陶粒泡沫混凝土的力學性能及吸能特性

王小娟，劉 路，賈昆程，周宏元

(北京工業大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124)

全球能源消耗日益嚴重，節能問題逐漸成為人類關注的焦點.建筑產業是一種高耗能的產業，在建材生產和使用過程中均會大量消耗能源.泡沫混凝土作為建筑保溫材料之一,近年來對它的研究與應用[1-5]進展迅速,然而其在工程應用中存在強度較低、易收縮開裂等問題，因此在一定程度限制了使用范圍.鑒于普通泡沫混凝土的不足，復合材料陶粒泡沫混凝土近年來受到廣泛關注與研究.

陶粒泡沫混凝土是以水泥基膠凝材料、水、泡沫和陶粒為主要組分，按一定配合比混合，攪拌、澆筑、養護而成的輕質多孔混凝土，具有輕質高強、耐火性好、環保性能好和保溫隔熱等優勢.國內外關于陶粒泡沫混凝土的研究已取得一定成果，主要集中在其配合比[6-7]、收縮性[8]、力學性能[9]、熱力學性能[10]、導熱系數[11]、陶粒預處理機制[12]和纖維增強對其性能的影響[13].近年來，泡沫混凝土的抗壓性能和能量吸收性能已應用于如飛機攔阻[14]和爆炸防護[15]等工程中.性能更優的陶粒泡沫混凝土相關性能的研究變得愈發迫切，但未見相關報道.

鑒于此，本文采用3種粒徑的陶粒與4種密度的泡沫混凝土組合制備陶粒泡沫混凝土，研究了泡沫混凝土密度和陶粒粒徑對陶粒泡沫混凝土在靜態單軸壓縮下的破壞模式、抗壓強度、壓實應變和能量吸收的影響，并就破壞模式進一步對陶粒粒徑與泡沫混凝土強度的匹配問題進行了討論.

1 試驗

1.1 原材料

水泥為山東泗水產中聯牌快硬硫鋁酸鹽水泥R.SAC 42.5，其28d抗壓強度為42.5MPa，基本參數見表1；3種陶粒均為安徽恒運節能科技有限公司提供的頁巖陶粒，粒徑分別為0～10、10～20、20～30mm，主要性能指標見表2；發泡液采用動物型蛋白質類泡沫混凝土用發泡劑，與水按體積比1∶40稀釋后得到.陶粒泡沫混凝土的配合比見表3.

表1 水泥的基本參數

表2 陶粒的主要性能指標

表3 陶粒泡沫混凝土的配合比

1.2 陶粒泡沫混凝土試件的制備

本研究采用預制泡沫的方法進行陶粒泡沫混凝土試件的制備.具體制備工藝如下：(1)先將水泥和減水劑放在刻度桶中干拌1min，再加水攪拌2min；(2)攪拌漿料的同時，先用發泡機將按比例混合的水和發泡劑制成泡沫，再將泡沫通入攪拌均勻的漿料中，繼續攪拌，待泡沫混凝土的體積達到通過目標干密度預估的體積時，停止通入泡沫；(3)將已稱量、預濕并晾干至飽和面干狀態的陶粒倒入泡沫混凝土漿體中攪拌均勻，即可獲得陶粒泡沫混凝土；(4)將陶粒泡沫混凝土澆注到試模中，并用抹子刮平表面，在室內靜置3h，脫模，再將其置于(20±3)℃，相對濕度大于90%的養護箱中養護3d.

1.3 測試方法

將制備的尺寸為100mm×100mm×100mm的陶粒泡沫混凝土立方體試件用于單軸壓縮試驗，每組3個.該單軸壓縮試驗在北京工業大學結構實驗室的MTS Exceed E45萬能試驗機(300kN)上進行.為提高試件在壓縮過程中的受力均勻性，在試件上下兩端分別放置2塊平整且尺寸稍大于試件尺寸的鋼板.壓縮過程中，試件下端被下金屬壓盤限制豎向位移，上端由上壓盤施加速率為5mm/min(名義應變率為0.00083s-1)的豎向壓縮，直至位移為70mm 時停止加載.

