基于不同水灰比的發泡混凝土的微觀力學性能研究

余 沛

（信陽學院 土木工程學院，河南 信陽 464000）

混凝土作為一種復合材料，當其受到外部載荷作用時，混凝土配合比設計對混凝土結構的抗壓強度、混凝土的泊松比及混凝土滲透性等物理力學參數影響較大。近年來，在寒冷地區修建道路工程中經常采用泡沫混凝土或發泡混凝土，其自身具有低密度、導熱、減震吸能及吸聲性能良好等優點[1]。

孫健翔等[2]以含氟混凝土為研究對象，采取宏觀性能和微觀表征探討了含氟增強劑對混凝土的表面回彈強度和滲透性能的影響，研究結果表明，含氟增強劑可以有效提高混凝土表面回彈強度26.6%，促進混凝土內部水化物的產生，進一步改善混凝土內部微觀結構，對混凝土的滲透性產生較大影響。朱茂金[3]以鋼纖維機制砂混凝土為研究對象，開展了高溫后鋼纖維機制砂混凝土力學性能的變化規律研究，通過室內試驗、電鏡掃描和X 射線衍射相結合的方法，分析了鋼纖維摻量不同時機制砂混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度的變化規律。池俊生等[4]以珊瑚砂混凝土為研究對象，基于不同攪拌環境和硅灰摻量，分析了珊瑚砂混凝土的力學性能和微觀孔隙結構，研究結果表明，真空負壓環境下攪拌珊瑚砂混凝土對其強度有一定的提升，可以有效降低珊瑚砂混凝土的孔隙率。黃華等[5]以粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土為研究對象，研究了粉煤灰、礦渣、水玻璃及水玻璃模數等不同配合比對地聚物混凝土宏觀力學性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡、能量彌散X 射線等4 種方法對地聚物混凝土的微觀結構進行深入分析。劉振威[6]以石灰巖機制砂混凝土為研究對象，分析了機制砂中石粉含量和不同溫度對機制砂混凝土的應力應變曲線、彈性模量和損傷演變過程及耗能等力學性能指標的影響。張杰[7]以納米TiO2混凝土為研究對象，通過電鏡掃描和凍融試驗，分析了碳化凍融后納米TiO2混凝土的力學性能和微觀結構特征，研究結果表明，不同摻量納米TiO2改變了混凝土孔結構，提升了混凝土的抗凍融性能。俞宣良[8]研究了廢棄玻璃粉玻璃粉對混凝土微觀性能和力學性能的影響，研究結果表明，不同玻璃粉含量對混凝土的孔隙率影響不同，有效促進混凝土內部膠凝孔的生成，增加了混凝土的密實度。韋立[9]以工程用水泥基復合材料（ECC）為研究對象，分析了不同配合比設計下的ECC-混凝土的界面早期力學性能和微觀結構特性。余海燕等[10]以透水混凝土為研究對象，分析了水灰比、道路粉塵及孔隙率對透水混凝土強度、抗堵塞及透水性等性能的影響。宋慧等[11]研究了骨料和水灰比對透水混凝土性能的影響，基于單軸壓縮試驗和透水系數測試，得到了不同配合比設計對透水混凝土抗壓強度及應力應變曲線的影響。雷東移等[12]以泡沫混凝土為研究對象，闡述了泡沫混凝土的破壞機理和國內外發泡劑的應用現狀，分析了泡沫混凝土的特性，為發泡劑及泡沫混凝土的研究提供了參考。JONES 等[13-14]根據混凝土的基本力學性能，提出了粉煤灰可以代替部分水泥，通過調整配合比和水泥用量，得到了不同干密度的發泡混凝土，并結合顯微鏡和圖像分析軟件，研究了發泡混凝土的失穩機理。KUMAR 等[15]基于凝土為原材料，研究了發泡混凝土的孔隙率和強度之間的關系，構建了發泡混凝土抗壓強度與孔隙率的函數模型。

