不同密度等級(jí)泡沫混凝土的單軸壓縮破壞特征

李升濤，陳徐東，張錦華，董 文

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.96901部隊(duì)，北京 100089）

泡沫混凝土是一種輕質(zhì)混凝土，具有強(qiáng)度密度可調(diào)整、耐火吸聲、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在軟基處理、道路加寬、橋臺(tái)臺(tái)背填土、隧道洞口和埋管的填土等方面應(yīng)用廣泛［1-2］.泡沫混凝土的突出特點(diǎn)為內(nèi)部的泡沫孔，這使得混凝土輕質(zhì)化和保溫隔熱化，但同時(shí)其力學(xué)性能也受到了影響.其中，壓縮特性是泡沫混凝土的主要力學(xué)性能之一，與普通混凝土有較大的差異，需要重點(diǎn)研究.

目前，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)泡沫混凝土單軸壓縮下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，主要集中在孔隙率、孔形狀、密度、抗壓強(qiáng)度等之間的關(guān)系.Nambiar等［3］研究發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與密度受孔體積、孔徑和孔間距的影響，其內(nèi)部孔徑分布越均勻，強(qiáng)度越高.另一方面，對(duì)于多孔材料，密度對(duì)力學(xué)性能的影響非常明顯：侯明昱等［4］發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土的孔隙率隨著其干密度的增大而減??；張亞梅等［5］的研究表明，隨著泡沫混凝土密度等級(jí)的增加，其流動(dòng)度先增大后減小，在密度為600 kg/m3時(shí)達(dá)到最大值；李廣良等［6］的研究結(jié)果顯示，泡沫混凝土的吸水率隨著密度的增大逐漸降低.但是，現(xiàn)有研究主要集中在基本力學(xué)性能和孔結(jié)構(gòu)等方面［7-8］，對(duì)不同密度泡沫混凝土的開(kāi)裂破壞過(guò)程研究還很少，損傷破壞機(jī)制尚不明確.要實(shí)現(xiàn)材料的合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用，僅從強(qiáng)度角度來(lái)考慮其力學(xué)性能是不充分的，必須進(jìn)一步了解其變形失效機(jī)理.而如何觀測(cè)泡沫混凝土的壓縮損傷過(guò)程，測(cè)量多點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象是目前應(yīng)著重解決的問(wèn)題.

數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）是一種新型的觀測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)試件破壞的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)［9］.聲發(fā)射（AE）可以通過(guò)獲取試件破壞過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械波來(lái)探測(cè)試件內(nèi)部的損傷開(kāi)裂［10］.Dai等［11］利用DIC和AE技術(shù)對(duì)普通混凝土梁的斷裂過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)AE事件的位置變化與DIC對(duì)裂縫的觀測(cè)結(jié)果是一致的.De Sutter等［12］利用AE觀測(cè)了不同破壞模式下聲發(fā)射參數(shù)的變化，并利用DIC技術(shù)得到的應(yīng)變場(chǎng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.然而，目前對(duì)泡沫混凝土破壞過(guò)程進(jìn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)的研究仍然較少.

本文結(jié)合DIC和AE技術(shù)，分析了泡沫混凝土的力學(xué)性能、應(yīng)變場(chǎng)及聲發(fā)射參數(shù)，研究了單軸壓縮下的裂縫萌生擴(kuò)展以及破壞演變過(guò)程.研究結(jié)果有助于進(jìn)一步了解泡沫混凝土的變形性能和力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，從而為泡沫混凝土的性能評(píng)估與數(shù)值建模提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

發(fā)泡劑為產(chǎn)自威海中盛新型建材有限公司的高分子復(fù)合發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)1∶40；水泥為P·O 42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；水為自來(lái)水.泡沫混凝土的配合比如表1所示，其中ρ為濕密度.試驗(yàn)選用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，以測(cè)定泡沫混凝土的基本力學(xué)特性.