1.4 統計方法

由于在相同應變率情況下，重復性測試獲得的試件應力-應變曲線具有一定離散性，使用平均曲線不合理[16]，因此本研究在每組測量的3個曲線中，選取具有中間抗壓強度值的應力-應變曲線來統計試件的抗壓強度、壓實應變和能量吸收.

Miltz等[17]提出用能量吸收效率Ef來評價泡沫材料的吸能特性.能量吸收效率的表達式為：

(1)

式中：σ(ε)是描述泡沫材料在受壓狀態下的應力-應變函數關系；εa為任意應變；σa為與εa相對應的應力.

材料的最佳吸能工作狀態是指能量吸能效率達到極大值時的狀態，與吸能效率極大值所對應的應變即為壓實應變εD[18].通常各試件能量吸能效率的極大值會有2個或2個以上，需結合其應力-應變曲線的走勢來綜合判斷其εD.本文采用比能量吸收w(J/cm3)來評價陶粒泡沫混凝土試件的吸能特性.w是指單位體積陶粒泡沫混凝土的能量吸收能力，計算公式為：

(2)

2 結果與討論

2.1 破壞模式

2.1.1破壞模式的定義

陶粒泡沫混凝土靜態單軸壓縮有2種破壞模式：界面破壞和非界面破壞.其中，界面破壞模式是陶粒泡沫混凝土在壓縮過程中泡沫混凝土被壓壞，而被泡沫混凝土包裹的陶粒不發生破壞，裂縫存在于泡沫混凝土內部或者陶粒與泡沫混凝土的交界區域；非界面破壞是指陶粒和泡沫混凝土兩者均被壓壞，裂縫存在于泡沫混凝土和陶粒兩者內部.

2.1.2分析與討論

當泡沫混凝土密度較低時，泡沫混凝土與陶粒間的機械嚙合力較小，壓縮過程中，被泡沫混凝土包裹的陶粒不發生破壞，只有部分泡沫混凝土被壓碎，無法充分發揮陶粒的強度效用；當泡沫混凝土密度較高時，泡沫混凝土與陶粒間的機械嚙合力足夠高，壓縮過程中，雖然陶粒和泡沫混凝土均被壓碎，但因泡沫混凝土的強度遠高于陶粒，陶粒只相當于在泡沫混凝土中引入了初始缺陷.以上2種情況均被認為是陶粒與泡沫混凝土的強度不匹配所造成的.當陶粒泡沫混凝土受壓時，最理想的情況是當泡沫混凝土密度提高到某一臨界值時，恰好使陶粒泡沫混凝土的界面破壞現象消失，僅存在非界面破壞一種破壞模式，達到充分利用2種材料抗壓強度的目的，以實現兩者間的強度匹配.考慮到泡沫混凝土的密度很難精確控制，通過試驗找出這一臨界值不現實，本研究將泡沫混凝土密度臨界值所處范圍作為與陶粒強度匹配的密度范圍，以此來保證試驗得到的泡沫混凝土密度范圍與實際密度臨界值在一定誤差范圍之內.

圖1為粒徑為0～10mm陶粒與4種密度泡沫混凝土制備得到的陶粒泡沫混凝土的破壞情況.由圖1可見：當泡沫混凝土密度為400、600kg/m3時，陶粒泡沫混凝土均為界面破壞；當泡沫混凝土密度為800kg/m3時，陶粒泡沫混凝土既有界面破壞，又有非界面破壞；當泡沫混凝土的密度為1000kg/m3時，陶粒泡沫混凝土僅發生非界面破壞.由此說明，與粒徑為0～10mm陶粒強度相匹配的泡沫混凝土密度范圍為800～1000kg/m3.

