輕質泡沫混凝土的物理性能試驗研究

張 偉 吳兆鋒

（1．山東中堅工程質量檢測有限公司，山東 濟南 250000；2．山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

輕質泡沫混凝土稱為輕質或多孔混凝土[1]。輕質泡沫混凝土具有自重小、隔音好和隔熱性能高等優點。輕質泡沫混凝土不需要消耗骨料，用粉煤灰替代部分水泥，可以廢物利用[2]。選擇適當用量的添加劑和發泡劑，使密度保持在較低的范圍（300 kg/m3～1600 kg/m3），其廣泛用于各種節能墻體材料中[3]。

該文主要研究不同密度（500 kg/m3～1400 kg/m3）的輕質泡沫混凝土的物理性能，進行一系列試驗，以檢測抗壓強度、彈性模量以及彎曲強度特性。

1 材料與方法

1.1 材料

該研究使用的材料為普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、水和發泡劑。采用符合標準的P.O42.5R 普通硅酸鹽水泥。水泥的化學成分和物理性質見表1 和表2。所有試驗都使用自來水進行拌合。為了提高混凝土的和易性和減少混凝土的收縮，在部分混合料中加入粉煤灰。粉煤灰的化學成分見表3。使用一種商業發泡劑來產生泡沫。在約0.5 MPa 的壓力下對液體劑加壓，制成密度約為50 kg/m3的穩定泡沫。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學成分

表2 普通硅酸鹽水泥的物理性能

表3 粉煤灰的化學成分

1.2 試樣的制備

在實驗室中制備2 種不同類型的輕質泡沫混凝土（一種不含粉煤灰，另一種含粉煤灰）。每種混凝土根據添加發泡劑的質量不同，各制備5 組不同密度的混凝土，共制備10組。該研究制備的混凝土的目標密度為500kg/m3～1400kg/m3。混凝土的配合比見表4。

表4 輕質泡沫混凝土的配合比

輕質泡沫混凝土的整個制造過程必須仔細考慮混合料的密度、發泡生產速度等因素，才能配制優質泡沫混凝土。生產穩定的輕質泡沫混凝土的關鍵因素是在穩定壓力下對發泡劑進行加壓，在拌合的過程中保持穩定轉速。

所有試樣在模具中澆注后，覆蓋并將試樣置于（25±2）℃和90%濕度的養護室中養護24 h。然后將樣品從模具中取出，在（25±2）℃和60%濕度的環境下養護28 天，然后進行測試。

1.3 試驗方法

輕質泡沫混凝土是一種相對較新的材料，目前還沒有標準化的測試方法來測量其物理力學性能。因此，該研究參照建筑行業標準JG/T 266—2011《泡沫混凝土》和JISA 1161—1994《泡沫混凝土的體積比重、含水率、吸水率及抗壓強度試驗方法》的制備程序和試驗方法。分別進行密度、抗壓強度、彈性模量和彎曲強度的測試。

制備尺寸為150mm×150mm×150mm 的立方體試塊進行抗壓強度測試，試塊的加載速率為0.5 MPa/s。制備尺寸為150 mm×300 mm 的圓柱形試樣進行彈性模量測定，加載速率為0.1 MPa/s，將2 個測量長度為100 mm 的電阻應變片貼在試樣中間高度的2 個相對面。記錄應力-應變特性，用于計算彈性模量。

制備尺寸為150mm×150mm×550mm 的小梁于28 天彎曲強度測試。在三點彎曲裝置中測試彎曲強度，2 個支座之間的距離為300 mm。

2 結果與討論

2.1 密度

發泡劑的用量對硬化泡沫混凝土的密度有很大影響。圖1 為不加粉煤灰（C1-C5）和加粉煤灰（CF1-CF5）兩種混凝土試樣中發泡劑用量與硬化泡沫混凝土密度的關系。從圖中可以看出，輕質泡沫混凝土的密度隨著發泡劑用量的增加而減少，編號為C1 的泡沫混凝土密度最大，為1350 kg/m3，隨著發泡劑用量增加，C5 的泡沫混凝土密度最小，為700 kg/m3。加入粉煤灰后，混凝土整體密度呈下降的趨勢，密度變化規律與不摻入粉煤灰的混凝土保持一致，硬化泡沫混凝土的密度與拌合料中泡沫的含量、水泥漿體的組成以及空隙率密切相關。泡沫含量的增加隨著新鮮混凝土體積增加，導致硬化泡沫混凝土密度降低。可以觀察到C1-C5 和CF1-CF5 試件之間混凝土的密度存在線性關系。此外，從圖1 可以看出，加入粉煤灰后，混凝土的密度水平降低約20%。這是因為在含有粉煤灰的試樣中，硬化過程減慢了。粉煤灰與氣孔之間的物理反應導致大量的氣孔被包裹在混合料中。