表1 泡沫混凝土的配合比Table 1 Mix pr oportions of foam concr etes

1.2 試驗(yàn)方案

采用MTS 322型閉環(huán)伺服控制試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)（見(jiàn)圖1（a）），準(zhǔn)靜態(tài)加載位移控制速率為0.01 mm/s（L1）.為研究加載速率的影響，再選取2組加載速率（L2＝0.01 mm/s，L3＝0.10 mm/s）.采用美國(guó)Correlated Solutions公司VIC-3D系統(tǒng)觀察試件表面的變形，具體流程如圖1（b）所示.其中散斑直徑約為0.5 mm，對(duì)應(yīng)大小約為7個(gè)像素.將2個(gè)分辨率為2 048×2 048的工業(yè)相機(jī)用三腳架固定，然后進(jìn)行圖像采集和相機(jī)標(biāo)定.另外，采用美國(guó)聲學(xué)物理公司SAMOSTM16通道聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)采集混凝土損傷破壞的聲發(fā)射信號(hào).為排除外界的噪聲干擾，按照聲發(fā)射使用手冊(cè)和預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定35 dB為聲發(fā)射門檻值，以保證試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的有效性.

圖1 單軸壓縮試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of uniaxial compression testing system

2 結(jié)果與分析

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

圖2為泡沫混凝土試件壓縮荷載與壓縮變形的關(guān)系曲線，每種工況給出了2條典型的曲線，分別用“1”，“2”表示.由圖2可見(jiàn)：（1）泡沫混凝土的壓縮響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的階段性，其初期加載行為與普通混凝土明顯不同.加載曲線OA段的切線模量存在逐漸增大的過(guò)程，表明在起始的接觸過(guò)程中存在一個(gè)初步密實(shí)階段；AB段為彈性階段，材料內(nèi)部主要靠胞壁的彎曲等彈性變形方式來(lái)承擔(dān)荷載；BC段為屈服階段，應(yīng)力集中發(fā)生在試件的薄弱胞壁，荷載和變形開(kāi)始出現(xiàn)非線性特征；在達(dá)到峰值荷載（Pmax）后，承載力會(huì)產(chǎn)生突然跌落并在C點(diǎn)后進(jìn)入平臺(tái)段，這是微裂紋和宏觀裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致發(fā)生的局部失穩(wěn).試件在之后階段的變形能力大大增強(qiáng)，其承載力穩(wěn)定在一個(gè)較高的荷載水平（75%Pmax～80%Pmax）.泡沫混凝土內(nèi)部具有特殊的多孔結(jié)構(gòu)，在受壓過(guò)程中微小孔隙結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致孔隙閉合，試件產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮變形，消除了局部失穩(wěn).在剩余剪切帶中的基質(zhì)發(fā)生摩擦和互鎖，使得承載力仍然存在，從而使得泡沫混凝土具有很好的變形性能和緩沖性能.

圖2 泡沫混凝土的荷載-位移關(guān)系曲線Fig.2 Load-displacement curves of foam concretes

（2）試件的承載力隨著密度的增大而增大，這主要是由于密度等級(jí)較高的泡沫混凝土內(nèi)部的氣孔胞壁更加厚實(shí)，氣孔分布也更加均勻，材料的整體屈服應(yīng)力提高.密度為500～600 kg/m3的泡沫混凝土性能提升并不明顯，這可能是氣孔尺寸和分布的離散性導(dǎo)致的.張亞梅等［5］對(duì)不同密度泡沫混凝土進(jìn)行CT掃描后發(fā)現(xiàn)，密度在600 kg/m3以下的泡沫混凝土邊界氣泡尺寸明顯大于密度等級(jí)高的混凝土，其內(nèi)部氣泡尺寸和分布的離散性也較大.但是，密度的增大也使泡沫混凝土具有更大的脆性.隨著密度的增大，泡沫混凝土的加載屈服段不斷減小，同時(shí)峰后的下降段更加陡峭.根據(jù)Hillerborg［13］提出的壓縮損傷區(qū)（CDZ）模型，這也與材料較高的抗壓強(qiáng)度有關(guān).文獻(xiàn)［14-15］也存在類似的結(jié)果，即增加抗壓強(qiáng)度增大了材料的脆性.

（3）當(dāng)泡沫混凝土的密度較低時(shí)，加載速率對(duì)承載力曲線和峰值荷載的影響不大，各加載曲線大致相近.當(dāng)泡沫混凝土的密度較高時(shí)，其壓縮性能對(duì)加載速率的敏感度更高，產(chǎn)生了明顯的速率效應(yīng)，加載速率的提升會(huì)增大試件的承載力.當(dāng)加載速率低至0.001 mm/s時(shí)，泡沫混凝土的加載曲線呈現(xiàn)出很明顯的延性破壞特征，峰值應(yīng)變大大增加，峰后曲線平緩下降.

