不同含水率蒸壓輕質(zhì)混凝土拉壓性能試驗(yàn)研究

馬芹永，趙慧敏，袁 璞，王靜峰，王 波，沈萬玉

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；4. 安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 238076)

裝配式建筑的推廣與新型節(jié)能墻板的應(yīng)用是我國(guó)新型建筑工業(yè)化發(fā)展的必由之路，對(duì)裝配式新型自保溫墻板的研究勢(shì)在必行。蒸壓輕質(zhì)混凝土是以硅質(zhì)和鈣質(zhì)材料經(jīng)高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)等工藝而成的輕質(zhì)多孔混凝土[1-2]，有些企業(yè)因地制宜，利用當(dāng)?shù)卮罅康氖淖鳛橹苽湔魤狠p質(zhì)混凝土的硅質(zhì)材料[3]。蒸壓輕質(zhì)混凝土砌塊不僅質(zhì)輕，保溫隔熱效果好，有著良好的抗震性能，還能消耗大量的工業(yè)固廢[4]，是一種可做墻體材料及屋面板的多功能用途建筑材料。

目前針對(duì)蒸壓輕質(zhì)混凝土材料的研究大多數(shù)為材料的物理力學(xué)性能及其改性。 文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)多孔混凝土的強(qiáng)度和彈性模量普遍小于其他普通混凝土， 但是峰值應(yīng)變卻隨之增大。 文獻(xiàn)[6]研究了加載速率以及材料密度對(duì)蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的影響。 文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)沙漠砂加氣混凝土抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量隨凍融次數(shù)的增加而降低， 且強(qiáng)度的損失率高于質(zhì)量損失率。 文獻(xiàn)[8]使用鐵尾礦代替硅砂作為硅質(zhì)材料制備蒸壓加氣混凝土， 探究對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響。 文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)高鈣煤矸石的摻入，使蒸壓加氣混凝土的容重和抗壓強(qiáng)度均有所加強(qiáng)；蒸壓輕質(zhì)混凝土中，孔壁之間的連接力會(huì)受到水分的影響，當(dāng)含水率較大時(shí)，由于孔隙水壓力的作用，孔壁間連接力減弱，氣孔結(jié)構(gòu)容易被破壞，從而縮短材料的使用壽命，但有關(guān)含水率對(duì)蒸壓輕質(zhì)混凝土拉壓性能的影響缺乏試驗(yàn)和理論依據(jù)的研究。

本文通過蒸壓輕質(zhì)混凝土的拉壓試驗(yàn)分析了含水率對(duì)其拉壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及能量吸收的影響，以期為蒸壓輕質(zhì)混凝土在工程實(shí)際中的應(yīng)用中提供理論參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所采用的是蒸壓輕質(zhì)混凝土砌塊來自安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司，參照蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法[10]制備100mm×100mm×100mm的立方體試樣，切割好的試樣用砂紙對(duì)其表面進(jìn)行打磨，保證其平整和光潔度。設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)試樣含水率w分別為0、5%、15%、30%、50%，根據(jù)需要共選取5組試樣，一組6塊，取3塊做劈裂抗拉試驗(yàn)，其余3塊用作單軸壓縮試驗(yàn)。制成的部分試樣如圖1所示。

圖1 蒸壓輕質(zhì)混凝土立方體試樣

1.2 試驗(yàn)方法

為獲取不同含水率的蒸壓輕質(zhì)混凝土，首先將切好的立方體放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行加熱烘干，直到質(zhì)量穩(wěn)定，視為干燥狀態(tài)。記錄試件干燥冷卻后的質(zhì)量。然后將試件放入水箱浸泡，再放入干燥箱中，烘至一定的時(shí)間使試樣達(dá)到所要求的含水率。處理好的試塊使用萬能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)蒸壓輕質(zhì)混凝土性能試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)試樣進(jìn)行劈裂和單軸壓縮試驗(yàn)。

2 拉壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同含水率劈裂荷載-位移曲線

如圖2所示，劈裂荷載-位移曲線在加載前期沒有初步密實(shí)的階段，直接進(jìn)入彈性階段；當(dāng)加載到臨近峰值荷載時(shí)，在試件中間出現(xiàn)一道從上到下貫通的豎向微裂縫，加載到峰值后，裂縫沿豎向擴(kuò)展，荷載呈斷崖式急劇下降，試件隨即劈裂破壞。由圖2可知，當(dāng)含水率為0%時(shí)，曲線的峰值荷載和斜率最大，即材料劈拉強(qiáng)度和彈性模量最大，當(dāng)含水率逐漸增加到50%，蒸壓輕質(zhì)混凝土的抗拉強(qiáng)度與彈性模量逐漸降低。隨著含水率的增加，曲線下降的坡度也更加平緩，說明蒸壓輕質(zhì)混凝土的含水率越大，材料抵抗變形和破壞的能力越低。