圖1 輕質泡沫混凝土密度和發泡劑含量的關系

2.2 抗壓強度

輕質泡沫混凝土在標準立方體試塊抗壓強度試驗中表現出與普通混凝土相似的破壞機制。所有試樣均觀察到典型的錐形斷裂破壞模式。

輕質泡沫混凝土28 天齡期的抗壓強度隨密度的變化關系如圖2 所示。與普通混凝土相比，輕質泡沫混凝土的抗壓強度相對較低，從圖2 可以看出，編號為C1 的混凝土抗壓強度最大，為20.5 MPa，隨著混凝土密度減少，混凝土的抗壓強度也出現迅速降低的趨勢，編號為C5 的混凝土抗壓強度僅為4.5 MPa。其主要原因是隨著泡沫摻量增加，輕質泡沫混凝土的密度逐漸減少，內部的連通孔和大孔越來越多，導致內部缺陷增加，抗壓強度迅速降低。加入粉煤灰后，混凝土的抗壓強度出現變化。不含粉煤灰的試樣比含粉煤灰試樣的強度更高。相同密度下，摻入粉煤灰后，輕質泡沫混凝土的抗壓強度大約下降10%左右。其原因主要是粉煤灰能夠降低混凝土用水量，當水膠比相同時，硬化后的混凝土內部孔隙增多，導致輕質泡沫混凝土的抗壓強度有所下降。

圖2 輕質泡沫混凝土28 天齡期各組的抗壓強度

2.3 彈性模量

對尺寸為150 mm×300 mm 的圓柱形混凝土試樣進行彈性模量測定，圓柱形輕質泡沫混凝土試樣在28 天齡期的壓縮試驗中呈現與普通混凝土相似的破壞機制。所有試樣均觀察到典型的錐形斷裂的破壞模式。從加載壓應力為0.2 MPa 開始直到應力應變的線性關系失效，記錄2種類型輕質泡沫混凝土的應力-應變關系，如圖3 和圖4所示。可以看出，C1-C5 的應力應變關系的斜率普遍大于CF1-CF5，無論是否添加粉煤灰，應力與應變關系的斜率隨著密度增大而增大。

圖3 不添加粉煤灰的混凝土的應力應變關系

圖4 添加粉煤灰的混凝土的應力應變關系

圖5 顯示了輕質泡沫混凝土的彈性模量與其密度之間的關系。

圖5 輕質泡沫混凝土彈性模量和密度的關系

可以觀察到C1-C5 和CF1-CF5 試件之間混凝土的彈性模量存在線性關系。無粉煤灰的混凝土的彈性模量比摻有粉煤灰的混凝土的彈性模量高，隨著混凝土密度的減少，混凝土的彈性模量逐漸減少。

2.4 彎曲強度

在28 天齡期對尺寸為150mm×150mm×550mm泡沫混凝土小梁進行抗彎強度試驗。輕質泡沫混凝土的抗彎強度和混凝土的抗壓強度變化規律相似，同樣是編號為C1 的混凝土抗彎強度最大，為0.61MPa，編號為CF5 的混凝土抗彎強度最小，僅為0.15MPa。隨著混凝土密度增加，彎曲強度呈增加的趨勢，隨著密度增加，彎曲強度增加的趨勢逐漸趨于平緩。加入粉煤灰后，輕質泡沫混凝土的彎曲強度有所降低，相同密度下，輕質泡沫混凝土的抗彎強度大約下降5%左右。

4 結論

該文對輕質泡沫混凝土的抗壓強度、抗折強度以及彈性模量等力學參數進行一系列試驗。此外，還研究了25 次凍融循環對輕質泡沫混凝土抗壓強度的影響。對輕質泡沫混凝土的物理性能進行研究，得出以下3 個結論：1）發泡劑的用量與硬化輕質泡沫混凝土的密度密切相關，隨著發泡劑用量增加，輕質泡沫混凝土的密度逐漸減少。2）輕質泡沫混凝土的抗壓強度、彈性模量、抗彎強度均隨混凝土密度的減少而減少。3）在輕質泡沫混凝土中摻入5%的粉煤灰后，輕質泡沫混凝土的抗壓強度、彈性模量和抗彎強度略有降低。