圖3為不同密度泡沫混凝土的破壞斷面.由圖3可見(jiàn)：試件S5的破壞斷面存在大量的大孔徑孔隙，這些是應(yīng)力集中以及發(fā)生壓縮密實(shí)的主要區(qū)域；試件S6產(chǎn)生了一些斜裂縫，外表面部分剝落；試件S7破壞后裂紋幾乎貫穿整個(gè)界面，內(nèi)部的失效面呈現(xiàn)夾角，失效形態(tài)呈現(xiàn)“錐形模式”.這表明隨著密度的增大，泡沫混凝土在單軸壓縮條件下的宏觀失效過(guò)程主要表現(xiàn)為受剪損傷.

圖3 不同密度泡沫混凝土的單軸壓縮破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of foam concretes with different density under uniaxial compression

作為一種多孔材料，泡沫混凝土具有很強(qiáng)的能量吸收能力，其在壓縮過(guò)程中的能量吸收量W可以通過(guò)名義應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線所包圍的面積計(jì)算得到：

式中：σ(ε)為某時(shí)刻的名義應(yīng)力值，MPa；ε為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變.

材料在壓縮過(guò)程中的能量吸收效率η可定義為應(yīng)變達(dá)到某一值時(shí)所吸收的能量與相應(yīng)名義應(yīng)力的比值，其表達(dá)式如下：

已有的研究表明［16-17］，通過(guò)平臺(tái)應(yīng)力、壓縮過(guò)程中能量吸收量W、能量吸收效率η等力學(xué)參數(shù)，可以有效地評(píng)價(jià)多孔材料的能量吸收特性.圖4為加載過(guò)程中不同密度泡沫混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線及能量吸收參數(shù)的變化情況.由圖4可見(jiàn)：平臺(tái)階段內(nèi)的平均應(yīng)力是多孔材料能量吸收的重要影響參數(shù)，密度最大的泡沫混凝土的平臺(tái)應(yīng)力、總能量吸收量最大；密度為500、600kg/m3泡沫混凝土的總能量吸收量接近；低密度泡沫混凝土的能量吸收效率更高，孔隙含量更大.

圖4 不同密度泡沫混凝土的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相應(yīng)能量吸收曲線Fig.4 Normal stress-strain curves and corresponding energy absorption performance of foam concretes with different density

2.2 基于DIC的破壞過(guò)程研究

DIC技術(shù)是一種簡(jiǎn)單且通用的方法，只需使用攝像機(jī)即可輕松地執(zhí)行全場(chǎng)應(yīng)變分析.表2為不同密度泡沫混凝土試件的加載曲線以及破壞后的表面形態(tài)，并選取了加載曲線上的關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)DIC獲得的橫向應(yīng)變場(chǎng)（εxx）分析整個(gè)的壓縮失效過(guò)程.由表2可見(jiàn)：（1）試件S5在非線性行為開(kāi)始時(shí)，即大約極限載荷的80%～90%附近，應(yīng)變局部化區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)，此時(shí)在試件右下角出現(xiàn)了1道應(yīng)變集中區(qū)域；峰值時(shí)刻試件中部裂縫形成，之后在承載力突然跌落的過(guò)程中，裂縫快速增長(zhǎng)，表明試件內(nèi)部出現(xiàn)了局部失穩(wěn)；隨后在試件其他區(qū)域出現(xiàn)了多條豎向裂縫，這些宏觀裂縫之間有一定聯(lián)系，間距大概在10～20 mm.

表2 不同密度泡沫混凝土的單軸壓縮應(yīng)變?cè)茍D演化Table 2 Strain evolutions of foam concretes under compression with different density

（2）試件S6和S7中也出現(xiàn)了裂縫快速增長(zhǎng)的現(xiàn)象，但是試件表面的裂縫逐漸由多裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閱我涣芽p，裂縫發(fā)展的方向由垂直型裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜發(fā)展的剪切型裂縫，這種彎曲的斜裂縫在試件S7中尤為明顯.這樣的結(jié)果說(shuō)明，隨著密度的增大，試件的破壞模式表現(xiàn)出脆性的增加，原有的通過(guò)緩慢擴(kuò)張形成的分散型裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)橥蝗患挟a(chǎn)生的貫穿型裂縫.由此可見(jiàn)，低密度泡沫混凝土主要的破壞形式是延性破壞，主要由材料內(nèi)部水泥基體中大量存在的微孔結(jié)構(gòu)引起；密度較高的泡沫混凝土主要表現(xiàn)出準(zhǔn)脆性破壞特征，主要由宏觀縱向裂縫引起.

