泡沫轻质混凝土力学特性试验研究

苏谦，赵文辉，王亚威，刘亭

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031）

泡沫轻质混凝土力学特性试验研究

苏谦1，2，赵文辉1，2，王亚威1，2，刘亭1，2

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031）

为研究泡沫轻质混凝土的力学特性，采用微机控制电子万能试验机对湿密度为400～1000kg/m3的泡沫轻质混凝土试样开展单轴压缩试验。结果表明:泡沫轻质混凝土压缩过程分为典型的4个阶段，即调整阶段、弹性阶段、脆性阶段和屈服阶段（震荡屈服和点屈服）；当湿密度为400～800kg/m3时无侧限抗压强度呈指数增加，当湿密度为800～1000kg/m3时无侧限抗压强度增长效果不明显；当湿密度为400～600kg/m3时弹性模量增长缓慢，而当湿密度为600～1000kg/m3时弹性模量增长较迅速，但增长速率逐渐减小；养护龄期前期影响较大，后期影响较小。

泡沫轻质混凝土；湿密度；无侧限抗压强度；弹性模量；养护龄期

泡沫轻质混凝土是由水泥（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浆体，然后再与一定比例的足够细小的稳定气泡群充分混合搅拌形成流体，并最终凝固成型的一种轻型填筑材料。该材料具有自重轻、强度高、流动性好、性能稳定、直立性强、对环境影响反应迟钝等优点，在岩土工程中得到了广泛的应用，如软土地基处理、路基加宽、桥背回填及沿海地基填充等。随着泡沫轻质混凝土应用范围的增加，其湿密度使用范围也随之扩大。国内外学者针对泡沫轻质混凝土展开了许多研究，文献［1-6］介绍了泡沫轻质混凝土的基本概念，详细研究了其物理力学特性和影响因素。Satoh等［3］分析了泡沫轻质混凝土作为港口填料的可行性，认为其作为港口填料，一年后密度与28d密度相同，但强度提高了40%；Otani等［4］采用CT技术对熊本机场的泡沫轻质混凝土试样进行扫描，分析不同配合比下泡沫轻质混凝土在浇筑过程中气泡分布及抗压强度等力学特性。但上述研究中泡沫轻质混凝土湿密度主要集中在520～670kg/m3，范围较狭窄，因此有必要开展湿密度范围更广的泡沫轻质混凝土力学特性研究。

本文针对湿密度范围为400～1000kg/m3的泡沫轻质混凝土试样开展单轴压缩试验，研究泡沫轻质混凝土的压缩特性和湿密度、养护时间对无侧限抗压强度及弹性模量的影响，为工程建设提供参考依据。

1　材料与试样制备

水泥为四川拉法基集团的P.O42.5普通硅酸盐水泥；发泡剂为FL-1型；外加剂若干。制备泡沫轻质混凝土浆液过程为：首先分别称取水泥及水若干，充分搅拌均匀后，再加入发泡装置制备的泡沫，搅拌至要求。试验中要求水泥浆的水固比为0.65，湿密度误差≤1%，故下述抗压强度分析中，对同一配合比试样的质量差异忽略不计。试样尺寸为100mm×100mm× 100mm，制备过程为：①浇筑；②刮平（养护24h后）；③拆模、成型；④养护（试样由保鲜袋包裹，放置在标准养护室内）。

2　试验目的和方法

为了研究泡沫轻质混凝土在不同湿密度下的抗压强度特性及其影响因素，采用WDW系列微机控制电子万能试验机对试样进行单轴压缩试验。下文中试样的测试平均值为3组测试结果的平均值。试验中，对同一配合比的试样采用一次浇筑完成，且对不同配合比试样采用同一条件下养护，减小外部环境差异对试样的影响。除养护龄期对力学特性影响的研究外，其余试验所用试样龄期均为28d。试验参照标准《泡沫混凝土砌块》（JC/T1062—2007）执行。

3　试验成果和分析

3.1泡沫轻质混凝土的压缩特性

对湿密度范围为400～1000kg/m3的泡沫轻质混凝土试样开展无侧限抗压强度试验，其中典型湿密度为400，700，1000kg/m3的泡沫轻质混凝土试样的应力-应变曲线如图1所示。

图1　泡沫轻质混凝土的应力-应变曲线

由图1可知：不同湿密度泡沫轻质混凝土的应力-应变曲线开始阶段均会出现一段应力随着应变的增加而缓慢增长的曲线，但与图1（a）相比，图1（b）和1（c）中该段曲线较短；而后进入应力随应变线性增长的弹性阶段；达到应力峰值前，出现一段随着应变增加，应力增加较缓慢的曲线，即切线斜率减小的一段曲线；达到峰值后，图1（a）应力随着应变的增加呈波浪状缓慢增长或衰减（不超过峰值）现象，而图1（b）和图1（c）在应力达到峰值后，突降到一定值，而后出现一段随着应变的增长应力缓慢减小的曲线。