圖2為粒徑為10～20mm陶粒與4種密度泡沫混凝土組合而成的陶粒泡沫混凝土的破壞情況.由圖2可見：當泡沫混凝土密度為400kg/m3時，陶粒泡沫混凝土僅發生界面破壞；當泡沫混凝土密度為600kg/m3時，陶粒泡沫混凝土中既有界面破壞，也有非界面破壞；當泡沫混凝土密度為800、1000kg/m3時，陶粒泡沫混凝土僅存在非界面破壞.由此說明，與粒徑為10～20mm的陶粒強度相匹配的泡沫混凝土密度范圍為600～800kg/m3.

圖1 Ⅰ組陶粒泡沫混凝土的破壞模式Fig.1 Failure modes of series Ⅰ ceramsite foam concrete

圖3為粒徑為20～30mm陶粒與4種密度泡沫混凝土組合而成的陶粒泡沫混凝土的破壞情況.由圖3可知：當泡沫混凝土密度為400kg/m3時，陶粒泡沫混凝土既存在界面破壞，又存在非界面破壞；當泡沫混凝土的密度為600、800、1000kg/m3時，陶粒泡沫混凝土僅發生非界面破壞.由此說明，與粒徑20～30mm的陶粒強度相匹配的泡沫混凝土密度范圍為400～600kg/m3.

2.2 泡沫混凝土密度對試件抗壓強度、壓實應變、能量吸收的影響

2.2.1泡沫混凝土密度對試件抗壓強度的影響

圖4為陶粒泡沫混凝土抗壓強度與泡沫混凝土密度的關系.由圖4可見，當陶粒粒徑范圍一定時，陶粒泡沫混凝土抗壓強度隨著泡沫混凝土密度的增加而逐漸增長.當陶粒泡沫混凝土的制作工藝和配合比一定時，泡沫混凝土抗壓強度主要受其密度因素的影響，密度越高，泡沫混凝土強度越高[19].泡沫混凝土作為陶粒泡沫混凝土的主要組成部分，也是壓縮荷載的主要承擔者，泡沫混凝土的密度越大，即泡沫混凝土強度越高，陶粒泡沫混凝土的抗壓強度也越高.

2.2.2泡沫混凝土密度對試件壓實應變的影響

圖5為陶粒泡沫混凝土壓實應變與泡沫混凝土密度的關系.由圖5可見，隨著泡沫混凝土密度的提高，3種陶粒粒徑范圍的陶粒泡沫混凝土的壓實應變均呈下降趨勢.陶粒泡沫混凝土被壓縮的過程實質上是其內部孔壁坍塌，氣孔被擠壓破碎、疊合至密實的過程.隨著泡沫混凝土的密度的增大，陶粒泡沫混凝土內部的孔隙度逐漸減小，孔隙從開始被擠壓到完全擠壓消失所需要的應變也會減小.

