基于不同水灰比的发泡混凝土的微观力学性能研究

余 沛

（信阳学院 土木工程学院，河南 信阳 464000）

混凝土作为一种复合材料，当其受到外部载荷作用时，混凝土配合比设计对混凝土结构的抗压强度、混凝土的泊松比及混凝土渗透性等物理力学参数影响较大。近年来，在寒冷地区修建道路工程中经常采用泡沫混凝土或发泡混凝土，其自身具有低密度、导热、减震吸能及吸声性能良好等优点[1]。

孙健翔等[2]以含氟混凝土为研究对象，采取宏观性能和微观表征探讨了含氟增强剂对混凝土的表面回弹强度和渗透性能的影响，研究结果表明，含氟增强剂可以有效提高混凝土表面回弹强度26.6%，促进混凝土内部水化物的产生，进一步改善混凝土内部微观结构，对混凝土的渗透性产生较大影响。朱茂金[3]以钢纤维机制砂混凝土为研究对象，开展了高温后钢纤维机制砂混凝土力学性能的变化规律研究，通过室内试验、电镜扫描和X 射线衍射相结合的方法，分析了钢纤维掺量不同时机制砂混凝土的抗压和劈裂抗拉强度的变化规律。池俊生等[4]以珊瑚砂混凝土为研究对象，基于不同搅拌环境和硅灰掺量，分析了珊瑚砂混凝土的力学性能和微观孔隙结构，研究结果表明，真空负压环境下搅拌珊瑚砂混凝土对其强度有一定的提升，可以有效降低珊瑚砂混凝土的孔隙率。黄华等[5]以粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土为研究对象，研究了粉煤灰、矿渣、水玻璃及水玻璃模数等不同配合比对地聚物混凝土宏观力学性能的影响，并通过扫描电子显微镜、能量弥散X 射线等4 种方法对地聚物混凝土的微观结构进行深入分析。刘振威[6]以石灰岩机制砂混凝土为研究对象，分析了机制砂中石粉含量和不同温度对机制砂混凝土的应力应变曲线、弹性模量和损伤演变过程及耗能等力学性能指标的影响。张杰[7]以纳米TiO2混凝土为研究对象，通过电镜扫描和冻融试验，分析了碳化冻融后纳米TiO2混凝土的力学性能和微观结构特征，研究结果表明，不同掺量纳米TiO2改变了混凝土孔结构，提升了混凝土的抗冻融性能。俞宣良[8]研究了废弃玻璃粉玻璃粉对混凝土微观性能和力学性能的影响，研究结果表明，不同玻璃粉含量对混凝土的孔隙率影响不同，有效促进混凝土内部胶凝孔的生成，增加了混凝土的密实度。韦立[9]以工程用水泥基复合材料（ECC）为研究对象，分析了不同配合比设计下的ECC-混凝土的界面早期力学性能和微观结构特性。余海燕等[10]以透水混凝土为研究对象，分析了水灰比、道路粉尘及孔隙率对透水混凝土强度、抗堵塞及透水性等性能的影响。宋慧等[11]研究了骨料和水灰比对透水混凝土性能的影响，基于单轴压缩试验和透水系数测试，得到了不同配合比设计对透水混凝土抗压强度及应力应变曲线的影响。雷东移等[12]以泡沫混凝土为研究对象，阐述了泡沫混凝土的破坏机理和国内外发泡剂的应用现状，分析了泡沫混凝土的特性，为发泡剂及泡沫混凝土的研究提供了参考。JONES 等[13-14]根据混凝土的基本力学性能，提出了粉煤灰可以代替部分水泥，通过调整配合比和水泥用量，得到了不同干密度的发泡混凝土，并结合显微镜和图像分析软件，研究了发泡混凝土的失稳机理。KUMAR 等[15]基于凝土为原材料，研究了发泡混凝土的孔隙率和强度之间的关系，构建了发泡混凝土抗压强度与孔隙率的函数模型。

