不同含水率蒸压轻质混凝土拉压性能试验研究

马芹永，赵慧敏，袁 璞，王静峰，王 波，沈万玉

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；3. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；4. 安徽富煌钢构股份有限公司技术中心，安徽 合肥 238076)

装配式建筑的推广与新型节能墙板的应用是我国新型建筑工业化发展的必由之路，对装配式新型自保温墙板的研究势在必行。蒸压轻质混凝土是以硅质和钙质材料经高压蒸汽养护等工艺而成的轻质多孔混凝土[1-2]，有些企业因地制宜，利用当地大量的石材作为制备蒸压轻质混凝土的硅质材料[3]。蒸压轻质混凝土砌块不仅质轻，保温隔热效果好，有着良好的抗震性能，还能消耗大量的工业固废[4]，是一种可做墙体材料及屋面板的多功能用途建筑材料。

目前针对蒸压轻质混凝土材料的研究大多数为材料的物理力学性能及其改性。 文献[5]研究发现轻质多孔混凝土的强度和弹性模量普遍小于其他普通混凝土， 但是峰值应变却随之增大。 文献[6]研究了加载速率以及材料密度对蒸压加气混凝土抗压强度和峰值应变的影响。 文献[7]发现沙漠砂加气混凝土抗压强度和质量随冻融次数的增加而降低， 且强度的损失率高于质量损失率。 文献[8]使用铁尾矿代替硅砂作为硅质材料制备蒸压加气混凝土， 探究对其结构和性能的影响。 文献[9]研究发现高钙煤矸石的掺入，使蒸压加气混凝土的容重和抗压强度均有所加强；蒸压轻质混凝土中，孔壁之间的连接力会受到水分的影响，当含水率较大时，由于孔隙水压力的作用，孔壁间连接力减弱，气孔结构容易被破坏，从而缩短材料的使用寿命，但有关含水率对蒸压轻质混凝土拉压性能的影响缺乏试验和理论依据的研究。

本文通过蒸压轻质混凝土的拉压试验分析了含水率对其拉压强度、应力-应变曲线以及能量吸收的影响，以期为蒸压轻质混凝土在工程实际中的应用中提供理论参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验所采用的是蒸压轻质混凝土砌块来自安徽富煌钢构股份有限公司，参照蒸压加气混凝土性能试验方法[10]制备100mm×100mm×100mm的立方体试样，切割好的试样用砂纸对其表面进行打磨，保证其平整和光洁度。设计本次试验试样含水率w分别为0、5%、15%、30%、50%，根据需要共选取5组试样，一组6块，取3块做劈裂抗拉试验，其余3块用作单轴压缩试验。制成的部分试样如图1所示。

图1 蒸压轻质混凝土立方体试样

1.2 试验方法

为获取不同含水率的蒸压轻质混凝土，首先将切好的立方体放入电热鼓风干燥箱中进行加热烘干，直到质量稳定，视为干燥状态。记录试件干燥冷却后的质量。然后将试件放入水箱浸泡，再放入干燥箱中，烘至一定的时间使试样达到所要求的含水率。处理好的试块使用万能试验机，依据蒸压轻质混凝土性能试验规范，对试样进行劈裂和单轴压缩试验。

2 拉压试验结果与分析

2.1 不同含水率劈裂荷载-位移曲线

如图2所示，劈裂荷载-位移曲线在加载前期没有初步密实的阶段，直接进入弹性阶段；当加载到临近峰值荷载时，在试件中间出现一道从上到下贯通的竖向微裂缝，加载到峰值后，裂缝沿竖向扩展，荷载呈断崖式急剧下降，试件随即劈裂破坏。由图2可知，当含水率为0%时，曲线的峰值荷载和斜率最大，即材料劈拉强度和弹性模量最大，当含水率逐渐增加到50%，蒸压轻质混凝土的抗拉强度与弹性模量逐渐降低。随着含水率的增加，曲线下降的坡度也更加平缓，说明蒸压轻质混凝土的含水率越大，材料抵抗变形和破坏的能力越低。

图2 不同含水率劈裂荷载-位移曲线

2.2 不同含水率压缩应力-应变曲线

试验发现加载初期，立方体表面无可见裂纹；当临近峰值荷载时，试块四周开始出现微裂缝。裂缝随着加载不断发展延伸，当荷载加至峰值荷载时，裂缝迅速上下扩展延伸，形成主裂纹，立方体承载力急剧降低，直到被破坏。蒸压轻质混凝土内部充满薄壁的气孔，气孔壁很容易被裂缝端部的集中应力所破坏，所以裂缝在纵向很快地发展延伸，直到试件破坏。

与普通混凝土材料不同，蒸压轻质混凝土初期加载阶段的切线模量有逐渐增大的过程，说明在开始的加载过程中存在一个初步密实阶段；接着是应力随应变线性增长的弹性变形阶段；当接近峰值应力点时，应变增长速度较之前加快，曲线稍微凸起；到达峰值应力后，应力迅速下降后进入平台段，这是裂纹扩展发生的局部失稳。通过图3可知，含水率升高的过程中，初步密实阶段占比逐渐增加，峰值应力和弹性模量随之减小，而峰值应变有上升的趋势。

图3 不同含水率应力-应变曲线

在含水率增加的过程中，水的软化以及润滑作用，使得蒸压轻质混凝土材料孔壁之间的连接作用逐渐减弱[11]。在试样加载中，随含水率的增加，蒸压轻质混凝土试样的弹性模量逐渐降低，试样变软。