圖2 Ⅱ組陶粒泡沫混凝土的破壞模式Fig.2 Failure modes of series Ⅱ ceramsite foam concrete

2.2.3泡沫混凝土密度對試件比能量吸收的影響

圖6為陶粒泡沫混凝土比能量吸收與泡沫混凝土密度的關系.由圖6可見，當陶粒的粒徑范圍一定時，隨著泡沫混凝土密度的提高，陶粒泡沫混凝土在靜態單軸壓縮下的能量吸收能力也隨之提高.在此荷載下，陶粒泡沫混凝土破壞的本質是內部微裂縫的產生、發展和聚集過程，進而在混凝土內部形成多個宏觀裂縫和缺陷，致使內部孔壁破碎坍塌，最終導致陶粒泡沫混凝土被壓潰.加載板傳遞給試件的能量主要依靠陶粒泡沫混凝土內部微裂縫的產生、發展及孔壁的破裂坍塌來耗散，進而達到吸收能量的效果.泡沫混凝土是陶粒泡沫混凝土的主要組成部分，試件吸收的大部分能量主要通過在泡沫混凝土內部產生并發展微裂縫來耗散.隨著泡沫混凝土密度的提高，一方面，其孔隙度降低，內部孔壁增厚[20]，在其內部產生和發展微裂縫所耗散的能量增大，且壓縮過程中裂縫數目逐漸增多，導致比能量吸收逐漸提高；另一方面，當泡沫混凝土的密度較低時，陶粒泡沫混凝土在靜態壓縮過程中發生界面破壞，微裂縫的產生與發展僅存在于泡沫混凝土內部，不能滲透到陶粒內部.隨著泡沫混凝土密度的提高，陶粒泡沫混凝土在靜態壓縮過程中逐漸發生非界面破壞，微裂縫的產生和發展存在于陶粒內部的比例逐漸提高，由內部陶粒破壞所耗散的能量逐漸增大，這也是陶粒泡沫混凝土能量吸收能力較強的原因之一.

2.3 陶粒粒徑對試件抗壓強度、壓實應變、能量吸收的影響

2.3.1陶粒粒徑對試件抗壓強度的影響

圖7為陶粒泡沫混凝土抗壓強度與陶粒粒徑的關系.由圖7可見，當泡沫混凝土的密度一定時，隨著陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土的抗壓強度呈現先升后降趨勢.泡沫混凝土與陶粒接觸區域的泡沫混凝土通常不能充分水化，強度偏低，導致泡沫混凝土與陶粒的接觸界面出現薄弱面.當摻入的陶粒體積一定時，陶粒粒徑越小，比表面積越大，陶粒與泡沫混凝土的接觸區域就越大，也就是陶粒泡沫混凝土內部存在的薄弱面也就越多，會降低陶粒泡沫混凝土的抗壓強度.當陶粒粒徑較大時，陶粒內部存在缺陷的概率也就越大，如陶粒內部的裂縫和有害氣孔會增多，受力時容易造成應力集中，從而導致抗壓強度降低.此外，當陶粒粒徑較大時，在泡沫混凝土制備和攪拌成型的過程中，由于泡沫混凝土和陶粒之間存在密度差的影響，通常會出現上浮和下沉2種情況，造成陶粒泡沫混凝土內部陶粒顆粒分布極其不均勻，惡化受力形式，也會造成陶粒泡沫混凝土抗壓強度下降.

圖3 Ⅲ組陶粒泡沫混凝土的破壞模式Fig.3 Failure modes of series Ⅲ ceramsite foam concrtet

圖4 陶粒泡沫混凝土抗壓強度與泡沫混凝土密度的關系Fig.4 Relationship between compressive strength of ceramsite foam concrete and foam concrete density

圖5 陶粒泡沫混凝土壓實應變與泡沫混凝土密度的關系Fig.5 Relationship between densification strain of ceramsite foam concrete and foam concrete density

圖6 陶粒泡沫混凝土比能量吸收與泡沫混凝土密度的關系Fig.6 Relationship between specific energy absorption of ceramsite foam concrete and foam concrete density

圖7 陶粒泡沫混凝土抗壓強度與陶粒粒徑的關系Fig.7 Relationship between compressive strength of ceramsite foam concrete and ceramsite particle size

