泡沫輕質混凝土力學特性試驗研究

蘇謙，趙文輝，王亞威，劉亭

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031；2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

泡沫輕質混凝土力學特性試驗研究

蘇謙1，2，趙文輝1，2，王亞威1，2，劉亭1，2

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031；2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

為研究泡沫輕質混凝土的力學特性，采用微機控制電子萬能試驗機對濕密度為400～1000kg/m3的泡沫輕質混凝土試樣開展單軸壓縮試驗。結果表明:泡沫輕質混凝土壓縮過程分為典型的4個階段，即調整階段、彈性階段、脆性階段和屈服階段（震蕩屈服和點屈服）；當濕密度為400～800kg/m3時無側限抗壓強度呈指數增加，當濕密度為800～1000kg/m3時無側限抗壓強度增長效果不明顯；當濕密度為400～600kg/m3時彈性模量增長緩慢，而當濕密度為600～1000kg/m3時彈性模量增長較迅速，但增長速率逐漸減小；養護齡期前期影響較大，后期影響較小。

泡沫輕質混凝土；濕密度；無側限抗壓強度；彈性模量；養護齡期

泡沫輕質混凝土是由水泥（固化材料）、水、原料土（砂或砂性土或低液限土）按一定比例充分混合形成漿體，然后再與一定比例的足夠細小的穩定氣泡群充分混合攪拌形成流體，并最終凝固成型的一種輕型填筑材料。該材料具有自重輕、強度高、流動性好、性能穩定、直立性強、對環境影響反應遲鈍等優點，在巖土工程中得到了廣泛的應用，如軟土地基處理、路基加寬、橋背回填及沿海地基填充等。隨著泡沫輕質混凝土應用范圍的增加，其濕密度使用范圍也隨之擴大。國內外學者針對泡沫輕質混凝土展開了許多研究，文獻［1-6］介紹了泡沫輕質混凝土的基本概念，詳細研究了其物理力學特性和影響因素。Satoh等［3］分析了泡沫輕質混凝土作為港口填料的可行性，認為其作為港口填料，一年后密度與28d密度相同，但強度提高了40%；Otani等［4］采用CT技術對熊本機場的泡沫輕質混凝土試樣進行掃描，分析不同配合比下泡沫輕質混凝土在澆筑過程中氣泡分布及抗壓強度等力學特性。但上述研究中泡沫輕質混凝土濕密度主要集中在520～670kg/m3，范圍較狹窄，因此有必要開展濕密度范圍更廣的泡沫輕質混凝土力學特性研究。

本文針對濕密度范圍為400～1000kg/m3的泡沫輕質混凝土試樣開展單軸壓縮試驗，研究泡沫輕質混凝土的壓縮特性和濕密度、養護時間對無側限抗壓強度及彈性模量的影響，為工程建設提供參考依據。

1　材料與試樣制備

水泥為四川拉法基集團的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；發泡劑為FL-1型；外加劑若干。制備泡沫輕質混凝土漿液過程為：首先分別稱取水泥及水若干，充分攪拌均勻后，再加入發泡裝置制備的泡沫，攪拌至要求。試驗中要求水泥漿的水固比為0.65，濕密度誤差≤1%，故下述抗壓強度分析中，對同一配合比試樣的質量差異忽略不計。試樣尺寸為100mm×100mm× 100mm，制備過程為：①澆筑；②刮平（養護24h后）；③拆模、成型；④養護（試樣由保鮮袋包裹，放置在標準養護室內）。

2　試驗目的和方法

為了研究泡沫輕質混凝土在不同濕密度下的抗壓強度特性及其影響因素，采用WDW系列微機控制電子萬能試驗機對試樣進行單軸壓縮試驗。下文中試樣的測試平均值為3組測試結果的平均值。試驗中，對同一配合比的試樣采用一次澆筑完成，且對不同配合比試樣采用同一條件下養護，減小外部環境差異對試樣的影響。除養護齡期對力學特性影響的研究外，其余試驗所用試樣齡期均為28d。試驗參照標準《泡沫混凝土砌塊》（JC/T1062—2007）執行。

3　試驗成果和分析

3.1泡沫輕質混凝土的壓縮特性

對濕密度范圍為400～1000kg/m3的泡沫輕質混凝土試樣開展無側限抗壓強度試驗，其中典型濕密度為400，700，1000kg/m3的泡沫輕質混凝土試樣的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1　泡沫輕質混凝土的應力-應變曲線