综上所述，混凝土配合比的变化对混凝土的力学性能及微观结构有重要影响。然而针对配合比变化对混凝土尤其在泡沫混凝土的脆性度及微观结构的研究较少。为了研究水灰比变化对发泡混凝土脆性度及微观结构的影响，本文制备6 种不同水灰比（P=0.50、0.53、0.56、0.59、0.62 和0.65）的发泡混凝土，通过对不同水灰比进行单轴压缩试验，基于应力-应变曲线峰后阶段对不同配比混凝土进行脆性度分析，同时结合混凝土破坏后的碎块的微观形貌，研究配比变化对混凝土脆性度的影响，以期指导发泡混凝土结构的工程应用具有重要意义。

1 发泡混凝土的脆性度计算原理

混凝土的应力-应变曲线可以反映其应力与变形之间的关系，通过研究混凝土峰后应力-应变曲线的形态可以了解混凝土的脆性程度。大量研究表明，峰后应力降可以一定程度上反映混凝土的脆性度变化[7-9]。应力降的表达公式如式（1）所示。

式中，α 为应力降大小，σd为峰值应力σp残余应力。

应力降可以一定程度上反映峰后应力的变化幅度大小，但是单纯地利用应力降来表达脆性有一定的局限性。例如相同应力降的情况下，由于峰后阶段应力-应变曲线下降的速率不同，混凝土的脆性不一定相同，因此必须考虑峰后阶段混凝土应力应变曲线下降的相对速率。由于应力降的范围为0~1，为了使得数据表征更加直观，将应力降的相对速率取对数除以10，使相对速率的范围处于0~1。相对速率的表达式如式（2）所示。

式中，β 为应力降的相对速率，其几何意义表示单轴压缩强度到达残余强度连线速率。最终结合式（1）和式（2），获得发泡混凝土的脆性度表示如式（3）所示。

式中，λ 为脆性度。在公式（3）中，由于应力降及其相对速率的范围都为0~1，因此脆性度λ 的取值范围也为0~1。对于脆性度λ 取值对应材料的脆性，相关研究认为相同材料时应力降越大脆性越强，而峰后应力下降的相对速率越大，脆性越强。因此，脆性度λ 的取值越靠近1，材料的脆性越强，越靠近0，材料的脆性越弱。

2 水灰比对发泡混凝土的脆性度影响

2.1 试验装置及试验方法

本试验发泡混凝土中水泥选用徐州中联水泥厂生产的P•O32.5 级普通硅酸盐水泥，水泥的化学成分如表1 所示；其他由铜山燃煤电厂生产的Ⅱ级粉煤灰、外加剂和双氧水发泡剂等组成。制备水灰比设为P=0.50、0.53、0.56、0.59、0.62 和0.65，参照混凝土制作标准，根据规范[16]和试验所用的试件尺寸，最终制成尺寸为100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方体发泡水泥试样。本次试验，混凝土成型、养护按照规范[16]进行操作。

表1 水泥及粉煤灰的化学成分 %

本次单轴压缩试验采用信阳学院土木工程学院信阳市装配式重点实验室的YAW-2000 压力试验机。该系统由软件控制系统、动力加载控制系统和自动数据采集系统组成，如图1 所示。在整个试验过程中，系统自动完成数据采集工作，减少人为的误差。数据采集为试验加载设备自身携带的位移-荷载采集系统。应变片采用箔基应变片，其规格是5 mm×50 mm，电阻为120 Ω。试验时，将箔基应变片粘贴在试件侧面，沿着试块高等距布置2 个，然后将贴有应变片的试样放在压力试验机上，采用位移加载方式按照0.002 mm/s 的加载速度实施加载，直至试样出现宏观破坏为止。

