試驗設(shè)備條件的限制，僅獲得不添加任何氣泡的混凝土單軸壓縮情況下的抗壓強(qiáng)度，未獲得應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。

氣泡率Va=25.27%的泡沫混凝土不同齡期時單軸壓縮試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6可以明顯看出，泡沫混凝土的屈服應(yīng)變隨齡期增長而變大，且不同齡期下其應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律都大致相同，基本上經(jīng)歷了4個階段以下，以28 d為例進(jìn)行說明。

（1）密實階段（OA段）。此時試樣內(nèi)部的微孔隙和裂隙等初始缺陷在載荷作用下開始閉合，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而緩慢增加。

（2）彈性階段（AB段）。這一階段泡沫混凝土試樣的變形由密實階段的瞬時壓縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)樵嚇觾?nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)的彈性變形，此時試樣的應(yīng)力與應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，其斜率就是彈性模量。

（3）屈服階段（BC段）。當(dāng)應(yīng)力超過B點后，隨著荷載的不斷增大，泡沫混凝土內(nèi)部顆粒之間出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)動和錯動，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形主要以塑性變形為主，這時候應(yīng)變增量較大，而應(yīng)力增量卻相對較小[1112]。

（4）破壞階段（CD段）。當(dāng)泡沫混凝土試樣應(yīng)力達(dá)到峰值后開始發(fā)生破壞，應(yīng)力減小，試樣破壞。

圖7反應(yīng)的是不同氣泡率泡沫混凝土試樣在28 d齡期情況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著氣泡含量的增大，試樣的抗壓強(qiáng)度和屈服應(yīng)變隨之減小，且彈性階段的切線斜率（即彈性模量）也隨之減小[1315]。

2.3抗壓強(qiáng)度

圖8不同氣泡率下泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系

抗壓強(qiáng)度指的是試樣抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。圖8為不同氣泡率下泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系。從圖8可以明顯看出，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期增大不斷增大，隨泡沫含量增大而不斷減小。

對比試驗數(shù)據(jù)可知，齡期由7 d到14 d，氣泡率分別為0、1837%、2527%、6395%、6781%、7423%時，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度平均值分別由287、128、77、073、065、045 MPa增大到349、1548、1045、11、085、049 MPa，增長率分別為216%、209%、359%、448%、3505%、92%；而14 d至28 d時，其增長率分別為273%、10%、295%、344%、462%、212%，可見氣泡含量不同，強(qiáng)度增長率也有較大差異。齡期由7 d到14 d，強(qiáng)度增長幅度較大，而14 d到28 d，增長幅度較小。分析其原因，主要是由于水泥膠凝材料在一定的溫度、濕度條件下隨時間的增長發(fā)生了不斷水化的過程。

一般來說，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度主要與泡沫含量、水灰比、養(yǎng)護(hù)時間和環(huán)境、骨料的類型和級配、發(fā)泡劑的種類、填充材料的類型等因素有關(guān)[1618]。其中氣泡體積是影響泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素，例如干密度為1 800 kg·m-3和280 kg·m-3的試樣，其28 d齡期下抗壓強(qiáng)度分別為43 MPa和06 MPa。

對于不同齡期的試樣，試驗數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度R2均達(dá)到0.98以上，說明試驗結(jié)果與擬合曲線具有很好的一致性。由此可見，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與氣泡率之間的關(guān)系可表示為

fc=Khe-kVa（8）

式中：fc為抗壓強(qiáng)度；Kh為不添加任何氣泡時混凝土的抗壓強(qiáng)度；k為擬合系數(shù)。

2.4破壞形態(tài)

圖10為4種不同氣泡率的泡沫混凝土試樣28 d齡期單軸壓縮試驗下的破壞形態(tài)。泡沫混凝土的破壞本質(zhì)上是試樣在受力過程中內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫并擴(kuò)展和貫通的結(jié)果，但是不同氣泡率下泡沫混凝土的破壞形態(tài)有所差異并存在以下的規(guī)律性。

（1）對于氣泡率較大的泡沫混凝土試樣，其破壞形式是：先從試樣頂部或底部形成豎向的微裂縫，隨著荷載增加，裂縫不斷擴(kuò)展并在中部形成較寬裂縫（圖10（a）、（b））。

（2）對于氣泡率較小的泡沫混凝土，其破壞形式也是先從試樣頂部或底部形成微小的豎向裂縫，但是隨著荷載增大，裂縫急劇延伸并擴(kuò)展，最終形成貫通裂縫，表現(xiàn)出與普通混凝土破壞形態(tài)基本相同的特征（圖10（c）、（d））。

3結(jié)語

（1）在制備泡沫混凝土試樣的過程中，得到了發(fā)泡體積與發(fā)泡時間之間、試樣拆模密度與氣泡率之間的關(guān)系表達(dá)式。

（2）泡沫混凝土在壓縮過程中經(jīng)歷了密實、彈性變形、屈服變形、破壞4個階段，且在破壞之后又經(jīng)歷了二次密實的過程。

（3）泡沫混凝土的強(qiáng)度隨泡沫含量的增加呈指數(shù)減小，在一定齡期范圍內(nèi)，強(qiáng)度和屈服應(yīng)變隨齡期的增大而增大。

（4）泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與氣泡率之間呈指數(shù)關(guān)系，可表示為fc=Khe-kVa。

（5）泡沫混凝土的破壞形態(tài)與氣泡率有關(guān)，都是先在試樣頂部或底部形成微裂縫；但對于氣泡率大的試樣，其破壞形態(tài)是最終在中部形成較寬裂縫；而對于氣泡率小的試樣，其破壞形態(tài)是形成上下貫通的斜裂縫，表現(xiàn)出與普通混凝土類似的破壞特征。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]