綜上所述，混凝土配合比的變化對混凝土的力學性能及微觀結構有重要影響。然而針對配合比變化對混凝土尤其在泡沫混凝土的脆性度及微觀結構的研究較少。為了研究水灰比變化對發泡混凝土脆性度及微觀結構的影響，本文制備6 種不同水灰比（P=0.50、0.53、0.56、0.59、0.62 和0.65）的發泡混凝土，通過對不同水灰比進行單軸壓縮試驗，基于應力-應變曲線峰后階段對不同配比混凝土進行脆性度分析，同時結合混凝土破壞后的碎塊的微觀形貌，研究配比變化對混凝土脆性度的影響，以期指導發泡混凝土結構的工程應用具有重要意義。

1 發泡混凝土的脆性度計算原理

混凝土的應力-應變曲線可以反映其應力與變形之間的關系，通過研究混凝土峰后應力-應變曲線的形態可以了解混凝土的脆性程度。大量研究表明，峰后應力降可以一定程度上反映混凝土的脆性度變化[7-9]。應力降的表達公式如式（1）所示。

式中，α 為應力降大小，σd為峰值應力σp殘余應力。

應力降可以一定程度上反映峰后應力的變化幅度大小，但是單純地利用應力降來表達脆性有一定的局限性。例如相同應力降的情況下，由于峰后階段應力-應變曲線下降的速率不同，混凝土的脆性不一定相同，因此必須考慮峰后階段混凝土應力應變曲線下降的相對速率。由于應力降的范圍為0~1，為了使得數據表征更加直觀，將應力降的相對速率取對數除以10，使相對速率的范圍處于0~1。相對速率的表達式如式（2）所示。

式中，β 為應力降的相對速率，其幾何意義表示單軸壓縮強度到達殘余強度連線速率。最終結合式（1）和式（2），獲得發泡混凝土的脆性度表示如式（3）所示。

式中，λ 為脆性度。在公式（3）中，由于應力降及其相對速率的范圍都為0~1，因此脆性度λ 的取值范圍也為0~1。對于脆性度λ 取值對應材料的脆性，相關研究認為相同材料時應力降越大脆性越強，而峰后應力下降的相對速率越大，脆性越強。因此，脆性度λ 的取值越靠近1，材料的脆性越強，越靠近0，材料的脆性越弱。

2 水灰比對發泡混凝土的脆性度影響

2.1 試驗裝置及試驗方法

本試驗發泡混凝土中水泥選用徐州中聯水泥廠生產的P?O32.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥的化學成分如表1 所示；其他由銅山燃煤電廠生產的Ⅱ級粉煤灰、外加劑和雙氧水發泡劑等組成。制備水灰比設為P=0.50、0.53、0.56、0.59、0.62 和0.65，參照混凝土制作標準，根據規范[16]和試驗所用的試件尺寸，最終制成尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方體發泡水泥試樣。本次試驗，混凝土成型、養護按照規范[16]進行操作。

表1 水泥及粉煤灰的化學成分 %

本次單軸壓縮試驗采用信陽學院土木工程學院信陽市裝配式重點實驗室的YAW-2000 壓力試驗機。該系統由軟件控制系統、動力加載控制系統和自動數據采集系統組成，如圖1 所示。在整個試驗過程中，系統自動完成數據采集工作，減少人為的誤差。數據采集為試驗加載設備自身攜帶的位移-荷載采集系統。應變片采用箔基應變片，其規格是5 mm×50 mm，電阻為120 Ω。試驗時，將箔基應變片粘貼在試件側面，沿著試塊高等距布置2 個，然后將貼有應變片的試樣放在壓力試驗機上，采用位移加載方式按照0.002 mm/s 的加載速度實施加載，直至試樣出現宏觀破壞為止。

圖1 試驗裝置

2.2 水灰比對發泡混凝土物理力學性能的影響

圖2 為不同水灰比作用下的發泡混凝土的應力-應變曲線。不同水灰比作用下，發泡混凝土的應力-應變曲線及力學特性變化規律不同。

圖2 不同水灰比發泡混凝土的應力-應變曲線

從圖2 可以看出水灰比變化對發泡混凝土物理力學性能的影響主要體現在以下幾方面：不同的應變對應的應力有差異，主要表現在混凝土全應力應變曲線中的近似線彈性階段的上升斜率，隨著水灰比的升高出現下降；單軸抗壓強度的降低表明發泡混凝土的抗承載能力，隨著水灰比的升高逐漸減弱；峰值應變εd和殘余應變εp隨著水灰比的升高而增加。可見，不同配合比的水灰摻量對發泡混凝土力學性能產生的影響不同。

