EPS混凝土靜態(tài)壓縮和劈裂性能

胡 俊，丁克偉，韋 璐

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

輕質(zhì)泡沫混凝土具有低（表觀）密度、保溫隔熱、隔音等優(yōu)良的物理性能，在土木工程中應(yīng)用越來越廣泛［1］，但輕質(zhì)泡沫混凝土脆性較大，容易開裂、吸水.由EPS（發(fā)泡聚苯乙烯）作為輕骨料而配制的輕質(zhì)混凝土稱作EPS混凝土.由于EPS混凝土的應(yīng)用有助于解決日益加劇的“白色污染”問題，因此EPS混凝土越來越引起人們的重視.TIF 混凝土由準(zhǔn)脆性材料和質(zhì)地柔軟的泡沫材料（EPS顆粒）組成，這種復(fù)合材料力學(xué)行為復(fù)雜.在EPS混凝土受力過程中，因EPS顆粒含量（體積分?jǐn)?shù)）和粒徑的不同，其會(huì)呈現(xiàn)出一些獨(dú)特的力學(xué)性能.

早在1973 年就有研究者制備了不同密度的EPS混凝土，并且初步研究了其力學(xué)性能.Babu等［2－3］對(duì)EPS混凝土的靜態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨EPS顆粒含量的增加，混凝土峰值應(yīng)變?cè)黾?，割線彈性模量降低，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線逐漸趨緩，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度減小.Roy等［4］對(duì)密度600～1 400kg／m3的EPS混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度粒子尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，對(duì)同樣密度的EPS 混凝土，摻1mm粒徑EPS的混凝土抗壓強(qiáng)度比摻7mm 粒徑EPS的混凝土高50%；隨著EPS 混凝土密度的降低，其抗壓強(qiáng)度的粒子尺寸效應(yīng)逐漸減小.Miled等［5］對(duì)EPS混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的粒子尺寸效應(yīng)和破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，指出EPS混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的粒子尺寸效應(yīng)來源于EPS顆粒隨機(jī)分布造成的混凝土材料的局部損傷，并建立了EPS混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度粒子尺寸效應(yīng)的唯象分析模型.陳兵等［6－8］對(duì)加入微硅灰和氯丁乳膠的EPS混凝土靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，摻加微硅灰和氯丁乳膠能提高EPS混凝土的力學(xué)性能.

抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度是EPS 混凝土基本力學(xué)性能之一，是建立合理的EPS混凝土強(qiáng)度理論的基礎(chǔ).影響EPS混凝土壓縮和劈裂性能的因素主要有EPS顆粒含量、EPS 顆粒粒徑、基體性能等，建立EPS混凝土抗壓強(qiáng)度模型及相對(duì)劈裂強(qiáng)度與相對(duì)密度之間關(guān)系對(duì)構(gòu)建EPS混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算理論及研究EPS混凝土抗裂性能和破壞機(jī)理都具有重要意義.本文就不同EPS顆粒含量和不同EPS粒徑對(duì)EPS混凝土靜態(tài)壓縮和劈裂性能的影響進(jìn)行研究，建立了較低密度EPS 混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型.

1 試樣制備

EPS顆粒采用粒徑為1，3mm 的EPS顆粒，水泥采用P·O32.5級(jí)水泥，粗集料采用公稱粒徑為5～10mm、含泥量為0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的碎石子，細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.5的河砂，減水劑采用聚羧酸高效減水劑.粒徑為3mm 的EPS顆粒的密度為18kg／m3，粒徑為1 mm 的EPS顆粒的密度為30kg／m3.TIF混凝土配合比如表1所示.

表1 EPS混凝土配比Table 1 Mix proportions of EPS concretes

EPS混凝土試件制作過程是：先將砂、水泥攪拌均勻，接著加入石子并攪拌均勻，然后加入EPS顆粒并繼續(xù)攪拌到水泥完全均勻地把EPS顆粒包裹住，最后將摻有減水劑的水溶液緩慢地加入到拌和物中并攪拌均勻.將EPS混凝土拌和物裝入模具中，然后振搗成型.試樣成型后立即覆膜，24h后脫模并用鋁紙包好放到標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)28d.試樣為直徑（D）70mm、高度（H）35mm 的圓餅狀試樣.對(duì)試樣兩端進(jìn)行磨平加工，確保試樣兩端不平行度小于0.05mm.

2 EPS混凝土靜態(tài)壓縮性能

EPS 混凝土靜態(tài)壓縮試驗(yàn)在材料試驗(yàn)機(jī)（MTS）上完成，加載速率為3mm／min.分別對(duì)每種密度EPS混凝土做3次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值.