由圖1可知：不同濕密度泡沫輕質混凝土的應力-應變曲線開始階段均會出現一段應力隨著應變的增加而緩慢增長的曲線，但與圖1（a）相比，圖1（b）和1（c）中該段曲線較短；而后進入應力隨應變線性增長的彈性階段；達到應力峰值前，出現一段隨著應變增加，應力增加較緩慢的曲線，即切線斜率減小的一段曲線；達到峰值后，圖1（a）應力隨著應變的增加呈波浪狀緩慢增長或衰減（不超過峰值）現象，而圖1（b）和圖1（c）在應力達到峰值后，突降到一定值，而后出現一段隨著應變的增長應力緩慢減小的曲線。

結合文獻［7］對多孔材料和混凝土壓縮特性的分析，總結上述泡沫輕質混凝土應力-應變曲線特性，給出泡沫輕質混凝土材料壓縮曲線模型，如圖2所示。該曲線模型主要分為4個階段：

圖2　泡沫輕質混凝土材料壓縮曲線模型

1）調整階段（圖2的oa段）。該階段的產生與泡沫輕質混凝土試樣存在較脆弱的表面相關，該表面是由試樣在澆筑時模具表面的涂油層造成的（試樣自身缺陷）。在壓縮試驗中，隨著壓縮位移的增加，這些孔隙首先被壓實，主要表現為應力隨著應變的增加而緩慢增長。在實際工程中，該階段不存在，研究意義不大。

2）彈性階段（圖2的ab段）。該階段應力隨應變呈線性增長，外力由整個試樣承載，應力變化較大。

3）脆性階段（圖2的bc段）。該階段伴隨著試樣內部微裂紋的擴展、新裂紋的產生或匯集，應力隨著應變的增加而緩慢增長，主要表現為與彈性階段相比，彈性模量出現減小現象。

4）屈服階段。結合試驗，得到泡沫輕質混凝土的屈服階段分為下述兩種情況，其破壞情況如圖3所示。

圖3　兩種典型屈服的破壞情況

①震蕩屈服（圖2的cf段）。當應力達到峰值后，試樣表層首先個別孔壁被壓垮，其所在面上（主要為平面）的其余孔壁產生應力集中，導致整層孔壁被壓垮，應力隨著應變的增加而小幅下降。隨著破碎層面被壓實，應力會隨著應變的增加而小幅上升，但不會超過峰值，接著與之接觸的另外一層的氣孔被壓垮壓實，產生相同的現象（見圖3（a））。

②點屈服。該階段主要分為兩段：突降段（圖2的cd段）和緩降段（圖2的de段）。突降段發生的原因為：當泡沫輕質混凝土應力超過其斷裂承載力時，發生脆性斷裂，應力隨著應變而陡降。從破壞部位上，主裂縫與軸線約成45°。緩降段發生的原因為：該階段試樣整體已破壞，荷載由相互接觸的幾部分試樣共同承受，隨著壓縮位移的增加，次裂縫產生，試樣進一步被壓壞，應力隨著應變的增加而加速衰退（見圖3（b））。

結合圖2和圖3分析得到：濕密度為400kg/m3的泡沫輕質混凝土的屈服階段主要表現為震蕩屈服；而濕密度為700，1000kg/m3的泡沫輕質混凝土的屈服階段主要表現為點屈服，且其cd段隨著濕密度的增加而增大。說明隨著泡沫輕質混凝土濕密度的增加，其屈服階段由震蕩屈服向點屈服過渡，且點屈服突降段幅度隨著濕密度的增加而增大。

3.2濕密度對泡沫輕質混凝土力學特性的影響

泡沫輕質混凝土主要由固化材料（水泥）組成，所以水泥水化作用后形成的固化物決定著泡沫輕質混凝土的密度。根據測試平均值進行線性擬合，可知濕密度與干密度呈線性關系，相關系數R2=0.9987，擬合度較高。泡沫輕質混凝土濕密度（范圍為400～1000 kg/m3）與干密度的關系曲線如圖4所示。

