饱和状态下泡沫混凝土力学特性试验研究

花 全 刘孝江 邵成健

(1.盐城市交通运输局，江苏 盐城 224000； 2.上海交通大学，上海 200240)

饱和状态下泡沫混凝土力学特性试验研究

花 全1刘孝江1邵成健2

(1.盐城市交通运输局，江苏 盐城 224000； 2.上海交通大学，上海 200240)

以水胶比为0.5的泡沫混凝土为研究对象，采用试验方法，对比了其在自然和饱和状态下28 d龄期的力学性能，分析了其应力—应变曲线的变化规律，得到了抗压强度、弹性模量与气泡率的关系。

泡沫混凝土，饱和状态，抗压强度，弹性模量

0 引言

泡沫混凝土是一种在水泥等其他胶凝材料浆体混合均匀后加入一定量的泡沫而制得的，因其具有质轻，强度高，保温隔热性能和施工方便等优点，目前在工程中得到广泛应用[1-5]。

泡沫混凝土因其含有大量气泡，容易吸水，因此研究其在饱和状态下力学特性尤为重要。本文研究了水胶比为0.5的泡沫混凝土在饱和和自然养护条件下其28 d龄期力学特性，分析了其应力—应变曲线变化规律，探讨了饱和条件对泡沫混凝土抗压强度和弹性模量与气泡率之间关系表达式中参数大小的影响，为全面了解泡沫混凝土的力学性能提供了指导。

1 试验概况

1.1 试验材料

1)水泥。

选用上海海螺水泥有限公司生产的海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥，其相关技术性能指标如表1所示。

表1 水泥的技术性能指标

2)粉煤灰。

选用符合ASTM C618—1989的F级粉煤灰，其主要化学组成如表2所示。

表2 粉煤灰化学成分和含量 %

3)矿粉。

选用由上海宝钢集团公司生产的S95级矿粉，其化学成分如表3所示。

表3 矿粉化学成分和含量 %

4)发泡剂。

本试验采用的是一种植物类蛋白发泡剂，为淡黄色油状液体，有刺激性气味，如图1所示。

1.2 试验设备

试验利用水泥发泡一体机进行制备泡沫混凝土，如图2a)所示。泡沫混凝土的单轴压缩试验在液压伺服试验机(如图2b)所示)上进行，其最大量程为300 kN。

1.3 试验方法

1)试样制作。将水泥、粉煤灰、矿粉按照质量比16∶3∶1称取后混合均匀，与水按照水胶比0.5制成水泥浆后，利用水泥发泡一体机，将不同量的泡沫加入到浆体中，混合搅拌均匀后倒入边长为100 mm的立方体试模中，第2天拆模。

2)养护方法。拆模后的试样在自然条件中养护至14 d后，对于不同气泡率的泡沫混凝土，分别取3个试块在烘箱中烘干至恒重后，放入水中养护至28 d，如图3所示。

3)强度试验。对自然和水中养护的28 d龄期泡沫混凝土分别进行单轴压缩试验。加载速率为1 mm/min，液压伺服试验机自动采集荷载和位移。

2 试验结果分析与讨论

2.1 应力应变曲线

如图4所示为泡沫混凝土在自然和饱和条件下其应力—应变曲线变化特征。从图4中可以看出，对于两种不同养护条件下，其应力—应变曲线变化规律基本一致，均可以用四个阶段来表示：

1)密实阶段。

这一阶段试样在外力作用下，由于含有较多气泡，试样呈现逐渐被密实的状态。

2)线弹性阶段。

此阶段应力与应变基本呈线性关系，其斜率即为试样的弹性模量。

3)屈服阶段。

此阶段泡沫混凝土应力变化较小，曲线斜率逐渐减小，随着应变增大，应力缓慢增大至最大值。

4)破坏阶段。

当应力达到最大值后，试样发生破坏，继续加载，应变不断增加而应力逐渐减小，泡沫混凝土失去承载能力，发生破坏。

2.2 抗压强度

如图5所示为泡沫混凝土在自然和饱和条件下其抗压强度与气泡率的关系。通过对纵坐标取对数刻度，并对试验数据进行拟合发现，相关系数R2均大于0.95，所以28 d龄期情况下，饱和和自然养护条件下泡沫混凝土抗压强度与气泡率呈指数关系，可表示为：

σ=σc,0e-k1Va

(1)

式中：σ——泡沫混凝土抗压强度，MPa；σc,0——气泡率为0时的混凝土抗压强度，MPa；k1——常数；Va——气泡率。

自然养护条件下σc,0值为39.314，k1值为5.089，而饱和状态下σc,0值为26.563，对应的k1值为4.512。可见，在饱和状态下的σc,0和k1比自然养护条件下的要小。

2.3 弹性模量

如图6所示为泡沫混凝土在自然和饱和条件下其弹性模量与气泡率的关系。通过对纵坐标取对数刻度并对试验数据进行拟合分析，得到泡沫混凝土弹性模量与气泡率之间的关系，可表示为：

E=Ec,0e-k2Va

(2)

式中：E——泡沫混凝土弹性模量，MPa；Ec,0——气泡率为0时的混凝土弹性模量，MPa；k2——常数。

自然养护条件下Ec,0值为2 041.2，k2值为3.759，而饱和状态下Ec,0值为1 776.7，对应的k2值为3.44。可见，在饱和状态下的Ec,0和k2比自然养护条件下的要小。

3 结语

1)在单轴受压作用下，饱和和自然养护的泡沫混凝土其应力—应变曲线变化规律基本一致，均经历密实、线弹性、屈服和破坏四个阶段。

2)泡沫混凝土的抗压强度与气泡率呈指数关系，饱和状态下其σc,0和k1值要比自然状态下的小。

3)泡沫混凝土的弹性模量与气泡率呈指数关系，饱和状态下其Ec,0和k2值要比自然状态下的小。

[1] 扈士凯,李应权,徐洛屹,等.国外泡沫混凝土工程应用进展[J].混凝土世界,2010(4):48-50.

[2] Amran Y H M, Farzadnia N, Ali A A A. Properties and applications of foamed concrete; a review[J].Construction and Building Materials,2015(101):990-1005.

[3] 陈 兵,刘 睫.纤维增强泡沫混凝土性能试验研究[J].建筑材料学报,2010,13(3):286-290.

[4] Ramamurthy K, Nambiar E K K, Ranjani G I S. A classification of studies on properties of foam concrete[J].Cement and Concrete Composites,2009,31(6):388-396.

[5] 闫振甲.泡沫混凝土发展状况与发展趋势[J].混凝土世界,2009(11):48-55.

Experimental study on mechanical properties of foamed concrete under saturated condition

Hua Quan1Liu Xiaojiang1Shao Chengjian2

(1.TransportationBureauofYancheng,Yancheng224000,China; 2.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Taking the foam concrete with 0.5 of water-binder ratio as the research target, the paper compares the mechanical performance of foam concrete with the age of 28 d under natural saturated condition by applying experimental method, analyzes its stress strain curve changing law, and finally obtains the relationship among compressive strength, elastic modulus and bubble rate.

foam concrete, saturated condition, compressive strength, elastic modulus

1009-6825(2017)03-0107-02

2016-11-19

花 全(1971- )，男，高级工程师； 刘孝江(1974- )，男，工程师； 邵成健(1991- )，男，在读硕士

TU528

A