2.3.2陶粒粒徑對試件壓實應變的影響

圖8給出了陶粒泡沫混凝土壓實應變與陶粒粒徑的關系.由圖8可以看出，當泡沫混凝土的密度一定時，隨著陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土的壓實應變呈現出先減小后增大的變化趨勢.在靜態軸向壓縮過程中，陶粒泡沫混凝土試件中間部分逐漸被壓實，而外圍部分的混凝土向四周潰散.因此，陶粒泡沫混凝土的壓實應變與泡沫混凝土密度、壓縮過程中的潰散程度有關.當泡沫混凝土的密度一定時，陶粒泡沫混凝土的壓實應變主要與其在壓縮過程中的潰散程度有關，潰散程度越嚴重，中間壓實區域越小，壓實應變越大，反之，壓實應變越小.當陶粒摻量一定時，粒徑越小，陶粒與泡沫混凝土的接觸面積越大，陶粒泡沫混凝土內部會存在較多的薄弱面，在壓縮過程中，裂縫沿薄弱面迅速開展，潰散程度較為嚴重.當陶粒粒徑較大時，陶粒上浮或下沉現象較為嚴重，在試件上下兩端分布極不均勻，因此陶粒泡沫混凝土試件的一端往往存在初始缺陷，在壓縮作用下，此端容易出現應力集中現象，所以試件破壞往往從有初始缺陷的一端開始，然后逐漸擴展到另一端，潰散程度也相對比較嚴重.當陶粒粒徑較小或較大時，壓實應變都會偏大.

圖8 陶粒泡沫混凝土的壓實應變與陶粒粒徑的關系Fig.8 Relationship between densification strain of ceramsite foam concrete and ceramsite particle size

2.3.3陶粒粒徑對試件比能量吸收的影響

圖9為陶粒泡沫混凝土比能量吸收與陶粒粒徑的關系.

圖9 陶粒泡沫混凝土的比能量吸收與陶粒粒徑的關系Fig.9 Relationship between specific energy absorption of ceramsite foam concrete and ceramsite particle size

由圖9可見，當泡沫混凝土密度一定時，隨著陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土在軸向壓縮作用下的能量吸收能力逐漸增強.陶粒泡沫混凝土進行能量耗散主要分為2個部分：一是通過泡沫混凝土中裂縫的產生和發展進行能量耗散，二是通過被包裹的陶粒內部產生和發展的裂縫來耗散能量.從陶粒泡沫混凝土的破壞模式可以看出，隨著陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土發生界面破壞過渡到非界面破壞的臨界泡沫混凝土密度逐漸降低，即泡沫混凝土的密度一定時，隨著陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土發生非界面破壞的比例上升.在以上4種泡沫混凝土中，摻入較大粒徑陶粒的陶粒泡沫混凝土發生非界面破壞的比例要高于陶粒粒徑較小的陶粒泡沫混凝土，大粒徑陶粒泡沫混凝土中裂縫在陶粒內部產生和發展所耗散的能量要遠遠高于小粒徑陶粒泡沫混凝土.因此，當泡沫混凝土密度一定時，隨陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土的比能量吸收逐漸提高.

當泡沫混凝土密度一定時，與粒徑為0～10、10～20mm 陶粒泡沫混凝土相比，粒徑為20～30mm 的陶粒泡沫混凝土抗壓強度較低，而且能量吸收能力較強，單軸壓縮下的應力-應變曲線形狀更接近于泡沫金屬，意味著此材料在較低的應力下就可以進入屈服吸能狀態，并具有較高的耗散能，更適用于吸能防護領域.另外，與泡沫金屬類吸能材料相比，陶粒泡沫混凝土造價很低且可以現澆，因此其在經濟性和可模性方面具有突出優勢.

3 結論

(1)隨著泡沫混凝土密度的提高或陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土出現非界面破壞的現象逐漸顯著，與粒徑為0～10、10～20、20～30mm的陶粒相匹配的泡沫混凝土密度范圍分別為800～1000、600～800、400～600kg/m3.

(2)隨著泡沫混凝土密度的提高，陶粒粒徑為0～10、10～20、20～30mm的3種陶粒泡沫混凝土的抗壓強度和能量吸收均有顯著提高，而壓實應變隨之減小.

(3)當泡沫混凝土密度一定時，隨著陶粒粒徑的增大，陶粒泡沫混凝土的抗壓強度先增后減，壓實應變先減后增，而能量吸收能力逐漸提高.粒徑為20～30mm的陶粒泡沫混凝土更適用于吸能防護領域.