泡沫混凝土物理力學特性研究

暴曉慶，高 蕾，王 桐，劉 麗，吳 陽

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

0 引 言

我國煤炭資源十分豐富，且早在西漢時期就已經開始開采和使用煤礦資源。早時人們更多的追求煤炭產量而忽視了開采時的安全問題，安全設備不足、技術不夠。隨著時代的發展，現如今我們對于煤礦開采不僅僅要求其產量，安全問題是井下生產的首要問題。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成為瓦斯氣體的危險散布通道,還降低井下的通風效果,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、密閉泄水擋風墻、密閉巷道抽排瓦斯墻等[2]。我國傳統的井下密閉墻多采用磚墻結構，原材料包括磚塊、砂、水泥等。隨著科學技術的進步以及對井下安全水平要求的提高，相繼出現多種新型密閉材料，密閉墻的種類也多種多樣。磚墻結構技術成熟，應用時間較長、技術要求低，工人能夠熟練掌握，但其有施工工期長、費用高且密閉效果不夠好的缺點。有機泡沫材料具有發泡率高、質量輕、成型速度快、高孔隙率、高滲透性等特點，但其抗沖擊性能差且在高溫條件下容易散發有毒氣體、易燃，在發生火災時容易發生變形。

研究泡沫材料在火災條件下材料強度、密閉性能等具有現實意義。本文通過對不同密度下的混凝土進行吸水率對比實驗發現，泡沫混凝土密度不同其吸水率情況也不同；此外還對不同密度下的混凝土進行單軸、三軸壓縮實驗；泡沫混凝土-砂漿直剪試驗和泡沫混凝土動態沖擊試驗（SHPB），為泡沫混凝土在井下應用提供理論依據。

1 試驗材料

1.1 試驗材料

試驗原料：42.5 級普通硅酸鹽水泥（市售華新水泥有限公司生產）、粉煤灰（市售武漢羅陽電廠生產的一級粉煤灰）、發泡劑（市售河南華泰建材開發有限公司開發的HT 復合發泡劑）、防水劑（市售易來泰公司生產的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的PC100 聚羧酸鹽高性能減水劑）、促凝劑（市售中國建筑材料科學研究總院研制的HSA 高效速凝劑）。

1.2 材料制備

經過大量的正交試驗發現，考慮到材料的氣泡品質、纖維品質、干密度、吸水率、抗壓強度、劈裂抗拉強度和劈拉強度/抗壓強度比值等指標，得出各原材料最佳配比為：在以水泥為1 800 g 的基準條件下，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 時泡沫混凝土各指標綜合素質最高。因此，本文材料以其為基本材料進行各項試驗。

2 試驗方案

2.1 泡沫混凝土吸水率試驗

實驗分別制備4 個密度為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間吸水量的變化情況。

2.2 泡沫混凝土單軸壓縮試驗

試驗分別制備3 個密度分別為250、450、600 kg/m3的試樣，每個密度試樣制備3 個，共9 塊試樣，分別在RMT 多功能試驗機上進行單軸壓縮試驗，得出不同密度下泡沫混凝土的單軸抗壓強度、彈性模量及其應力應變關系，分析不同密度的泡沫混凝土在實驗中的破壞形態，進一步得出密度對于泡沫混凝土強度特性的影響。

2.3 泡沫混凝土三軸壓縮試驗

分別對密度為250、550 kg/m3條件下的泡沫混凝土進行圍壓為0、0.25 、0.5 MPa 的試驗，得出不同密度混凝土應力應變曲線。

2.4 泡沫混凝土-砂漿直剪試驗

試驗分別制備260、600、750 kg/m33 個不同密度的試樣。將32.5 級水泥、中砂、水按照1∶5.27∶1.16 混合攪拌均勻，澆筑在放有預先制備泡沫混凝土試塊的模具中養護24 h 拆模，再在標準條件下養護15 d。直剪試驗采用RMT-150C 數控式電機伺服試驗機，起初以0.5 kN/s 的速率緩慢施加法向荷載至設計值，隨后以0.01 mm/s 的速率施加剪切應力直至試件破壞。

2.5 泡沫混凝土動態沖擊試驗（SHPB）

試驗制備直徑為50 mm，高度為30 mm 試樣，用φ50 mm 桿徑SHPB 試驗裝置進行試驗。本次試驗共進行20 個式樣的泡沫混凝土SHPB 沖擊試驗，沖擊圍壓分別為0、2.5、5.0、7.5 MPa，具體實驗方案見表1、表2。

表1 泡沫混凝土單軸沖擊試驗方案

表2 泡沫混凝土三軸沖擊試驗方案

3 結果與討論

3.1 泡沫混凝土吸水率試驗結果分析

泡沫混凝土浸泡后質量隨時間變化情況如圖1所示。不同密度混凝土質量均隨時間而增加，且試塊質量在前2 h 增長較快，在4 h 后質量上升緩慢。經計算得出各密度泡沫混凝土吸水率隨時間的變化情況，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 質量隨時間增長曲線

