泡沫混凝土物理力學(xué)特性研究

暴曉慶，高 蕾，王 桐，劉 麗，吳 陽(yáng)

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500；2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

我國(guó)煤炭資源十分豐富，且早在西漢時(shí)期就已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)采和使用煤礦資源。早時(shí)人們更多的追求煤炭產(chǎn)量而忽視了開(kāi)采時(shí)的安全問(wèn)題，安全設(shè)備不足、技術(shù)不夠。隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)如今我們對(duì)于煤礦開(kāi)采不僅僅要求其產(chǎn)量，安全問(wèn)題是井下生產(chǎn)的首要問(wèn)題。其中，井下密閉就是防止井下事故的一種重要舉措。煤井廢棄巷道不但會(huì)成為瓦斯氣體的危險(xiǎn)散布通道,還降低井下的通風(fēng)效果,必須予以密封[1]。

煤礦井下密閉墻種類較多,包括防火墻和盲巷密閉墻、密閉泄水擋風(fēng)墻、密閉巷道抽排瓦斯墻等[2]。我國(guó)傳統(tǒng)的井下密閉墻多采用磚墻結(jié)構(gòu)，原材料包括磚塊、砂、水泥等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)井下安全水平要求的提高，相繼出現(xiàn)多種新型密閉材料，密閉墻的種類也多種多樣。磚墻結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)、技術(shù)要求低，工人能夠熟練掌握，但其有施工工期長(zhǎng)、費(fèi)用高且密閉效果不夠好的缺點(diǎn)。有機(jī)泡沫材料具有發(fā)泡率高、質(zhì)量輕、成型速度快、高孔隙率、高滲透性等特點(diǎn)，但其抗沖擊性能差且在高溫條件下容易散發(fā)有毒氣體、易燃，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)容易發(fā)生變形。

研究泡沫材料在火災(zāi)條件下材料強(qiáng)度、密閉性能等具有現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)對(duì)不同密度下的混凝土進(jìn)行吸水率對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土密度不同其吸水率情況也不同；此外還對(duì)不同密度下的混凝土進(jìn)行單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)；泡沫混凝土-砂漿直剪試驗(yàn)和泡沫混凝土動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)（SHPB），為泡沫混凝土在井下應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料：42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥（市售華新水泥有限公司生產(chǎn)）、粉煤灰（市售武漢羅陽(yáng)電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰）、發(fā)泡劑（市售河南華泰建材開(kāi)發(fā)有限公司開(kāi)發(fā)的HT 復(fù)合發(fā)泡劑）、防水劑（市售易來(lái)泰公司生產(chǎn)的seal80 高活性可再分散硅烷基憎水劑）、改性聚丙烯束狀纖維（19、19、6、9 mm 單絲纖維）、減水劑（市售武漢蘇博新型建材公司生產(chǎn)的PC100 聚羧酸鹽高性能減水劑）、促凝劑（市售中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研制的HSA 高效速凝劑）。

1.2 材料制備

經(jīng)過(guò)大量的正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，考慮到材料的氣泡品質(zhì)、纖維品質(zhì)、干密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度比值等指標(biāo)，得出各原材料最佳配比為：在以水泥為1 800 g 的基準(zhǔn)條件下，泡沫量（ml）、纖維（g）、水（ml）、防水劑（ml）、減水劑（ml）、促凝劑（g）分別為360 ml、3 g、750 ml、5 ml、20 ml、90 g 時(shí)泡沫混凝土各指標(biāo)綜合素質(zhì)最高。因此，本文材料以其為基本材料進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 泡沫混凝土吸水率試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分別制備4 個(gè)密度為250，450、850 kg/m3的試樣，分別浸泡1、2、4、6、8、18、24 h 稱重，稱重時(shí)用吸水紙濾掉表面水分。分別記錄不同密度泡沫混凝土隨時(shí)間吸水量的變化情況。

2.2 泡沫混凝土單軸壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)分別制備3 個(gè)密度分別為250、450、600 kg/m3的試樣，每個(gè)密度試樣制備3 個(gè)，共9 塊試樣，分別在RMT 多功能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得出不同密度下泡沫混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量及其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，分析不同密度的泡沫混凝土在實(shí)驗(yàn)中的破壞形態(tài)，進(jìn)一步得出密度對(duì)于泡沫混凝土強(qiáng)度特性的影響。