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

圖1 EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 Stress－strain curves of EPS concretes

靜態(tài)壓縮下EPS顆粒含量為10%，20%，30%，40%的EPS 混凝土（密度分別為2 186，1 926，1 666，1 275kg／m3）的應(yīng)力（σ）－應(yīng)變（ε）關(guān)系見圖1.由圖1可以看出，隨EPS顆粒含量不同，EPS混凝土表現(xiàn)出不同的靜態(tài)壓縮性能.TIF 顆粒含量分別為10%和20%的EPS 混凝土，其靜態(tài)壓縮性能呈現(xiàn)出準(zhǔn)脆性材料特性，起始段應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系近似線性關(guān)系，彈性應(yīng)變一般小于5%.TIF 顆粒含量為10%的EPS 混凝土，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)入下降段后，由于裂紋快速的形成和擴(kuò)展，試樣很快破裂粉碎（見圖2（a）），混凝土應(yīng)力急劇下降；EPS顆粒含量為20%的EPS混凝土，由于EPS顆粒具有黏彈性特性，在更大的應(yīng)變下，試樣沒有完全粉碎（見圖2（b）），混凝土尚有一定的殘余強(qiáng)度；EPS顆粒含量為30%或40%的EPS混凝土，由于EPS顆粒含量的增加，使得混凝土材料的黏彈性增加，從而限制了裂紋的擴(kuò)展及相互結(jié)合，試樣沒有完全碎裂（見圖2（c），（d）），混凝土靜態(tài)壓縮性能呈現(xiàn)出明顯的泡沫吸能材料的特性，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線顯現(xiàn)彈性段、平臺(tái)段和壓實(shí)段，其中EPS顆粒為30%的EPS混凝土的平臺(tái)段應(yīng)力明顯大于EPS顆粒含量為40%的EPS混凝土，而EPS顆粒含量為40%的EPS混凝土的壓實(shí)段應(yīng)變明顯大于顆粒含量為30%的EPS混凝土.

圖2 典型EPS混凝土靜態(tài)壓縮破壞形態(tài)Fig.2 Typical static compression failure forms of EPS concretes

2.2 較低密度EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

受基體材料、填充材料EPS顆粒粒徑和含量及泡孔微觀結(jié)構(gòu)等因素的影響，EPS混凝土表現(xiàn)出非常復(fù)雜的力學(xué)性能.以往的EPS混凝土力學(xué)模型都是建立在材料微觀力學(xué)模型基礎(chǔ)上，在數(shù)值分析上比較復(fù)雜［9］.唯象力學(xué)模型可以滿足一般工程對(duì)混凝土力學(xué)性能擬合的精度要求，且數(shù)值分析較為簡(jiǎn)單，但許多唯象力學(xué)模型只是簡(jiǎn)單地對(duì)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，沒有建立混凝土力學(xué)性能與密度之間的關(guān)系.基于以上原因，筆者采用唯象力學(xué)模型對(duì)圖1所示的EPS顆粒含量為30%，40%的EPS混凝土（密度分別為1 666，1 275kg／m3）應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行模擬：

式中：A，B，E，m，n均為參數(shù).對(duì)式（1）等號(hào)右邊第1項(xiàng)求導(dǎo)，得：

當(dāng)ε＝0時(shí)，式（2）變?yōu)椋?/p>

式（3）表明，參數(shù)E 為EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線的初始切線模量，即為混凝土材料的初始彈性模量.

當(dāng)ε→∞時(shí)，對(duì)式（1）等號(hào)右邊第1 項(xiàng)求極限，得：

式（4）表明，參數(shù)A 相當(dāng)于EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線平臺(tái)段應(yīng)力.式（1）中等號(hào)右邊第2項(xiàng)相當(dāng)于EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線致密段應(yīng)力.

參數(shù)E，A，B 與EPS混凝土密度（ρ）相關(guān)，參數(shù)m，n與EPS混凝土密度無關(guān).根據(jù)Gibson微觀力學(xué)模型［9］，參數(shù)E，A 分別按式（5），（6）計(jì)算：

式中：C1，E，C2，E，C1，A，C2，A均為材料常數(shù).至少需通過擬合2種不同密度EPS混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線方能獲得這些材料常數(shù).

參數(shù)B 按下式計(jì)算：

式中：C1，B，C2，B均為材料常數(shù).

采用式（1）對(duì)EPS 混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行模擬，然后與實(shí)測(cè)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖3.由圖3可見，所建立的模型（式（1））能較好地?cái)M合EPS混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線.

3 EPS混凝土靜態(tài)劈裂性能

3.1 靜態(tài)劈裂試驗(yàn)

在EPS混凝土靜態(tài)劈裂試驗(yàn)（巴西圓盤對(duì)徑試驗(yàn)）中，在圓餅狀試樣的兩端沿對(duì)徑方向施加荷載p（見圖4）.為了防止試樣兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中而發(fā)生壓碎破壞，在試樣兩端放置墊塊.