结合文献［7］对多孔材料和混凝土压缩特性的分析，总结上述泡沫轻质混凝土应力-应变曲线特性，给出泡沫轻质混凝土材料压缩曲线模型，如图2所示。该曲线模型主要分为4个阶段：

图2　泡沫轻质混凝土材料压缩曲线模型

1）调整阶段（图2的oa段）。该阶段的产生与泡沫轻质混凝土试样存在较脆弱的表面相关，该表面是由试样在浇筑时模具表面的涂油层造成的（试样自身缺陷）。在压缩试验中，随着压缩位移的增加，这些孔隙首先被压实，主要表现为应力随着应变的增加而缓慢增长。在实际工程中，该阶段不存在，研究意义不大。

2）弹性阶段（图2的ab段）。该阶段应力随应变呈线性增长，外力由整个试样承载，应力变化较大。

3）脆性阶段（图2的bc段）。该阶段伴随着试样内部微裂纹的扩展、新裂纹的产生或汇集，应力随着应变的增加而缓慢增长，主要表现为与弹性阶段相比，弹性模量出现减小现象。

4）屈服阶段。结合试验，得到泡沫轻质混凝土的屈服阶段分为下述两种情况，其破坏情况如图3所示。

图3　两种典型屈服的破坏情况

①震荡屈服（图2的cf段）。当应力达到峰值后，试样表层首先个别孔壁被压垮，其所在面上（主要为平面）的其余孔壁产生应力集中，导致整层孔壁被压垮，应力随着应变的增加而小幅下降。随着破碎层面被压实，应力会随着应变的增加而小幅上升，但不会超过峰值，接着与之接触的另外一层的气孔被压垮压实，产生相同的现象（见图3（a））。

②点屈服。该阶段主要分为两段：突降段（图2的cd段）和缓降段（图2的de段）。突降段发生的原因为：当泡沫轻质混凝土应力超过其断裂承载力时，发生脆性断裂，应力随着应变而陡降。从破坏部位上，主裂缝与轴线约成45°。缓降段发生的原因为：该阶段试样整体已破坏，荷载由相互接触的几部分试样共同承受，随着压缩位移的增加，次裂缝产生，试样进一步被压坏，应力随着应变的增加而加速衰退（见图3（b））。

结合图2和图3分析得到：湿密度为400kg/m3的泡沫轻质混凝土的屈服阶段主要表现为震荡屈服；而湿密度为700，1000kg/m3的泡沫轻质混凝土的屈服阶段主要表现为点屈服，且其cd段随着湿密度的增加而增大。说明随着泡沫轻质混凝土湿密度的增加，其屈服阶段由震荡屈服向点屈服过渡，且点屈服突降段幅度随着湿密度的增加而增大。

3.2湿密度对泡沫轻质混凝土力学特性的影响

泡沫轻质混凝土主要由固化材料（水泥）组成，所以水泥水化作用后形成的固化物决定着泡沫轻质混凝土的密度。根据测试平均值进行线性拟合，可知湿密度与干密度呈线性关系，相关系数R2=0.9987，拟合度较高。泡沫轻质混凝土湿密度（范围为400～1000 kg/m3）与干密度的关系曲线如图4所示。

图4　湿密度与干密度关系曲线

文献［7-8］分别分析了饱和度和干密度与无侧限抗压强度的关系曲线，得出无侧限抗压强度与饱和度和干密度呈指数关系。Kearsley等［9-10］对泡沫混凝土的抗压强度、孔隙率与渗透性的相互关系、孔隙率对其强度的影响进行了系列研究，建立了泡沫混凝土抗压强度与其龄期和孔隙率的相互关系数学模型，计算公式如下

式中：fc为泡沫混凝土的抗压强度，MPa；t为泡沫混凝土的龄期，d；p为365d后测试所得的泡沫混凝土孔隙率。

其中，孔隙率可由下式计算得出式中：ρd为泡沫轻质混凝土的干密度，kg/m3；ρs为纯水泥浆固化密度，为固定值，kg/m3。

由式（2）可知，对于同一水固比浇筑的泡沫轻质混凝土试样，其干密度与孔隙率呈线性关系。结合图4线性拟合结果，则泡沫轻质混凝土湿密度与孔隙率呈线性关系。再结合式（1），可知对于养护龄期相同的泡沫轻质混凝土试样，其抗压强度随着湿密度的增长呈指数增长。