圖2 不同含水率劈裂荷載-位移曲線

2.2 不同含水率壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加載初期，立方體表面無可見裂紋；當(dāng)臨近峰值荷載時(shí)，試塊四周開始出現(xiàn)微裂縫。裂縫隨著加載不斷發(fā)展延伸，當(dāng)荷載加至峰值荷載時(shí)，裂縫迅速上下擴(kuò)展延伸，形成主裂紋，立方體承載力急劇降低，直到被破壞。蒸壓輕質(zhì)混凝土內(nèi)部充滿薄壁的氣孔，氣孔壁很容易被裂縫端部的集中應(yīng)力所破壞，所以裂縫在縱向很快地發(fā)展延伸，直到試件破壞。

與普通混凝土材料不同，蒸壓輕質(zhì)混凝土初期加載階段的切線模量有逐漸增大的過程，說明在開始的加載過程中存在一個(gè)初步密實(shí)階段；接著是應(yīng)力隨應(yīng)變線性增長(zhǎng)的彈性變形階段；當(dāng)接近峰值應(yīng)力點(diǎn)時(shí)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度較之前加快，曲線稍微凸起；到達(dá)峰值應(yīng)力后，應(yīng)力迅速下降后進(jìn)入平臺(tái)段，這是裂紋擴(kuò)展發(fā)生的局部失穩(wěn)。通過圖3可知，含水率升高的過程中，初步密實(shí)階段占比逐漸增加，峰值應(yīng)力和彈性模量隨之減小，而峰值應(yīng)變有上升的趨勢(shì)。

圖3 不同含水率應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在含水率增加的過程中，水的軟化以及潤(rùn)滑作用，使得蒸壓輕質(zhì)混凝土材料孔壁之間的連接作用逐漸減弱[11]。在試樣加載中，隨含水率的增加，蒸壓輕質(zhì)混凝土試樣的彈性模量逐漸降低，試樣變軟。

峰值應(yīng)變是指材料在壓縮過程中所承受極限荷載時(shí)的應(yīng)變值。由表1可知，峰值應(yīng)變隨蒸壓輕質(zhì)混凝土含水率的增加逐漸增大，在達(dá)到峰值應(yīng)變后，立方體抗壓強(qiáng)度隨即減小，試件上的微裂縫擴(kuò)展成主裂縫，蒸壓輕質(zhì)混凝土表現(xiàn)出強(qiáng)度低、材質(zhì)脆的特征。

表1 不同含水率的峰值應(yīng)變和彈性模量

2.3 含水率與蒸壓輕質(zhì)混凝土拉壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4為蒸壓輕質(zhì)混凝土拉壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線，干燥狀態(tài)下的蒸壓輕質(zhì)混凝土拉壓強(qiáng)度最高，分別為0.35MPa和2.73MPa,當(dāng)含水率為50%時(shí)的拉壓強(qiáng)度分別為0.20MPa和1.85MPa,劈拉強(qiáng)度和單軸壓縮強(qiáng)度分別降低了42.86%和32.23%。蒸壓輕質(zhì)混凝土從干燥狀態(tài)到含水率10%時(shí),拉壓強(qiáng)度下降的速度極快；當(dāng)含水率在10%～30%時(shí),拉壓強(qiáng)度下降速度減緩；當(dāng)含水率超過30%后,拉壓強(qiáng)度變化趨于平穩(wěn)。蒸壓輕質(zhì)混凝土內(nèi)的孔按孔徑大小可分為宏觀發(fā)氣孔、毛細(xì)孔和凝膠孔，在含水率增加的過程中，材料內(nèi)的微小裂縫和毛細(xì)孔通過毛細(xì)作用達(dá)到飽水狀態(tài)[12]，由于毛細(xì)孔中孔隙水壓力對(duì)裂縫的擴(kuò)展作用使蒸壓輕質(zhì)混凝土的拉壓強(qiáng)度降低，而孔徑較大的宏觀孔難以吸水飽和，孔徑較小的膠凝孔產(chǎn)生的孔隙水壓力較小，對(duì)材料的強(qiáng)度影響不大，所以當(dāng)毛細(xì)孔被填滿后，材料的拉壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