圖4　濕密度與干密度關系曲線

文獻［7-8］分別分析了飽和度和干密度與無側限抗壓強度的關系曲線，得出無側限抗壓強度與飽和度和干密度呈指數關系。Kearsley等［9-10］對泡沫混凝土的抗壓強度、孔隙率與滲透性的相互關系、孔隙率對其強度的影響進行了系列研究，建立了泡沫混凝土抗壓強度與其齡期和孔隙率的相互關系數學模型，計算公式如下

式中：fc為泡沫混凝土的抗壓強度，MPa；t為泡沫混凝土的齡期，d；p為365d后測試所得的泡沫混凝土孔隙率。

其中，孔隙率可由下式計算得出式中：ρd為泡沫輕質混凝土的干密度，kg/m3；ρs為純水泥漿固化密度，為固定值，kg/m3。

由式（2）可知，對于同一水固比澆筑的泡沫輕質混凝土試樣，其干密度與孔隙率呈線性關系。結合圖4線性擬合結果，則泡沫輕質混凝土濕密度與孔隙率呈線性關系。再結合式（1），可知對于養護齡期相同的泡沫輕質混凝土試樣，其抗壓強度隨著濕密度的增長呈指數增長。

對濕密度范圍為400～1000kg/m3的泡沫輕質混凝土進行壓縮試驗，濕密度與抗壓強度及彈性模量的關系曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5　濕密度與無側限抗壓強度關系曲線

圖6　濕密度與彈性模量關系曲線

由圖5可知：①當泡沫輕質混凝土濕密度范圍為400～800kg/m3時，其無側限抗壓強度與濕密度關系擬合曲線為y=0.090e0.005x，R2=0.971，說明隨著濕密度的增加，無側限抗壓強度呈指數增加；②濕密度為1000kg/m3的泡沫輕質混凝土無側限抗壓強度約為濕密度為800kg/m3的1.1～1.2倍，增加效果不太明顯，因此實際工程應用中泡沫輕質混凝土推薦采用的濕密度范圍為500～800kg/m3。

由圖6可知：泡沫輕質混凝土在濕密度范圍為400～600kg/m3時，其彈性模量由40.388MPa增長至64.827MPa，增長緩慢；而在濕密度范圍為600～1000 kg/m3時彈性模量增長較迅速，但隨著濕密度的增加，彈性模量增長速率減小。

3.3養護齡期對泡沫輕質混凝土力學特性的影響

水泥材料的水化是個緩慢的過程，所以養護齡期對泡沫輕質混凝土的力學特性發展響應較大。為研究養護齡期對抗壓強度和彈性模量的影響，測試了濕密度分別為400，700，1000kg/m3的試樣在3，7，14，28d的抗壓強度，得到泡沫輕質混凝土抗壓強度、彈性模量與養護齡期的關系曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7　泡沫輕質混凝土抗壓強度與養護齡期的關系曲線

圖8　泡沫輕質混凝土彈性模量與養護齡期的關系曲線

由圖7可知：濕密度分別為400，700，1000kg/m3的泡沫輕質混凝土，其無側限抗壓強度隨著養護齡期的增長呈對數增長，相關系數分別為0.9805，0.9931，0.8569，可靠性均較高。說明對于相同品牌的水泥、發泡劑、發泡工藝制造的不同濕密度泡沫輕質混凝土，在無側限抗壓強度與養護齡期曲線已知時，其3d無側限抗壓強度可替代28d無側限抗壓強度作為泡沫輕質混凝土質量檢驗指標，縮短質量檢測的時間。對于3種濕密度的泡沫輕質混凝土，其3，7，14d的抗壓強度分別約為28d抗壓強度的0.35～0.45，0.66～0.76，0.84～0.91倍，說明泡沫輕質混凝土在標準養護條件下，抗壓強度在前期增長較快，后期增長則較為緩慢。

由圖8可知：泡沫輕質混凝土的彈性模量隨著養護齡期的增加而增大，且增長趨勢與抗壓強度相似，其3，7，14d的彈性模量分別約為28d彈性模量的0.39～0.51，0.65～0.71，0.84～0.92倍。

