龍文武，王勁松，盧愷

（南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

泡沫混凝土力學(xué)性能研究

龍文武，王勁松，盧愷

（南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

從泡沫混凝土墻板生產(chǎn)廠中的臥式攪拌機(jī)（容量1 m3）取料，并制作了泡沫混凝土試塊（干密度等級(jí)為800 kg/m3）。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。分別研究了不同尺寸下立方體抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)參數(shù)及其尺寸效應(yīng)，以及泡沫混凝土棱柱體峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比。通過(guò)正態(tài)概率紙和W檢驗(yàn)法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)。結(jié)果表明：峰值應(yīng)變變化范圍為（2200～2400）×10-6，彈性模量均值為3823 MPa，泊松比均值為0.21，彈性模量與抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系式為：Ec=104/（-6.37+53.62/fck）。標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度符合正態(tài)分布，2個(gè)參數(shù)估計(jì)值分別為μ=6.508、σ=0.607。

泡沫混凝土；力學(xué)性能；尺寸效應(yīng)；彈性模量；W檢驗(yàn)法

目前各種結(jié)構(gòu)體系中的非承重墻體一般采用輕質(zhì)填充墻，泡沫混凝土制成的墻板具有質(zhì)量輕、抗震性能好、保溫隔熱性好、吸聲降噪及防火性能，且能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)異特點(diǎn)，是一種符合國(guó)家節(jié)能減排的綠色環(huán)保新型墻體材料。本文通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案研究了干密度約為800 kg/m3用做墻體材料的泡沫混凝土的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試塊制作和目的

1.1.1 泡沫混凝土制作過(guò)程

（1）將一定濃度的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑水溶液置于高壓空氣發(fā)泡機(jī)的儲(chǔ)液箱中，把高壓空氣發(fā)泡機(jī)設(shè)置成實(shí)驗(yàn)調(diào)制好的參數(shù)，即空氣流量和發(fā)泡劑水溶液吸入量調(diào)至合適的比例，空氣壓力把氣體壓向液體中，同時(shí)也把液體壓向氣體中，實(shí)行雙向同時(shí)施壓過(guò)程。高壓空氣發(fā)泡機(jī)把空氣和液體二相混合成泡沫，產(chǎn)生的泡沫具有速度快，效率高、泡徑小、細(xì)致均勻等特點(diǎn)。

（2）將水泥、河砂按預(yù)定的計(jì)量放入攪拌機(jī)，攪拌均勻后加入水和減水劑，然后再加入耐堿玻璃纖維和早強(qiáng)劑，最后摻入泡沫，攪拌均勻后（攪拌過(guò)程中要檢測(cè)料漿濕密度，從而控制泡沫混凝土干密度）制成泡沫混凝土料漿，制備過(guò)程控制在15 min左右。

（3）將泡沫混凝土料漿澆制在準(zhǔn)備好的試模中成型，1 d后將成型好的試件移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.1.2 泡沫混凝土試塊尺寸及其數(shù)量和目的

（1）制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm、70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊數(shù)量分別為12、36、30個(gè)，用于測(cè)試不同尺寸立方體抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)參數(shù)及其尺寸效應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)正態(tài)概率紙和W檢驗(yàn)法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。

（2）制作尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件6個(gè)，分為2組，每組3個(gè)試件。第1組用于測(cè)試泡沫混凝土棱柱體軸心抗壓極限強(qiáng)度，第2組用于測(cè)試泡沫混凝土棱柱體彈性模量、泊松比、峰值應(yīng)變。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的各尺寸立方體試塊從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，用干抹布擦干，再放置在實(shí)驗(yàn)室晾干2～5h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度測(cè)試在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率0.2～0.3MPa/s[1]。

（2）棱柱體試塊軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比在300 kN微機(jī)控制電液伺服機(jī)上進(jìn)行。第1組棱柱體試塊軸心抗壓強(qiáng)度加載速率（2.0±0.5）kN/s；第2組棱柱體試塊先進(jìn)行彈性模量、泊松比測(cè)試，其應(yīng)力上限取第1組棱柱體試塊軸心抗壓強(qiáng)度平均值的1/2，即0.5fck，重復(fù)加卸載5～10次，試塊變形趨于穩(wěn)定，泡沫混凝土σ-ε曲線接近直線，即應(yīng)變片差值趨于穩(wěn)定，彈性模量由E=σ/εel計(jì)算得出[2]。其中應(yīng)變片參數(shù)型號(hào)是：BX120-50AA，電阻值：120 Ω±0.1%，靈敏系數(shù)：（2.06± 0.28）%，敏感柵長(zhǎng)寬：50 mm×4 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試塊破壞現(xiàn)象

