单轴压缩下泡沫混凝土的强度特性研究

殷成胜　殷如阳

摘要：以水泥、粉煤灰、矿渣为胶凝材料，制备出不同气泡含量的泡沫混凝土。通过室内试验，对不同气泡率下（0～74.23%）的泡沫混凝土进行单轴压缩破坏试验，得到其不同龄期下的抗压强度和破坏形态，研究了泡沫混凝土的应力应变曲线，探讨了抗压强度与龄期和气泡率之间的关系。结果表明：泡沫混凝土在单轴压缩下经过密实、弹性、屈服、破坏4个阶段；其抗压强度随泡沫含量的增大而减小，在一定范围内随着龄期的增大而增大。

关键词：泡沫混凝土；单轴压缩；强度特性；应力应变曲线

中图分类号：U416.216文献标志码：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

泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆搅拌均匀后制成泡沫料浆，然后成型或者现浇，是经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质建筑材料。由于泡沫混凝土含有大量的封闭孔隙，且具有轻质、低碳环保、保温隔热性能好、易于加工等特点，因此在世界建筑節能领域和土木工程中得到越来越广泛的应用。为保证泡沫混凝土的安全性和耐久性，研究泡沫混凝土的力学性能具有重大的工程意义。

近年来，国内外许多学者对泡沫混凝土的力学性能进行了详细的试验研究，并获得了许多成果。周顺鄂等[12]对不同泡沫混凝土进行了单轴压缩试验，提出了泡沫混凝土的压缩过程可分为4个阶段——平台阶段、密实阶段、屈服阶段和衰退阶段，其压缩力学性能受到容重、基本材料和气孔形态及分布等因素的影响。方永浩等[34]研究了水泥粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系，提出了二者之间的关系表达式。陈兵等[56]对生土泡沫混凝土进行了试验研究，指出生土泡沫混凝土的干表观密度、抗压强度和导热系数随着泡沫掺量的增加而减小；随微硅粉掺量的增大，生土泡沫混凝土抗压强度和保温隔热性能得到显著改善。尚帅旗等[78]对泡沫混凝土的单轴抗压力学特性进行了研究，结果表明，在单轴压缩下泡沫混凝土的峰值应力随龄期的增加而增大，密度大的峰值应力增长速率高，尤其在低龄期时最为明显，但泡沫混凝土随着龄期的增加，其峰值应力增长速率是降低的。Mydi等对高温环境下泡沫混凝土的力学性能进行了研究，指出泡沫混凝土的刚度损失主要发生在温度高于90 ℃之后，在高温状态下水分被蒸发，微裂缝产生并引起材料刚度退化。Hilal等通过观察泡沫混凝土中气泡的大小和形状，研究了不同添加剂对泡沫混凝土孔隙结构和强度的影响，并指出，对于一个给定的密度，通过加入添加剂可以减小孔隙大小，实现强度增加。Amran等系统总结了目前泡沫混凝土的组成成分、制造技术、基本特性以及在工程中的应用现状。Guo等通过数值模拟研究了不同温度和不同应变率条件下泡沫混凝土的力学性能，并指出单轴压缩下其力学性能和破坏形态主要受泡沫混凝土干密度和所处环境温度大小的影响，而受应变速率变化的影响较小。然而，上述学者并没有在泡沫混凝土受单轴压缩的情况下，对其应力应变曲线特征以及破坏形态做深入分析。

本文通过对不同气泡含量的泡沫混凝土进行单轴压缩试验，研究不同气泡率、不同龄期的泡沫混凝土的应力应变曲线，及其抗压强度与龄期、气泡率之间的关系，从而揭示泡沫混凝土的力学特性以及变形破坏规律，为以后的工程实践提供相关参考。

1试验方法

1.1试验材料与装置

所用的试验材料主要有水泥、粉煤灰、矿粉、发泡剂和水，其中水泥为上海海螺水泥有限公司生产的42.5#普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度为567 MPa；粉煤灰为符合国家标准的Ⅱ级粉煤灰；矿渣由上海宝钢公司提供，它们的化学成分见表1。发泡剂的主要成分为植物类蛋白，按照质量比1∶50用水稀释后加入到水泥发泡一体机中（图1），发泡后得到试验用泡沫（图2）。泡沫混凝土的单轴压缩试验在液压伺服试验机（图3）上进行，最大荷载为300 kN。