通過上述分析可得，養護齡期對泡沫輕質混凝土力學特性的前期影響較明顯，隨著時間的增長，影響逐漸減小。

4　結論

研究了不同濕密度下泡沫輕質混凝土的應力-應變關系，分析了濕密度、養護齡期對無側限抗壓強度和彈性模量的影響。得到如下結論：

1）泡沫輕質混凝土壓縮過程分為典型的4個階段，即調整階段、彈性階段、脆性階段和屈服階段（震蕩屈服和點屈服）；隨著濕密度的增加，試樣的屈服特征由震蕩屈服向點屈服過渡，點屈服過程中強度衰減幅值逐漸增大。

2）當泡沫輕質混凝土濕密度范圍為400～800 kg/m3時，無側限抗壓強度隨著濕密度的增加呈指數增加；濕密度處于800～1000kg/m3時，無側限抗壓強度隨濕密度的增加增長效果不明顯。

3）泡沫輕質混凝土的彈性模量在濕密度范圍為400～600kg/m3時增長緩慢；在濕密度范圍為600～1000kg/m3時增長較迅速，但彈性模量增長速率逐漸減小。

4）養護齡期對泡沫輕質混凝土的力學特性前期影響較大，后期影響較小。

［1］蔡力，陳忠平，吳立堅.氣泡混合輕質土的主要力學特性及應用綜述［J］.公路交通科技，2005，22（12）：71-74.

［2］何國杰，鄭穎人，楊晨曦.氣泡混合輕質土的吸水特性和抗凍融循環性能［J］.后勤工程學院學報，2008（4）：6-8，34.

3］SATOH T，MITSUKURI K，TSUCHIDA T，et al.Field Placing Test of Lightweight Treated Soil under Seawater in Kumamoto Port［J］.Soils and Foundations，2001，41（5）：145-154.

［4］OTANI J，TOSHIFUMI M，YOSHIAKI K.Visualization for Engineering Property of In-situ Light Weight Soils with Air Foams［J］.Soils and Foundations，2002，42（3）：93-105.

［5］祝捷，謝永祥.泡沫混凝土強度及應變研究［J］.混凝土，2010（9）：124-126.

［6］GIBSON L J，ASHBY M F.多孔固體結構與性能［M］.劉培生，譯.北京：清華大學出版社，2003.

［7］NAMBIAR E K K，RAMAMURTHY K.Models for Strength Prediction of Foam Concrete［J］.Materials and Structures，2008，41（2）：247-254.

［8］YANG K H，LEE K H，SONG J K，et al.Properties and Sustainability of Alkali-activated Slag Foamed Concrete［J］.Journal of Cleaner Production，2014，68（2）：226-233.

［9］KEARSLEY E P，WAINWRIGHT P J.Porosity and Permeability of Foamed Concrete［J］.Cement and Concrete Research，2001，31（5）：805-812.

［10］KEARSLEY E P，WAINWRIGHT P J.The Effect of Porosity on the Strength of Foamed Concrete［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（2）：233-239.

AbstractIn order to study the mechanical properties of foam lightweight concrete，the computer-controlled electronic universal testing machine was used to make uniaxial compression tests for foam lightweight concrete specimen with wet density from 400 kg/m3to 1 000 kg/m3.T he results show that there are typical four stages in foam lightweight concrete compression process，which are adjustment step，elastic step，brittle step and yield step（vibration yield and point yield）.T he unconfined compression strength increases exponentially when the wet density is from 400 kg/m3to 800 kg/m3；the unconfined compression strength does not increase obviously when the wet density is in the range of 800～1 000 kg/m3；the elastic modulus increases slowly when the wet density is from 400 kg/m3to 600 kg/m3；the elastic modulus increases quickly but the growth rate decreases gradually while the wet density is in the range of 600～1 000 kg/m3；curing period has a larger effect in the early stage and has a less effect in the late stage on mechanical properties of foam lightweight concrete.

Experimental Research on Mechanical Properties of Foam Lightweight Concrete

SU Qian1，2，ZHAO Wenhui1，2，WANG Yawei1，2，LIU Ting1，2
（1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Foam lightweight concrete；W et density；Unconfined compression strength；Elastic modulus；Curing period

TU472

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.36

1003-1995（2016）04-0144-05

（責任審編周彥彥）

2015-09-07；

2016-01-30

中國鐵路總公司科技研究開發計劃（2014G003-E）；教育部新世紀人才計劃（NCET-12-0941）

蘇謙（1972—），男，教授，博士。