在達(dá)到極限承載力前，試塊一般沒(méi)有可見(jiàn)裂縫。當(dāng)達(dá)到破壞時(shí)，底部和頂部出現(xiàn)試塊四周出現(xiàn)粉狀壓碎現(xiàn)象，試件上下向中間擴(kuò)展延伸的斜向裂縫，隨著應(yīng)變的增加，一般有1條到幾條斜向貫通的主裂縫，大部分試塊有形成大致與底部呈45°的剪切裂縫，整個(gè)過(guò)程表現(xiàn)出低強(qiáng)度彈脆性力學(xué)性能[3-4]，見(jiàn)圖1～圖2。耐堿玻璃纖維的摻入增加了試件開(kāi)裂后的整體性與橫向拉應(yīng)力，且泡沫混凝土內(nèi)部具有與普通混凝土明顯不同的獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)，故泡沫混凝土達(dá)到極限應(yīng)變后沒(méi)有出現(xiàn)如普通混凝土的崩裂現(xiàn)象。

圖1 單個(gè)典型斜裂縫

圖2 斜裂縫群樣

2.2 各尺寸立方體試塊抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

泡沫混凝土在生產(chǎn)過(guò)程中受許多因素的影響，其質(zhì)量不可避免的存在波動(dòng)。造成泡沫混凝土質(zhì)量波動(dòng)的主要原因有（1）生產(chǎn)前因素：主要有組成原材料、生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備狀況等（2）生產(chǎn)過(guò)程中的因素：計(jì)量、攪拌、澆筑、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸?shù)?；?）生產(chǎn)后的因素：批量劃分、驗(yàn)收界限、檢測(cè)方法和檢測(cè)條件等。雖然泡沫混凝土的質(zhì)量波動(dòng)是不可避免的，我們?cè)谡J(rèn)識(shí)到質(zhì)量控制的復(fù)雜性時(shí)，更要將質(zhì)量管理貫穿在生產(chǎn)的全過(guò)程，使泡沫混凝土質(zhì)量波動(dòng)在合理的范圍內(nèi)，以確保泡沫混凝土質(zhì)量安全。衡量泡沫混凝土生產(chǎn)質(zhì)量的指標(biāo)主要包括正常生產(chǎn)控制條件下泡沫混凝土強(qiáng)度的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)和強(qiáng)度保證率等。表1給出了不同尺寸泡沫混凝凝土試塊數(shù)量及其抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)參數(shù)，包括抗壓強(qiáng)度最大值、最小值、平均值μf、標(biāo)準(zhǔn)差σf、變異系數(shù)δf。泡沫混凝土的變異系數(shù)低于普通混凝土變異系數(shù)[5-6]。

表1 各尺寸試塊數(shù)量及其抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.3 標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度正態(tài)分布檢驗(yàn)

正態(tài)分布（Normal distribution）又名高斯分布（Gaussian dis tribution），記為N（μ，σ2），其密度函數(shù)曲線呈鐘形，期望值μ決定了其橫坐標(biāo)位置，標(biāo)準(zhǔn)差σ決定了分布的幅度。正態(tài)分布不僅在統(tǒng)計(jì)學(xué)方面有著重大的影響力，在實(shí)際工程等領(lǐng)域也有著非常重要的作用。材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)符合規(guī)定質(zhì)量的概率分布的某一分位值確定，即材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是材料強(qiáng)度概率分布中具有一定保證率的偏低的材料強(qiáng)度值。若服從正態(tài)分布，則強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k可按式（1）表示。