2.3 泡沫混凝土三軸壓縮試驗(yàn)

分別對(duì)密度為250、550 kg/m3條件下的泡沫混凝土進(jìn)行圍壓為0、0.25 、0.5 MPa 的試驗(yàn)，得出不同密度混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2.4 泡沫混凝土-砂漿直剪試驗(yàn)

試驗(yàn)分別制備260、600、750 kg/m33 個(gè)不同密度的試樣。將32.5 級(jí)水泥、中砂、水按照1∶5.27∶1.16 混合攪拌均勻，澆筑在放有預(yù)先制備泡沫混凝土試塊的模具中養(yǎng)護(hù)24 h 拆模，再在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)15 d。直剪試驗(yàn)采用RMT-150C 數(shù)控式電機(jī)伺服試驗(yàn)機(jī)，起初以0.5 kN/s 的速率緩慢施加法向荷載至設(shè)計(jì)值，隨后以0.01 mm/s 的速率施加剪切應(yīng)力直至試件破壞。

2.5 泡沫混凝土動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)（SHPB）

試驗(yàn)制備直徑為50 mm，高度為30 mm 試樣，用φ50 mm 桿徑SHPB 試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)共進(jìn)行20 個(gè)式樣的泡沫混凝土SHPB 沖擊試驗(yàn)，沖擊圍壓分別為0、2.5、5.0、7.5 MPa，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1、表2。

表1 泡沫混凝土單軸沖擊試驗(yàn)方案

表2 泡沫混凝土三軸沖擊試驗(yàn)方案

3 結(jié)果與討論

3.1 泡沫混凝土吸水率試驗(yàn)結(jié)果分析

泡沫混凝土浸泡后質(zhì)量隨時(shí)間變化情況如圖1所示。不同密度混凝土質(zhì)量均隨時(shí)間而增加，且試塊質(zhì)量在前2 h 增長(zhǎng)較快，在4 h 后質(zhì)量上升緩慢。經(jīng)計(jì)算得出各密度泡沫混凝土吸水率隨時(shí)間的變化情況，如圖2 所示，密度為250 kg/m3的混凝土吸水率最高，密度為850 kg/m3的混凝土吸水率最低。隨著混凝土密度增大，其吸水率降低。

圖1 質(zhì)量隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線

圖2 吸水率隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線

3.2 泡沫混凝土單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨密度的增加不斷上升。低密度泡沫混凝土其內(nèi)部孔隙較多，其內(nèi)向變形空間很大，更易發(fā)生變形。高密度泡沫混凝土其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，在外力作用下不易發(fā)生變形，其抗壓強(qiáng)度逐步提高。

表3 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

3.3 泡沫混凝土三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 不同圍壓下泡沫混凝土試樣（密度：250 kg/m3）的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 不同圍壓下泡沫混凝土試樣（密度：550 kg/m3）的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 與圖4 為不同圍壓下密度分別為250、550 kg/m3的泡沫混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，由圖可知，低密度和高密度泡沫混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律大體趨勢(shì)類似。單軸壓縮條件下，試樣達(dá)到強(qiáng)度前近似線性彈性，達(dá)到強(qiáng)度后，隨著應(yīng)變?cè)黾?，材料?yīng)力有小幅下降。圍壓增加時(shí)，泡沫混凝土的強(qiáng)度及屈服后殘余強(qiáng)度均隨之增加。應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸由應(yīng)變軟化型經(jīng)理想彈塑型向應(yīng)變強(qiáng)化型轉(zhuǎn)變。當(dāng)達(dá)到材料強(qiáng)度后，隨著外力的增加，材料部分發(fā)生屈服破壞，接著重新壓緊內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，此后應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。隨著圍壓的增加，徑向同樣會(huì)發(fā)生壓縮變形，試件壓縮時(shí)密度變大其承載力也不斷增大，當(dāng)體積壓縮至一定量后，最終發(fā)生峰后應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