圖3 模擬與實(shí)測(cè)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線的比較Fig.3 Comparison between fitting and experimental curves of stress－strain

根據(jù)彈性理論，在保證EPS混凝土試樣中心起裂情況下，試樣最大應(yīng)力（σmax）按式（8）進(jìn)行計(jì)算：

式中：b為墊塊寬度；β為墊塊相對(duì)寬度，β＝b／D，β≤0.2.在本次試驗(yàn)中，D 為70mm，H 為35mm；b為12mm，β＝b／D＝0.17.

EPS混凝土試樣劈裂強(qiáng)度（fst）按式（9）進(jìn)行計(jì)算：

圖4 加載示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading

式中：pu為試樣極限荷載.

3.2 EPS混凝土靜態(tài)劈裂試驗(yàn)結(jié)果

按式（9）計(jì)算EPS混凝土劈裂強(qiáng)度應(yīng)滿足試樣必須是中心起裂的要求，為此，制作試樣時(shí)對(duì)試樣兩端不平行度進(jìn)行了嚴(yán)格控制，試樣安裝時(shí)進(jìn)行了精心的校準(zhǔn).由于EPS混凝土材料的不均勻性，試樣內(nèi)部存在位錯(cuò)、微裂紋、孔洞等缺陷.

典型EPS混凝土靜態(tài)劈裂破壞形態(tài)見圖5.由圖5可見，試樣出現(xiàn)了一些次生裂紋，這些次生裂紋主要是由分布在EPS顆粒周圍的一些微裂紋的擴(kuò)展和相互結(jié)合而形成的，但試樣都能保證中心開裂，從而保證了試驗(yàn)的有效性.

圖5 典型EPS混凝土靜態(tài)劈裂破壞形態(tài)Fig.5 Typical splitting failure forms of EPS concrete

EPS混凝土相對(duì)劈裂強(qiáng)度（EPS混凝土劈裂強(qiáng)度與基體劈裂強(qiáng)度之比）與相對(duì)密度（EPS 混凝土密度與基體密度之比）之間關(guān)系見圖6.由圖6可以看出：EPS混凝土相對(duì)劈裂強(qiáng)度隨其相對(duì)密度的增加而增大；相同相對(duì)密度的EPS混凝土，其相對(duì)劈裂強(qiáng)度隨EPS顆粒粒徑的減小而增大，即EPS混凝土相對(duì)劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的粒子尺寸效應(yīng)；EPS顆粒粒徑對(duì)EPS混凝土相對(duì)劈裂強(qiáng)度影響隨混凝土相對(duì)密度的降低而降低，這表明隨EPS混凝土相對(duì)密度的降低，其相對(duì)劈裂強(qiáng)度的粒子尺寸效應(yīng)逐漸減小.

不同粒徑的EPS顆粒對(duì)EPS混凝土微裂紋擴(kuò)展的影響不同.當(dāng)EPS 混凝土相對(duì)密度較高時(shí)，EPS混凝土劈裂破壞是由于微裂紋擴(kuò)展、結(jié)合形成主裂紋而造成的，大粒徑的EPS顆粒對(duì)微裂紋的擴(kuò)展與結(jié)合的影響比小粒徑的EPS顆粒大，所以EPS混凝土相對(duì)劈裂強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的粒子尺寸效應(yīng)；當(dāng)EPS混凝土相對(duì)密度較小時(shí)，EPS混凝土劈裂破壞是由其內(nèi)部分布的大量微裂紋引起的，而EPS顆粒對(duì)微裂紋的出現(xiàn)影響較小，所以隨EPS混凝土相對(duì)密度的減小，其相對(duì)劈裂強(qiáng)度粒子尺寸效應(yīng)逐漸降低.

圖6 相對(duì)劈裂強(qiáng)度與相對(duì)密度關(guān)系Fig.6 Relationship between relative splitting strength and relative density

4 結(jié)論

（1）當(dāng)EPS混凝土密度較高時(shí)，其呈現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)脆性材料特性；當(dāng)EPS混凝土密度較低時(shí)，其呈現(xiàn)出明顯的泡沫吸能材料特性.

（2）建立了較低密度的EPS 混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型，賦予了各參數(shù)相應(yīng)的物理意義.

（3）相同相對(duì)密度的EPS混凝土，其相對(duì)劈裂強(qiáng)度存在粒子尺寸效應(yīng).隨EPS混凝土相對(duì)密度的降低，其相對(duì)劈裂強(qiáng)度粒子尺寸效應(yīng)逐漸減小.

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