式中：t——概率度。

因JC/T 266—2011《泡沫混凝土》以邊長(zhǎng)為100 mm的泡沫混凝土立方體作為標(biāo)準(zhǔn)試塊測(cè)試抗壓強(qiáng)度，故以本次實(shí)驗(yàn)方案中該尺寸泡沫混凝土立方體抗壓強(qiáng)度數(shù)值作為正態(tài)分布檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因概率紙作統(tǒng)計(jì)推斷具有簡(jiǎn)單、直觀、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，故首先對(duì)本次實(shí)驗(yàn)表2中xi、xn+1-i的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB軟件繪制正態(tài)概率紙的方法對(duì)其進(jìn)行初步觀察，如圖3所示。

表2 W檢驗(yàn)法計(jì)算參數(shù)

圖3 正態(tài)概率

從圖3可知，各數(shù)據(jù)點(diǎn)在直線附近，由此初步認(rèn)為該批數(shù)據(jù)來(lái)自正態(tài)分布樣本。

本實(shí)驗(yàn)數(shù)量n=36，符合W檢驗(yàn)法中樣本含量在8≤n≤50小樣本場(chǎng)合范圍要求。故泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度分布統(tǒng)計(jì)采用夏皮羅-威爾克（Shapiro-Wilk）法（W檢驗(yàn)）[7-8]對(duì)其進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。首先對(duì)36個(gè)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)按大小排序，并記為x1≤x2≤x3≤…≤xn，再把數(shù)據(jù)排列成如表2。

W檢驗(yàn)法計(jì)算如式（2）所示：

將表2中各參數(shù)代入式（2）可得：

當(dāng)顯著性水平取α=0.01，n=36時(shí)查W檢驗(yàn)法系數(shù)表可知W0.01=0.912，計(jì)算值W=0.96>W0.01=0.912。在顯著水平取α= 0.01時(shí)未落入拒絕域，則該組抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。同時(shí)再次運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)W檢驗(yàn)法編程[9-10]并得到該組數(shù)據(jù)的W=0.9601以及正態(tài)分布2個(gè)參數(shù)估計(jì)值為μ=6.508，σ= 0.607。

當(dāng)保證率取P=95%，則概率度t為1.645，即泡沫混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為具有95%保證率的強(qiáng)度值。根據(jù)式（1），則泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）按式（3）計(jì)算。

2.4 尺寸效應(yīng)及其原因分析

尺寸效應(yīng)是準(zhǔn)脆性材料的一個(gè)普遍性質(zhì)，泡沫混凝土作為一種準(zhǔn)脆性材料也存在尺寸效應(yīng)[2]。泡沫混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)是指其強(qiáng)度不僅由材料性質(zhì)決定，也受其尺寸大小影響。試塊在壓力試驗(yàn)機(jī)上受壓時(shí)，試塊縱向會(huì)壓縮，橫向會(huì)膨脹。由于試塊與壓力機(jī)受壓鋼板彈性模量及泊松比有差異，試塊的橫向變形將大于實(shí)驗(yàn)機(jī)壓力鋼板，若試塊受壓面未涂潤(rùn)滑劑，則試塊的受壓接觸面橫向變形將受到壓力機(jī)鋼板摩擦力約束，形成“箍套”效應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法不加潤(rùn)滑劑，根據(jù)試驗(yàn)方案，本節(jié)主要討論3種尺寸立方體泡沫混凝土試塊抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)。

以邊長(zhǎng)為100 mm的泡沫混凝土立方體強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)試塊，由表1可知，采用150 mm或者70.7 mm立方體試塊時(shí)，和比值分別取0.98和0.95，邊長(zhǎng)為150 mm與 100 mm的普通混凝土立方體試塊比值是0.95，此值比相應(yīng)的泡沫混凝土值略低。

泡沫混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度的比值見(jiàn)式（4）。

對(duì)于普通混凝土，立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為fc=0.76fcu[11]。普通混凝土的這一比值比泡沫混凝土低20%左右。