(a)劈裂抗拉強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線

從能量角度分析，裂縫在蒸壓輕質(zhì)混凝土中萌生、匯聚和擴(kuò)展中外力所做的功，需要克服其形成微裂縫的表面能[13]。蒸壓輕質(zhì)混凝土吸水后，材料粒子間的范德華力降低，蒸壓輕質(zhì)混凝土的表面能降低，因此較少的能量就能形成新的斷裂面[14]，整個(gè)蒸壓輕質(zhì)混凝土立方體試件裂縫的擴(kuò)展需要的外力功就越少，即表現(xiàn)為材料的拉壓強(qiáng)度的降低。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，蒸壓輕質(zhì)混凝土的抗拉和抗壓強(qiáng)度間存在明顯的聯(lián)系，其劈拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的10%～12%。

3 能量參數(shù)分析

作為一種輕質(zhì)多孔混凝土，蒸壓輕質(zhì)混凝土的吸能能力很好，其變形破壞過程伴隨著能量的積聚和耗散。在加載的過程中，假設(shè)與外界的熱交換忽略不計(jì)，壓力機(jī)對(duì)蒸壓輕質(zhì)混凝土立方體所作的功為材料吸收的總能量為U，彈性變形階段存儲(chǔ)的可釋放彈性應(yīng)變能為Ue，內(nèi)部損傷及塑性變形消耗的能量為Ud,由熱力學(xué)第一定律可知

U=Ud+Ue

(1)

如圖5所示，在立方體加載過程中，吸收的總能量U為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的總面積，彈性能Ue等于卸載曲線下陰影部分的面積，耗散能Ud為加載曲線下白色部分的面積。所吸收的總能量U可以通過積分其名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到[15]，方程式為

(2)

式中：εi為某一時(shí)刻的應(yīng)變值。

圖5 加載時(shí)彈性能和耗散能示意圖

彈性能Ue為陰影部分面積，即

(3)

式中：σi為εi對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，MPa；Ei為卸載彈性模量，MPa；采用初始彈性模量E近似代替卸載彈性模量Ei[16]。

于是耗散能Ud為

Ud=U-Ue

(4)

通過上述能量計(jì)算原理，對(duì)劈裂荷載-位移曲線進(jìn)行分析，得到了加載至峰值荷載時(shí)，不同含水率蒸壓輕質(zhì)混凝土的能量參數(shù)曲線。

由圖6(a)可知，當(dāng)蒸壓輕質(zhì)混凝土含水率為0%時(shí)，其吸收的總能量最多，達(dá)到了1.28J；當(dāng)含水率從0%逐漸增加到50%，其總能量分別減小了16.06%、17.78%、24.73%、25.35%；彈性能總體呈下降趨勢(shì)，其干燥狀態(tài)下的能量均高于含水狀態(tài)下的，含水率從0%到50%時(shí)，其彈性能分別降低了15.97%、19.07%、31.75%、32.47%；當(dāng)含水率從0%增加到5%時(shí)，耗散能降低了0.04J，耗散能從0.214J增長(zhǎng)到0.264J。除此之外，從圖6(b)中可以看出，隨著含水率的增加，彈性能占比從79.98%(含水率為0%)下降到72.35%(含水率為50%)，而耗散能占比從20.02%上升到27.65%，這是因?yàn)楹实纳呤共牧系难有栽黾樱苄宰冃萎a(chǎn)生的耗散能逐漸增多；由于水分增加，蒸壓輕質(zhì)混凝土內(nèi)部的孔隙水壓力在加載過程中形成的應(yīng)力使材料產(chǎn)生更多的裂縫，裂縫的擴(kuò)展產(chǎn)生了更多的耗散能。

(a)能量參數(shù)隨含水率變化曲線

4 結(jié)論

(1)隨著含水率的增加，蒸壓加氣混凝土的脆性破壞特征逐漸降低，延性破壞特征較明顯。

(2)隨著含水率的增加，蒸壓輕質(zhì)混凝土的拉壓強(qiáng)度呈指數(shù)函數(shù)式降低，且最終趨于穩(wěn)定，這與材料中的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙水壓力密切相關(guān)。

(3)含水率增加的過程中，蒸壓輕質(zhì)混凝土逐漸變軟，加載至破壞時(shí)吸收的總能量和彈性能逐漸降低，總體緩慢的降低趨勢(shì)，而耗散能占總能量的比例逐漸增加。