图1 试验装置

2.2 水灰比对发泡混凝土物理力学性能的影响

图2 为不同水灰比作用下的发泡混凝土的应力-应变曲线。不同水灰比作用下，发泡混凝土的应力-应变曲线及力学特性变化规律不同。

图2 不同水灰比发泡混凝土的应力-应变曲线

从图2 可以看出水灰比变化对发泡混凝土物理力学性能的影响主要体现在以下几方面：不同的应变对应的应力有差异，主要表现在混凝土全应力应变曲线中的近似线弹性阶段的上升斜率，随着水灰比的升高出现下降；单轴抗压强度的降低表明发泡混凝土的抗承载能力，随着水灰比的升高逐渐减弱；峰值应变εd和残余应变εp随着水灰比的升高而增加。可见，不同配合比的水灰掺量对发泡混凝土力学性能产生的影响不同。

图3 为发泡混凝土的应变随水灰比的变化曲线。从图3（a）可以看出，发泡混凝土的峰值应变εd随着水灰比的升高而逐渐增加：当水灰比为0.5时，发泡混凝土的峰值应变εd最小，为2.153×10-3；随着水灰比升高到0.65 时，发泡混凝土的峰值应变εd增加到3.322×10-3，较水灰比为0.5 时的峰值应变增加54.24%。峰值应变εd随水灰比的变化呈近似线性增加，表明水灰比升高降低了发泡混凝土的抗变形能力。

图3 发泡混凝土的应变随水灰比变化曲线

发泡混凝土的残余应变εp随着水灰比的升高而逐渐增加，当水灰比为0.5时，发泡混凝土的残余应变εp最小，为2.552×10-3；随着水灰比升高到0.65 时，发泡混凝土的峰值应变εp增加到3.583，较水灰比为0.5 时的残余应变增加40.39%，残余应变εp随水灰比的变化呈近似线性增加。可见，水灰比的增加会显著提升发泡混凝土的性能，对发泡混凝土施加一定压力，在一定的时间会使得发泡过程更加均匀和稳定。

2.3 发泡混凝土的脆性度随水灰比的变化规律

利用公式（1）、（2）和（3）结合不同水灰比发泡混凝土全应力-应变曲线计算得出发泡混凝土的应力降、峰后相对斜率及脆性度，如图4和图5所示。

图4 发泡混凝土的应力降随水灰比的变化规律

图5 发泡混凝土峰后应力下降相对斜率随水灰比的变化规律

从图4 可以看出，水灰比对发泡混凝土的应力降影响较为显著，发泡混凝土的应力降随着水灰比的升高呈近似线性下降趋势。当水灰比为0.5 时，其对应的应力降为0.452 3；水灰比升高至0.65 时，对应的应力降为0.158 7，较水灰比为0.5 时的应力降下降了64.9%。应力降的变化一定程度上反映了发泡混凝土的脆性随着水灰比降低。

图5 为发泡混凝土峰后应力下降相对斜率随水灰比的变化规律。从图5 可以看出，水灰比对混凝土的应力下降的相对斜率影响显著，主要表现为混凝土的应力下降相对斜率随着水灰比的升高呈近似线性下降。当水灰比为0.5 时，其对应的相对斜率为0.048 8；水灰比升高至0.65 时，对应的相对斜率为0.001 8，较水灰比为0.5 时的相对斜率下降了96.3%。

将不同水灰比发泡混凝土单轴压缩后的脆性系数进行拟合，得到如图6 所示的拟合曲线，发泡混凝土的脆性系数随水灰比的变化呈线性变化。

图6 不同水灰比作用下的发泡混凝土的脆性系数变化规律

从图6 可以看出，水灰比对混凝土的脆性度影响显著，主要表现为混凝土的脆性度随着水灰比的升高呈近似线性下降。当水灰比为0.5 时，其对应的脆性度为0.022 3；水灰比升高至0.65 时，对应的脆性度为0.000 3，较水灰比为0.5 时的脆性度下降了98.7%。混凝土的脆性度随水灰比的变化情况说明，水灰比的升高降低了发泡混凝土的脆性，增加了其延性。