由以上計(jì)算可知，泡沫混凝土尺寸效應(yīng)不明顯以及泡沫混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值要高于普通混凝土，其原因大致有3個(gè)方面：（1）混凝土隨著強(qiáng)度等級(jí)提高尺寸效應(yīng)顯著性逐漸增大[12]，泡沫混凝土材料強(qiáng)度較低，一般只有普通混凝土的1/10；（2）尺寸效應(yīng)同材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，材料的強(qiáng)度與材料內(nèi)部缺陷成反比[13-14]，泡沫混凝土無(wú)粗骨料，料漿較均勻，內(nèi)部缺陷很少；（3）泡沫混凝土的拉壓值比普通混凝土高，且料漿中添加了堿性玻璃纖維絲，增加了試塊的抗拉力與橫向約束能力，致“套箍”效應(yīng)不明顯。

2.5泡沫混凝土棱柱體基本力學(xué)性能

泡沫混凝土棱柱體基本力學(xué)性能測(cè)試在300 kN微機(jī)控制電液伺服機(jī)上進(jìn)行，試件應(yīng)變通過(guò)與應(yīng)變片連接的應(yīng)變儀讀取，見(jiàn)圖4。其破壞形態(tài)與立方體試件破壞形態(tài)一致。

圖4 試件裝置

泡沫混凝土棱柱體基本力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 泡沫混凝土棱柱體基本力學(xué)性能

由表3可知，泡沫混凝土棱柱體試件峰值應(yīng)變變化范圍為（2200～2400）με，該幅值與普通混凝土大致相同；泡沫混凝土彈性模量均值為3823 MPa，約為普通混凝土的1/10。普通混凝土的泊松比為0.2，泡沫混凝土泊松比比普通混凝土高6.7%左右。

彈性模量是工程材料中一項(xiàng)最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，可用于計(jì)算泡沫混凝土截面應(yīng)力、溫度應(yīng)力等其它內(nèi)力和變形。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)表3測(cè)得的彈性模量與抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過(guò)matlab軟件用最小二乘法擬合了Ec和fck的關(guān)系式，見(jiàn)式（5）。

式中：fck——棱柱體軸心抗壓極限強(qiáng)度，MPa；

Ec——泡沫混凝土彈性模量，MPa。

3 結(jié)論

（1）試塊破壞形態(tài)顯示耐堿玻璃纖維絲能阻礙泡沫混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展與宏觀裂縫的形成，提高泡沫混凝土的抗拉、抗彎強(qiáng)度和破壞后的整體性。

（2）采用MATLAB編程得到泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度正態(tài)概率紙和W檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度符合正態(tài)分布，且其抗壓強(qiáng)度離散性很小，說(shuō)明泡沫混凝土性能及其工藝生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定。

（3）泡沫混凝土試件在整個(gè)單軸受壓破壞過(guò)程中，呈現(xiàn)出低強(qiáng)度彈脆性的力學(xué)性能，破壞時(shí)呈剪切型破壞形態(tài)。泡沫混凝土所呈現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能特點(diǎn)和不明顯的尺寸效應(yīng)與泡沫混凝土料漿中添加了耐堿玻璃纖維、無(wú)粗骨料、漿料均勻、內(nèi)部缺陷較少及其與普通混凝土明顯不同的獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

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Study on mechanical properties of foamed concrete

LONG Wenwu，WANG Jingsong，LU Kai
（School of Urban Construction，University of South China，Hengyang 421001，China）

Reclaimed from the horizontal mixer（capacity is 1 m3）in the foam concrete production plant，foam concrete blocks （dry density level is 800 kg/m3）were prepared.Experimental block were cured 28 d in the standard curing room before the mechanical properties experiment.In this paper，the experiments were carried out to study the compressive strength of the cube and its size effect under different sizes，the peak strain，elastic modulus and Poisson's ratio of the foam concrete prism.The normal distribution test of the compressive strength of the standard blocks was carried out by means of the normal probability paper and the W test.The results show that，peak strain ranged from（2200～2400）×10-6；The mean value of the elastic modulus is 3823 MPa；Poisson's ratio average is 0.21；The fitting relationship between elastic modulus and compressive strength is：Ec=104/（-6.37+53.62/fck）. Compressive strength of standard blocks meets normal distribution，two parameter estimation values were μ=6.508，σ=0.607.

foamed concrete，mechanical properties，size effect，elastic modulus，W test method

TU528.2

A

1001-702X（2016）09-0098-04

湖南省土木工程“十二五”重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目資助

2016-03-09

龍文武，男，1990年生，湖南益陽(yáng)人，碩士研究生。