圖3 為發泡混凝土的應變隨水灰比的變化曲線。從圖3（a）可以看出，發泡混凝土的峰值應變εd隨著水灰比的升高而逐漸增加：當水灰比為0.5時，發泡混凝土的峰值應變εd最小，為2.153×10-3；隨著水灰比升高到0.65 時，發泡混凝土的峰值應變εd增加到3.322×10-3，較水灰比為0.5 時的峰值應變增加54.24%。峰值應變εd隨水灰比的變化呈近似線性增加，表明水灰比升高降低了發泡混凝土的抗變形能力。

圖3 發泡混凝土的應變隨水灰比變化曲線

發泡混凝土的殘余應變εp隨著水灰比的升高而逐漸增加，當水灰比為0.5時，發泡混凝土的殘余應變εp最小，為2.552×10-3；隨著水灰比升高到0.65 時，發泡混凝土的峰值應變εp增加到3.583，較水灰比為0.5 時的殘余應變增加40.39%，殘余應變εp隨水灰比的變化呈近似線性增加。可見，水灰比的增加會顯著提升發泡混凝土的性能，對發泡混凝土施加一定壓力，在一定的時間會使得發泡過程更加均勻和穩定。

2.3 發泡混凝土的脆性度隨水灰比的變化規律

利用公式（1）、（2）和（3）結合不同水灰比發泡混凝土全應力-應變曲線計算得出發泡混凝土的應力降、峰后相對斜率及脆性度，如圖4和圖5所示。

圖4 發泡混凝土的應力降隨水灰比的變化規律

圖5 發泡混凝土峰后應力下降相對斜率隨水灰比的變化規律

從圖4 可以看出，水灰比對發泡混凝土的應力降影響較為顯著，發泡混凝土的應力降隨著水灰比的升高呈近似線性下降趨勢。當水灰比為0.5 時，其對應的應力降為0.452 3；水灰比升高至0.65 時，對應的應力降為0.158 7，較水灰比為0.5 時的應力降下降了64.9%。應力降的變化一定程度上反映了發泡混凝土的脆性隨著水灰比降低。

圖5 為發泡混凝土峰后應力下降相對斜率隨水灰比的變化規律。從圖5 可以看出，水灰比對混凝土的應力下降的相對斜率影響顯著，主要表現為混凝土的應力下降相對斜率隨著水灰比的升高呈近似線性下降。當水灰比為0.5 時，其對應的相對斜率為0.048 8；水灰比升高至0.65 時，對應的相對斜率為0.001 8，較水灰比為0.5 時的相對斜率下降了96.3%。

將不同水灰比發泡混凝土單軸壓縮后的脆性系數進行擬合，得到如圖6 所示的擬合曲線，發泡混凝土的脆性系數隨水灰比的變化呈線性變化。

圖6 不同水灰比作用下的發泡混凝土的脆性系數變化規律

從圖6 可以看出，水灰比對混凝土的脆性度影響顯著，主要表現為混凝土的脆性度隨著水灰比的升高呈近似線性下降。當水灰比為0.5 時，其對應的脆性度為0.022 3；水灰比升高至0.65 時，對應的脆性度為0.000 3，較水灰比為0.5 時的脆性度下降了98.7%。混凝土的脆性度隨水灰比的變化情況說明，水灰比的升高降低了發泡混凝土的脆性，增加了其延性。

3 發泡混凝土的微觀試驗研究

本次試驗設備采用信陽學院理工學院引進的型號為JEOL 的掃描電子顯微鏡系統。首先用電鏡掃描的觀測面選擇將單軸壓縮后發泡混凝土斷口部分較光滑平面部分，取此觀測面上的碎塊作為電鏡掃描的觀測體，發泡混凝土碎塊的直徑約為1.52 cm；其次用專用毛刷將發泡混凝土碎塊表面輕刷直至碎塊表面干凈，用肉眼看不見任何可見塵埃物；再次將碎塊放入烘干箱中烘干24 h，將烘干后的碎塊式樣放入SBC-12 小型濺射儀中進行下一步噴金粉工作；最后，用掃描電子顯微鏡觀察噴上金粉的碎塊，進行微觀結構的試驗。