圖2 吸水率隨時間增長曲線

3.2 泡沫混凝土單軸壓縮試驗結果分析

單軸壓縮試驗結果如表3 所示。泡沫混凝土抗壓強度隨密度的增加不斷上升。低密度泡沫混凝土其內部孔隙較多，其內向變形空間很大，更易發生變形。高密度泡沫混凝土其內部結構密實，在外力作用下不易發生變形，其抗壓強度逐步提高。

表3 單軸壓縮試驗結果

3.3 泡沫混凝土三軸壓縮試驗結果分析

圖3 不同圍壓下泡沫混凝土試樣（密度：250 kg/m3）的應力應變曲線

圖4 不同圍壓下泡沫混凝土試樣（密度：550 kg/m3）的應力應變曲線

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力應變曲線，由圖可知，低密度和高密度泡沫混凝土應力應變曲線變化規律大體趨勢類似。單軸壓縮條件下，試樣達到強度前近似線性彈性，達到強度后，隨著應變增加，材料應力有小幅下降。圍壓增加時，泡沫混凝土的強度及屈服后殘余強度均隨之增加。應力-應變曲線逐漸由應變軟化型經理想彈塑型向應變強化型轉變。當達到材料強度后，隨著外力的增加，材料部分發生屈服破壞，接著重新壓緊內部應力發生轉移，此后應力基本保持穩定。隨著圍壓的增加，徑向同樣會發生壓縮變形，試件壓縮時密度變大其承載力也不斷增大，當體積壓縮至一定量后，最終發生峰后應變硬化現象。

3.4 泡沫混凝土-砂漿直剪試驗結果分析

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，剪應力隨剪切位移迅速增大，破壞面主要發生在接觸面上；第二階段，剪應力急劇下降發生脆性破壞，即隨著剪切位移的增大，由于剪應力集中使得部分接觸面脫粘而產生較大的應力降；第三階段接觸面完全破壞，抗剪力完全由摩擦力提供，并且由于剪切過程中造成泡沫混凝土顆粒碎屑遷移、滾動滑出接觸面而導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一步致密，有效接觸面積顯著增大，剪應力隨剪切位移線性增長；第二階段，界面顆粒相繼屈服，剪應力趨于平緩，即產生較大的塑性應變，豎向位移變化較小；第三階段，剪切位移繼續增大，產生應變硬化，界面顆粒在剪切過程中重新排列緊密，使得剪切剛度顯著增大，剪應力達到峰值；第四階段，由于破碎帶較寬，剪應力穩步下降，直至接觸面完全破碎而達到穩定值，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，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產生較大的摩擦力，這時破壞不再增大，豎向位移也不再發生變化。

3.5 泡沫混凝土沖擊試驗結果分析

在SHPB 沖擊試驗中，泡沫混凝土試件未受到圍壓作用且力加載率一定時，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；且實驗發現，在有圍壓作用時，相同力加載率作用下試件本身并未發生明顯破壞。圍壓增加可以提高試件的抗壓強度和抗變形能力，圍壓的存在約束了混凝土中裂紋的形成和擴展，且圍壓越大，約束力越大。

另外，相同圍壓（或無圍壓）條件下，泡沫混凝土的破壞模式表現出了明顯的率相關性，在應變率較低時，破壞模式為劈裂破壞；隨著應變率的不斷增長，破壞模式逐漸轉變為壓碎破壞。這是因為在應變率較低時，泡沫混凝土的破壞是由已有缺陷的尖端裂紋擴展、貫通引起的，有明顯的方向性，呈劈裂破壞形式；而隨著應變率的增大，更多的細觀裂紋發生擴展，材料的碎塊尺寸變小，破碎程度加重，最終呈現出壓碎的破壞形式。

4 結 論

1）不同密度的泡沫混凝土吸水率試驗研究表明，泡沫混凝土吸水率相對較低，隨著密度的增大泡沫混凝土的吸水率進一步減小。

2）不同密度的泡沫混凝土單軸壓縮試驗表明，泡沫混凝土的強度隨其密度呈指數型增大，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表明隨著圍壓的增加，泡沫混凝土的強度及屈服后殘余強度均不斷增加，低密度和高密度泡沫混凝土應力應變曲線變化規律大體趨勢類似。

4）泡沫混凝土的SHPB 沖擊試驗表明：泡沫混凝土的破壞形態隨圍壓的大小不同而發生變化，圍壓增加可以提高試件的抗壓強度。另外，相同圍壓條件下，泡沫混凝土的破壞模式表現出了明顯的率相關性。