1.2试验过程与方法

本试验采用水泥发泡一体机进行泡沫混凝土的制备，通过控制发泡时间得到不同气泡含量的泡沫混凝土。具体制备工艺如下：为保证发泡时间充分，泡沫大小基本均匀一致，每次试验前首先称取0.2 kg的发泡剂，与水按照质量比1∶50稀释均匀后加入发泡装置。水泥、粉煤灰、矿渣按照质量比16∶3∶1称取，将其干拌均匀后按照水胶比043加适当水到水泥发泡一体机中搅拌均匀，搅拌3 min后制备泡沫，并待其发泡稳定后加入到水泥浆中，当泡沫与水泥浆混合均匀后开始浇注试模。试件成型后置于自然状态下养护，24 h后拆模并自然养护28 d。分别对7、14、28 d龄期的泡沫混凝土做单轴压缩试验。泡沫混凝土试样为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，试验加载通过位移控制，加载速率为1 mm·min-1，加载过程中计算机自动采集轴向荷载和轴向位移。不同气泡含量的泡沫混凝土分别取6个试样进行单轴压缩试验，并從试验结果中选取较好的3条应力应变变化曲线作为研究对象。

2试验结果分析与讨论

2.1试样制备规律

在制备试样过程中，通过控制发泡时间改变试样的气泡含量，气泡率和气泡体积按照以下公式计算

图5为试样拆模密度与气泡率之间的关系，从图中可以看出，泡沫混凝土密度与气泡率呈线性关系，拆模密度随气泡率增大而呈线性减小[910]。这说明在制备试样的过程中，搅拌时的泡沫破损较少，与水泥浆混合均匀。

2.2泡沫混凝土应力应变曲线的基本特征

由泡沫混凝土单轴压缩试验，得到了不同龄期下、不同气泡含量的泡沫混凝土力学性能参量。需说明的是，由于试验设备条件的限制，仅获得不添加任何气泡的混凝土单轴压缩情况下的抗压强度，未获得应力应变关系曲线。

气泡率Va=25.27%的泡沫混凝土不同龄期时单轴压缩试验的应力应变曲线如图6所示。从图6可以明显看出，泡沫混凝土的屈服应变随龄期增长而变大，且不同龄期下其应力应变曲线变化规律都大致相同，基本上经历了4个阶段以下，以28 d为例进行说明。

（1）密实阶段（OA段）。此时试样内部的微孔隙和裂隙等初始缺陷在载荷作用下开始闭合，应力随着应变的增大而缓慢增加。

（2）弹性阶段（AB段）。这一阶段泡沫混凝土试样的变形由密实阶段的瞬时压缩变形转变为试样内部颗粒结构的弹性变形，此时试样的应力与应变基本呈线性关系，其斜率就是弹性模量。

（3）屈服阶段（BC段）。当应力超过B点后，随着荷载的不断增大，泡沫混凝土内部颗粒之间出现相互转动和错动，试样内部结构变形主要以塑性变形为主，这时候应变增量较大，而应力增量却相对较小[1112]。

（4）破坏阶段（CD段）。当泡沫混凝土试样应力达到峰值后开始发生破坏，应力减小，试样破坏。

图7反应的是不同气泡率泡沫混凝土试样在28 d龄期情况下的应力应变曲线变化规律。从图中可以看出，随着气泡含量的增大，试样的抗压强度和屈服应变随之减小，且弹性阶段的切线斜率（即弹性模量）也随之减小[1315]。

2.3抗压强度

图8不同气泡率下泡沫混凝土抗压强度与龄期关系

抗压强度指的是试样抵抗轴向压力的极限强度。图8为不同气泡率下泡沫混凝土抗压强度与龄期的关系。从图8可以明显看出，泡沫混凝土的抗压强度随龄期增大不断增大，随泡沫含量增大而不断减小。

对比试验数据可知，龄期由7 d到14 d，气泡率分别为0、1837%、2527%、6395%、6781%、7423%时，泡沫混凝土的抗压强度平均值分别由287、128、77、073、065、045 MPa增大到349、1548、1045、11、085、049 MPa，增长率分别为216%、209%、359%、448%、3505%、92%；而14 d至28 d时，其增长率分别为273%、10%、295%、344%、462%、212%，可见气泡含量不同，强度增长率也有较大差异。龄期由7 d到14 d，强度增长幅度较大，而14 d到28 d，增长幅度较小。分析其原因，主要是由于水泥胶凝材料在一定的温度、湿度条件下随时间的增长发生了不断水化的过程。

一般来说，泡沫混凝土的抗压强度主要与泡沫含量、水灰比、养护时间和环境、骨料的类型和级配、发泡剂的种类、填充材料的类型等因素有关[1618]。其中气泡体积是影响泡沫混凝土抗压强度的主要因素，例如干密度为1 800 kg·m-3和280 kg·m-3的试样，其28 d龄期下抗压强度分别为43 MPa和06 MPa。