峰值应变是指材料在压缩过程中所承受极限荷载时的应变值。由表1可知，峰值应变随蒸压轻质混凝土含水率的增加逐渐增大，在达到峰值应变后，立方体抗压强度随即减小，试件上的微裂缝扩展成主裂缝，蒸压轻质混凝土表现出强度低、材质脆的特征。

表1 不同含水率的峰值应变和弹性模量

2.3 含水率与蒸压轻质混凝土拉压强度的关系

图4为蒸压轻质混凝土拉压强度随含水率变化曲线，干燥状态下的蒸压轻质混凝土拉压强度最高，分别为0.35MPa和2.73MPa,当含水率为50%时的拉压强度分别为0.20MPa和1.85MPa,劈拉强度和单轴压缩强度分别降低了42.86%和32.23%。蒸压轻质混凝土从干燥状态到含水率10%时,拉压强度下降的速度极快；当含水率在10%～30%时,拉压强度下降速度减缓；当含水率超过30%后,拉压强度变化趋于平稳。蒸压轻质混凝土内的孔按孔径大小可分为宏观发气孔、毛细孔和凝胶孔，在含水率增加的过程中，材料内的微小裂缝和毛细孔通过毛细作用达到饱水状态[12]，由于毛细孔中孔隙水压力对裂缝的扩展作用使蒸压轻质混凝土的拉压强度降低，而孔径较大的宏观孔难以吸水饱和，孔径较小的胶凝孔产生的孔隙水压力较小，对材料的强度影响不大，所以当毛细孔被填满后，材料的拉压强度趋于稳定。

(a)劈裂抗拉强度与含水率的关系曲线

从能量角度分析，裂缝在蒸压轻质混凝土中萌生、汇聚和扩展中外力所做的功，需要克服其形成微裂缝的表面能[13]。蒸压轻质混凝土吸水后，材料粒子间的范德华力降低，蒸压轻质混凝土的表面能降低，因此较少的能量就能形成新的断裂面[14]，整个蒸压轻质混凝土立方体试件裂缝的扩展需要的外力功就越少，即表现为材料的拉压强度的降低。

由试验数据可知，蒸压轻质混凝土的抗拉和抗压强度间存在明显的联系，其劈拉强度是抗压强度的10%～12%。

3 能量参数分析

作为一种轻质多孔混凝土，蒸压轻质混凝土的吸能能力很好，其变形破坏过程伴随着能量的积聚和耗散。在加载的过程中，假设与外界的热交换忽略不计，压力机对蒸压轻质混凝土立方体所作的功为材料吸收的总能量为U，弹性变形阶段存储的可释放弹性应变能为Ue，内部损伤及塑性变形消耗的能量为Ud,由热力学第一定律可知

U=Ud+Ue

(1)

如图5所示，在立方体加载过程中，吸收的总能量U为应力-应变曲线下的总面积，弹性能Ue等于卸载曲线下阴影部分的面积，耗散能Ud为加载曲线下白色部分的面积。所吸收的总能量U可以通过积分其名义应力-应变曲线得到[15]，方程式为

(2)

式中：εi为某一时刻的应变值。

图5 加载时弹性能和耗散能示意图

弹性能Ue为阴影部分面积，即

(3)

式中：σi为εi对应的应力值，MPa；Ei为卸载弹性模量，MPa；采用初始弹性模量E近似代替卸载弹性模量Ei[16]。

于是耗散能Ud为

Ud=U-Ue

(4)

通过上述能量计算原理，对劈裂荷载-位移曲线进行分析，得到了加载至峰值荷载时，不同含水率蒸压轻质混凝土的能量参数曲线。

由图6(a)可知，当蒸压轻质混凝土含水率为0%时，其吸收的总能量最多，达到了1.28J；当含水率从0%逐渐增加到50%，其总能量分别减小了16.06%、17.78%、24.73%、25.35%；弹性能总体呈下降趋势，其干燥状态下的能量均高于含水状态下的，含水率从0%到50%时，其弹性能分别降低了15.97%、19.07%、31.75%、32.47%；当含水率从0%增加到5%时，耗散能降低了0.04J，耗散能从0.214J增长到0.264J。除此之外，从图6(b)中可以看出，随着含水率的增加，弹性能占比从79.98%(含水率为0%)下降到72.35%(含水率为50%)，而耗散能占比从20.02%上升到27.65%，这是因为含水率的升高使材料的延性增加，塑性变形产生的耗散能逐渐增多；由于水分增加，蒸压轻质混凝土内部的孔隙水压力在加载过程中形成的应力使材料产生更多的裂缝，裂缝的扩展产生了更多的耗散能。

(a)能量参数随含水率变化曲线

4 结论

(1)随着含水率的增加，蒸压加气混凝土的脆性破坏特征逐渐降低，延性破坏特征较明显。

(2)随着含水率的增加，蒸压轻质混凝土的拉压强度呈指数函数式降低，且最终趋于稳定，这与材料中的孔隙结构和孔隙水压力密切相关。

(3)含水率增加的过程中，蒸压轻质混凝土逐渐变软，加载至破坏时吸收的总能量和弹性能逐渐降低，总体缓慢的降低趋势，而耗散能占总能量的比例逐渐增加。