3 发泡混凝土的微观试验研究

本次试验设备采用信阳学院理工学院引进的型号为JEOL 的扫描电子显微镜系统。首先用电镜扫描的观测面选择将单轴压缩后发泡混凝土断口部分较光滑平面部分，取此观测面上的碎块作为电镜扫描的观测体，发泡混凝土碎块的直径约为1.52 cm；其次用专用毛刷将发泡混凝土碎块表面轻刷直至碎块表面干净，用肉眼看不见任何可见尘埃物；再次将碎块放入烘干箱中烘干24 h，将烘干后的碎块式样放入SBC-12 小型溅射仪中进行下一步喷金粉工作；最后，用扫描电子显微镜观察喷上金粉的碎块，进行微观结构的试验。

图7 为不同水灰比发泡混凝土的微观形貌。从图7（a）可以看出，当P=0.5 时，试件观测面出现了一定量的微孔聚集现象，试件其他部位还存在一定的台阶花样；从图7（b）可以看出，当P=0.53 时，试件观测面出现了一定量零散分布的微孔聚集现象，同时存在雾状滑移区，此外还存在着脆性特征的河流花样；从图7（c）中可以看出，当P=0.56 时，试件观测面出现了一定量的微孔聚集现象，微孔聚集尺寸较小且彼此间相互独立，除了微孔聚集之外还有台阶花样；从图7（d）可以看出，当P=0.59 时，试件观测面较疏松且分布着大量的微孔聚集现象，少部分微孔相互贯通；从图7（e）可以看出，当P=0.62 时，出现了大量的微孔聚集现象，微孔聚集尺寸相较于水灰比为0.59 的尺寸大，部分微孔聚集彼此连通；从图7（f）可以看出，当P=0.65 时，整个观测面出现了大量的大尺寸微孔聚集现象，大部分微孔相互贯通，此时对发泡混凝土强度影响较大。

图7 单轴压缩后不同水灰比发泡混凝土碎块的微观形貌

为了研究不同水灰比对发泡混凝土的影响，通过电镜扫描试验对不同水灰比下的发泡混凝土在其单轴压缩下脆性破坏形态观察可以发现，发泡混凝土试件内部有大小不一且无规则的裂缝，裂缝整体表现宽度较小。伴随水灰比的增大，试件的裂缝表现形式不同，由于发泡混凝土微孔聚集现象存在，裂缝宽度增加且形成连通但分布状态表现为少而稀；整体来看，裂缝无规则，呈现“倒八字型”、“S 型”及“树状”等形状，由于发泡混凝土脆性降低，后期裂缝的高度和宽度的扩展速率不大。随着水灰比的升高，发泡混凝土的脆性特征变化逐渐减少，同时延性特征变化数量增多、尺寸增大且彼此间相互贯通趋势加强，说明发泡混凝土的脆性特性随水灰比逐渐降低，伴随水灰比的变化，发泡混凝土的延性逐渐增强。发泡混凝土的微观的变化规律与宏观上应力-应变曲线获得的脆性度系数规律相吻合。可见，发泡混凝土的微观形貌试验结果，在一定程度上可以反映发泡混凝土的宏观性能的变化情况。

4 结论

为了探究水灰比对发泡混凝土的脆性程度的影响，本文首先对6 种不同配合比设计下的混凝土进行单轴压缩试验，利用脆性度函数结合不同水灰比下发泡混凝土的应力-应变曲线计算混凝土的脆性度，获得脆性度与水灰比的关系；通过对试验后碎块进行电镜扫描试验，观察不同水灰比发泡混凝土的微观形貌，得到以下结论。

（1）不同配合比水灰掺量对发泡混凝土力学性能影响不同。随着水灰比逐渐增大，发泡混凝土的单轴抗压强度呈先增加后降低的趋势，峰值应变εd和残余应变εp逐渐增加。

（2）随着水灰比的增大，发泡混凝土的峰后应力降、应力下降相对斜率及脆性度系数逐渐减小，与水灰比呈近似线性下降关系。

（3）随着水灰比的增加，脆性特征花样分布减少，微孔聚集数量及尺寸逐渐增加，且微孔间彼此相互贯通趋势加强。裂缝分布有一定的差异，且裂缝大小不一、无规则。脆性特征花样及微孔聚集的分布随水灰比的变化表明发泡混凝土脆性度随水灰比逐渐降低。