圖7 為不同水灰比發泡混凝土的微觀形貌。從圖7（a）可以看出，當P=0.5 時，試件觀測面出現了一定量的微孔聚集現象，試件其他部位還存在一定的臺階花樣；從圖7（b）可以看出，當P=0.53 時，試件觀測面出現了一定量零散分布的微孔聚集現象，同時存在霧狀滑移區，此外還存在著脆性特征的河流花樣；從圖7（c）中可以看出，當P=0.56 時，試件觀測面出現了一定量的微孔聚集現象，微孔聚集尺寸較小且彼此間相互獨立，除了微孔聚集之外還有臺階花樣；從圖7（d）可以看出，當P=0.59 時，試件觀測面較疏松且分布著大量的微孔聚集現象，少部分微孔相互貫通；從圖7（e）可以看出，當P=0.62 時，出現了大量的微孔聚集現象，微孔聚集尺寸相較于水灰比為0.59 的尺寸大，部分微孔聚集彼此連通；從圖7（f）可以看出，當P=0.65 時，整個觀測面出現了大量的大尺寸微孔聚集現象，大部分微孔相互貫通，此時對發泡混凝土強度影響較大。

圖7 單軸壓縮后不同水灰比發泡混凝土碎塊的微觀形貌

為了研究不同水灰比對發泡混凝土的影響，通過電鏡掃描試驗對不同水灰比下的發泡混凝土在其單軸壓縮下脆性破壞形態觀察可以發現，發泡混凝土試件內部有大小不一且無規則的裂縫，裂縫整體表現寬度較小。伴隨水灰比的增大，試件的裂縫表現形式不同，由于發泡混凝土微孔聚集現象存在，裂縫寬度增加且形成連通但分布狀態表現為少而稀；整體來看，裂縫無規則，呈現“倒八字型”、“S 型”及“樹狀”等形狀，由于發泡混凝土脆性降低，后期裂縫的高度和寬度的擴展速率不大。隨著水灰比的升高，發泡混凝土的脆性特征變化逐漸減少，同時延性特征變化數量增多、尺寸增大且彼此間相互貫通趨勢加強，說明發泡混凝土的脆性特性隨水灰比逐漸降低，伴隨水灰比的變化，發泡混凝土的延性逐漸增強。發泡混凝土的微觀的變化規律與宏觀上應力-應變曲線獲得的脆性度系數規律相吻合。可見，發泡混凝土的微觀形貌試驗結果，在一定程度上可以反映發泡混凝土的宏觀性能的變化情況。

4 結論

為了探究水灰比對發泡混凝土的脆性程度的影響，本文首先對6 種不同配合比設計下的混凝土進行單軸壓縮試驗，利用脆性度函數結合不同水灰比下發泡混凝土的應力-應變曲線計算混凝土的脆性度，獲得脆性度與水灰比的關系；通過對試驗后碎塊進行電鏡掃描試驗，觀察不同水灰比發泡混凝土的微觀形貌，得到以下結論。

（1）不同配合比水灰摻量對發泡混凝土力學性能影響不同。隨著水灰比逐漸增大，發泡混凝土的單軸抗壓強度呈先增加后降低的趨勢，峰值應變εd和殘余應變εp逐漸增加。

（2）隨著水灰比的增大，發泡混凝土的峰后應力降、應力下降相對斜率及脆性度系數逐漸減小，與水灰比呈近似線性下降關系。

（3）隨著水灰比的增加，脆性特征花樣分布減少，微孔聚集數量及尺寸逐漸增加，且微孔間彼此相互貫通趨勢加強。裂縫分布有一定的差異，且裂縫大小不一、無規則。脆性特征花樣及微孔聚集的分布隨水灰比的變化表明發泡混凝土脆性度隨水灰比逐漸降低。