3.4 泡沫混凝土-砂漿直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

不同密度的泡沫混凝土-砂漿試樣隨剪切位移的增加其剪應(yīng)力及豎向位移變化差別較大，可以大致分為3 種類型。

類型一：第一階段，剪切初始豎向位移基本不變，剪應(yīng)力隨剪切位移迅速增大，破壞面主要發(fā)生在接觸面上；第二階段，剪應(yīng)力急劇下降發(fā)生脆性破壞，即隨著剪切位移的增大，由于剪應(yīng)力集中使得部分接觸面脫粘而產(chǎn)生較大的應(yīng)力降；第三階段接觸面完全破壞，抗剪力完全由摩擦力提供，并且由于剪切過(guò)程中造成泡沫混凝土顆粒碎屑遷移、滾動(dòng)滑出接觸面而導(dǎo)致豎向位移顯著增大。

類型二：第一階段，豎向位移迅速增大，即孔隙在壓剪作用下進(jìn)一步致密，有效接觸面積顯著增大，剪應(yīng)力隨剪切位移線性增長(zhǎng)；第二階段，界面顆粒相繼屈服，剪應(yīng)力趨于平緩，即產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，豎向位移變化較小；第三階段，剪切位移繼續(xù)增大，產(chǎn)生應(yīng)變硬化，界面顆粒在剪切過(guò)程中重新排列緊密，使得剪切剛度顯著增大，剪應(yīng)力達(dá)到峰值；第四階段，由于破碎帶較寬，剪應(yīng)力穩(wěn)步下降，直至接觸面完全破碎而達(dá)到穩(wěn)定值，隨著接觸面顆粒破碎、滑出，豎向位移顯著增大。

類型三：第一階段，在壓剪力作用下，孔隙被擠壓消失，試件的有效接觸面積變大，其豎向位移變化率降低；第二階段，壓剪作用初期，試件初始接觸面被迅速破壞，隨著試件顆粒重新排列壓緊，剪切剛度隨之增大；第三階段，剪切力再度增加時(shí)，剪切位移增大接觸面破壞，由于法向力及試樣密度較大，顆粒重新致密排列后會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，這時(shí)破壞不再增大，豎向位移也不再發(fā)生變化。

3.5 泡沫混凝土沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

在SHPB 沖擊試驗(yàn)中，泡沫混凝土試件未受到圍壓作用且力加載率一定時(shí)，試件破壞是由沖擊力造成的，且隨著沖擊加載率的增大，試件破壞程度也隨之增大；且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在有圍壓作用時(shí)，相同力加載率作用下試件本身并未發(fā)生明顯破壞。圍壓增加可以提高試件的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，圍壓的存在約束了混凝土中裂紋的形成和擴(kuò)展，且圍壓越大，約束力越大。

另外，相同圍壓（或無(wú)圍壓）條件下，泡沫混凝土的破壞模式表現(xiàn)出了明顯的率相關(guān)性，在應(yīng)變率較低時(shí)，破壞模式為劈裂破壞；隨著應(yīng)變率的不斷增長(zhǎng)，破壞模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴核槠茐?。這是因?yàn)樵趹?yīng)變率較低時(shí)，泡沫混凝土的破壞是由已有缺陷的尖端裂紋擴(kuò)展、貫通引起的，有明顯的方向性，呈劈裂破壞形式；而隨著應(yīng)變率的增大，更多的細(xì)觀裂紋發(fā)生擴(kuò)展，材料的碎塊尺寸變小，破碎程度加重，最終呈現(xiàn)出壓碎的破壞形式。

4 結(jié) 論

1）不同密度的泡沫混凝土吸水率試驗(yàn)研究表明，泡沫混凝土吸水率相對(duì)較低，隨著密度的增大泡沫混凝土的吸水率進(jìn)一步減小。

2）不同密度的泡沫混凝土單軸壓縮試驗(yàn)表明，泡沫混凝土的強(qiáng)度隨其密度呈指數(shù)型增大，泡沫混凝土的模量隨其密度呈線性增大。

3）泡沫混凝土的三軸壓縮試驗(yàn)表明隨著圍壓的增加，泡沫混凝土的強(qiáng)度及屈服后殘余強(qiáng)度均不斷增加，低密度和高密度泡沫混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律大體趨勢(shì)類似。

4）泡沫混凝土的SHPB 沖擊試驗(yàn)表明：泡沫混凝土的破壞形態(tài)隨圍壓的大小不同而發(fā)生變化，圍壓增加可以提高試件的抗壓強(qiáng)度。另外，相同圍壓條件下，泡沫混凝土的破壞模式表現(xiàn)出了明顯的率相關(guān)性。