对湿密度范围为400～1000kg/m3的泡沫轻质混凝土进行压缩试验，湿密度与抗压强度及弹性模量的关系曲线分别如图5和图6所示。

图5　湿密度与无侧限抗压强度关系曲线

图6　湿密度与弹性模量关系曲线

由图5可知：①当泡沫轻质混凝土湿密度范围为400～800kg/m3时，其无侧限抗压强度与湿密度关系拟合曲线为y=0.090e0.005x，R2=0.971，说明随着湿密度的增加，无侧限抗压强度呈指数增加；②湿密度为1000kg/m3的泡沫轻质混凝土无侧限抗压强度约为湿密度为800kg/m3的1.1～1.2倍，增加效果不太明显，因此实际工程应用中泡沫轻质混凝土推荐采用的湿密度范围为500～800kg/m3。

由图6可知：泡沫轻质混凝土在湿密度范围为400～600kg/m3时，其弹性模量由40.388MPa增长至64.827MPa，增长缓慢；而在湿密度范围为600～1000 kg/m3时弹性模量增长较迅速，但随着湿密度的增加，弹性模量增长速率减小。

3.3养护龄期对泡沫轻质混凝土力学特性的影响

水泥材料的水化是个缓慢的过程，所以养护龄期对泡沫轻质混凝土的力学特性发展响应较大。为研究养护龄期对抗压强度和弹性模量的影响，测试了湿密度分别为400，700，1000kg/m3的试样在3，7，14，28d的抗压强度，得到泡沫轻质混凝土抗压强度、弹性模量与养护龄期的关系曲线分别如图7、图8所示。

图7　泡沫轻质混凝土抗压强度与养护龄期的关系曲线

图8　泡沫轻质混凝土弹性模量与养护龄期的关系曲线

由图7可知：湿密度分别为400，700，1000kg/m3的泡沫轻质混凝土，其无侧限抗压强度随着养护龄期的增长呈对数增长，相关系数分别为0.9805，0.9931，0.8569，可靠性均较高。说明对于相同品牌的水泥、发泡剂、发泡工艺制造的不同湿密度泡沫轻质混凝土，在无侧限抗压强度与养护龄期曲线已知时，其3d无侧限抗压强度可替代28d无侧限抗压强度作为泡沫轻质混凝土质量检验指标，缩短质量检测的时间。对于3种湿密度的泡沫轻质混凝土，其3，7，14d的抗压强度分别约为28d抗压强度的0.35～0.45，0.66～0.76，0.84～0.91倍，说明泡沫轻质混凝土在标准养护条件下，抗压强度在前期增长较快，后期增长则较为缓慢。

由图8可知：泡沫轻质混凝土的弹性模量随着养护龄期的增加而增大，且增长趋势与抗压强度相似，其3，7，14d的弹性模量分别约为28d弹性模量的0.39～0.51，0.65～0.71，0.84～0.92倍。

通过上述分析可得，养护龄期对泡沫轻质混凝土力学特性的前期影响较明显，随着时间的增长，影响逐渐减小。

4　结论

研究了不同湿密度下泡沫轻质混凝土的应力-应变关系，分析了湿密度、养护龄期对无侧限抗压强度和弹性模量的影响。得到如下结论：

1）泡沫轻质混凝土压缩过程分为典型的4个阶段，即调整阶段、弹性阶段、脆性阶段和屈服阶段（震荡屈服和点屈服）；随着湿密度的增加，试样的屈服特征由震荡屈服向点屈服过渡，点屈服过程中强度衰减幅值逐渐增大。

2）当泡沫轻质混凝土湿密度范围为400～800 kg/m3时，无侧限抗压强度随着湿密度的增加呈指数增加；湿密度处于800～1000kg/m3时，无侧限抗压强度随湿密度的增加增长效果不明显。

3）泡沫轻质混凝土的弹性模量在湿密度范围为400～600kg/m3时增长缓慢；在湿密度范围为600～1000kg/m3时增长较迅速，但弹性模量增长速率逐渐减小。

4）养护龄期对泡沫轻质混凝土的力学特性前期影响较大，后期影响较小。

［1］蔡力，陈忠平，吴立坚.气泡混合轻质土的主要力学特性及应用综述［J］.公路交通科技，2005，22（12）：71-74.

［2］何国杰，郑颖人，杨晨曦.气泡混合轻质土的吸水特性和抗冻融循环性能［J］.后勤工程学院学报，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，谢永祥.泡沫混凝土强度及应变研究［J］.混凝土，2010（9）：124-126.

［6］GIBSON L J，ASHBY M F.多孔固体结构与性能［M］.刘培生，译.北京：清华大学出版社，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

（责任审编周彦彦）

2015-09-07；

2016-01-30

中国铁路总公司科技研究开发计划（2014G003-E）；教育部新世纪人才计划（NCET-12-0941）

苏谦（1972—），男，教授，博士。