2.3 基于AE的破壞過(guò)程研究

聲發(fā)射信號(hào)是材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫時(shí)局部能量快速釋放而形成的彈性波，能夠反映材料內(nèi)部的損傷.相比DIC反映的是直觀但是偏表層的裂縫發(fā)展，AE能夠得到材料整體的損傷信號(hào).AE累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線可以表征AE信號(hào)源整體的活躍度.累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增長(zhǎng)越快，表明信號(hào)活躍度越高，損傷發(fā)展速率越快.AE幅值可以表征局部損傷的劇烈程度，當(dāng)某處損傷越劇烈時(shí)，所產(chǎn)生的AE幅值越高.試件破壞過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)與荷載歷程的關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可見(jiàn)：

圖5 不同密度泡沫混凝土的聲發(fā)射參數(shù)與荷載歷程關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of AE parameters and load histories of foam concrete with different density

（1）加載過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)存在明顯的階段性.試件S5在線彈性加載階段的聲發(fā)射信號(hào)較弱；在加載進(jìn)入峰值階段時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)，振鈴計(jì)數(shù)值在該階段迅速增長(zhǎng)；在峰后平臺(tái)段，聲發(fā)射信號(hào)減弱.這些現(xiàn)象與DIC觀察到的裂縫擴(kuò)展模式相一致：在加載初期，DIC應(yīng)變?cè)茍D中無(wú)明顯的應(yīng)變集中區(qū)域，此時(shí)試件沒(méi)有出現(xiàn)劇烈聲發(fā)射信號(hào)釋放；當(dāng)加載至峰值時(shí)，云圖顯示裂縫出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展現(xiàn)象，在此階段產(chǎn)生強(qiáng)聲發(fā)射信號(hào)；當(dāng)試件進(jìn)入峰后的壓縮密實(shí)階段時(shí)，此時(shí)主要為孔隙的閉合與基質(zhì)之間的接觸摩擦，DIC云圖顯示裂縫為穩(wěn)定擴(kuò)展或長(zhǎng)度停止增長(zhǎng)，聲發(fā)射信號(hào)減弱.

（2）隨著泡沫混凝土密度的增大，不同階段的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生明顯變化：試件S6的加載初期開(kāi)始出現(xiàn)少量強(qiáng)度較高的信號(hào)，試件S7在加載初期呈現(xiàn)大量的高強(qiáng)度信號(hào)，且振鈴計(jì)數(shù)值在該階段突增.這是由于在線彈性階段，材料通過(guò)胞壁彎曲等彈性變形方式承擔(dān)荷載.當(dāng)密度增大時(shí)，由于材料的非均質(zhì)性，局部應(yīng)力集中效應(yīng)增強(qiáng)，試件內(nèi)部容易產(chǎn)生更劇烈的開(kāi)裂行為.此外，峰值時(shí)刻聲發(fā)射信號(hào)的變化也反映出這樣的特征.隨著密度的增大，峰值階段聲發(fā)射信號(hào)的突增現(xiàn)象更加明顯，且突增位置更加集中，振鈴計(jì)數(shù)的突增由多次變?yōu)閱未?，在其他試件中也觀察到了類似的現(xiàn)象，這反映出材料破壞模式的改變.

3 結(jié)論

（1）隨著密度的增大，泡沫混凝土的屈服強(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)力、能量吸收均有明顯的提高.

（2）隨著密度的增大，泡沫混凝土試件破壞時(shí)的裂縫數(shù)量減少，裂縫傾斜角度增大，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)突增現(xiàn)象更加集中，破壞模式呈現(xiàn)出脆性增加的特性.

（3）泡沫混凝土密度增大之后，速率效應(yīng)更加明顯.對(duì)于密度為500 kg/m3的泡沫混凝土，加載速率提升對(duì)其抗壓承載力并無(wú)太大影響；對(duì)于密度為750 kg/m3的泡沫混凝土，加載速率提升后其抗壓強(qiáng)度明顯上升，破壞模式由延性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?

（4）DIC技術(shù)能夠?qū)ε菽炷猎嚰茐倪^(guò)程中的微裂紋演化分析提供有效手段.同時(shí)AE和DIC的結(jié)果能夠互相補(bǔ)充，2種技術(shù)的結(jié)合有助于表征泡沫混凝土中微裂縫的演變規(guī)律.