对于不同龄期的试样，试验数据的拟合优度R2均达到0.98以上，说明试验结果与拟合曲线具有很好的一致性。由此可见，泡沫混凝土抗压强度与气泡率之间的关系可表示为

fc=Khe-kVa（8）

式中：fc为抗压强度；Kh为不添加任何气泡时混凝土的抗压强度；k为拟合系数。

2.4破坏形态

图10为4种不同气泡率的泡沫混凝土试样28 d龄期单轴压缩试验下的破坏形态。泡沫混凝土的破坏本质上是试样在受力过程中内部产生微裂缝并扩展和贯通的结果，但是不同气泡率下泡沫混凝土的破坏形态有所差异并存在以下的规律性。

（1）对于气泡率较大的泡沫混凝土试样，其破坏形式是：先从试样顶部或底部形成竖向的微裂缝，随着荷载增加，裂缝不断扩展并在中部形成较宽裂缝（图10（a）、（b））。

（2）对于气泡率较小的泡沫混凝土，其破坏形式也是先从试样顶部或底部形成微小的竖向裂缝，但是随着荷载增大，裂缝急剧延伸并扩展，最终形成贯通裂缝，表现出与普通混凝土破坏形态基本相同的特征（图10（c）、（d））。

3结语

（1）在制备泡沫混凝土试样的过程中，得到了发泡体积与发泡时间之间、试样拆模密度与气泡率之间的关系表达式。

（2）泡沫混凝土在压缩过程中经历了密实、弹性变形、屈服变形、破坏4个阶段，且在破坏之后又经历了二次密实的过程。

（3）泡沫混凝土的强度随泡沫含量的增加呈指数减小，在一定龄期范围内，强度和屈服应变随龄期的增大而增大。

（4）泡沫混凝土的抗压强度与气泡率之间呈指数关系，可表示为fc=Khe-kVa。

（5）泡沫混凝土的破坏形态与气泡率有关，都是先在试样顶部或底部形成微裂缝；但对于气泡率大的试样，其破坏形态是最终在中部形成较宽裂缝；而对于气泡率小的试样，其破坏形态是形成上下贯通的斜裂缝，表现出与普通混凝土类似的破坏特征。

参考文献：

[1]周顺鄂，卢忠远，焦雷，等.泡沫混凝土压缩特性及抗压强度模型[J].武汉理工大学学报，2010，32（11）：912.

[2]史星祥，潘志华.泡沫混凝土发泡剂的稳定性[J].精细化工，2012，29（5）：506509.

[3]方永浩，王锐，庞二波.水泥粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系 [J].硅酸盐学报，2010，38（4）：621626.

[4]宋旭辉，侯文虎，杨树新，等.利用沙漠细砂生产泡沫混凝土的研究[J].混凝土，2007（12）：5557.

[5]陈兵，胡华洁，刘宁.生土泡沫混凝土试验研究[J].建筑材料学报，2015，18（1）：16.

[6]高波，王群力，周孝德，等.免蒸复合发泡混凝土墙体砌块[J].粉煤灰综合利用，2003（4）：3940.

[7]尚帅旗，李丹，陈星明，等.泡沫混凝土的单轴抗压力学特性研究[J].武汉理工大学学报，2012，34（12）：2429.

[8]杨久俊，李晔，吴洪江，等.粉煤灰高强微珠泡沫混凝土的研究[J].粉煤灰，2005（1）：2124.

[9]赵文俞， 陈文怡， 王勤燕， 等. 一种水泥混凝土用聚合物共混物的微观形态及其变化机理研究[J].高分子材料科学与工程，2003，17（2）：167169.

[10]吴正刚，黄从运.聚合物改性水泥混凝土发展趋势[J].江西建材，2002（4）：45.

[11]高倩，王兆利，赵铁军.泡沫混凝土[J].青岛建筑工程学院学报，2002，23（3）：113115.

[12]董庆宇.泡沫混凝土在公路工程施工中的应用[J].科技传播，2013（9）：173174.

[13]谢明辉.大掺量粉煤灰泡沫混凝土的研究[D].长春：吉林大学，2006.

[14]袁俊，徐迅.泡沫混凝土的研究現状及发展状态[J].墙体革新与建筑节能，2007（4）：3132.

[15]蒋冬青.泡沫混凝土应用新进展[J].中国水泥，2003（3）：4647.

[16]邵洪江.粉煤灰泡沫混凝土研究[J].山东建材，1999（1）：1315.

[17]丁起.新型高效混凝土发泡剂的研究[J].新型建筑材料，2009（10）：1618.

[18]高波.粉煤灰发泡混凝土的试验研究与工程应用[D].西安：西安理工大学，2004.

[责任编辑：杜卫华]