輕質(zhì)泡沫混凝土的物理性能試驗(yàn)研究

張 偉 吳兆鋒

（1．山東中堅(jiān)工程質(zhì)量檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2．山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

輕質(zhì)泡沫混凝土稱為輕質(zhì)或多孔混凝土[1]。輕質(zhì)泡沫混凝土具有自重小、隔音好和隔熱性能高等優(yōu)點(diǎn)。輕質(zhì)泡沫混凝土不需要消耗骨料，用粉煤灰替代部分水泥，可以廢物利用[2]。選擇適當(dāng)用量的添加劑和發(fā)泡劑，使密度保持在較低的范圍（300 kg/m3～1600 kg/m3），其廣泛用于各種節(jié)能墻體材料中[3]。

該文主要研究不同密度（500 kg/m3～1400 kg/m3）的輕質(zhì)泡沫混凝土的物理性能，進(jìn)行一系列試驗(yàn)，以檢測抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及彎曲強(qiáng)度特性。

1 材料與方法

1.1 材料

該研究使用的材料為普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、水和發(fā)泡劑。采用符合標(biāo)準(zhǔn)的P.O42.5R 普通硅酸鹽水泥。水泥的化學(xué)成分和物理性質(zhì)見表1 和表2。所有試驗(yàn)都使用自來水進(jìn)行拌合。為了提高混凝土的和易性和減少混凝土的收縮，在部分混合料中加入粉煤灰。粉煤灰的化學(xué)成分見表3。使用一種商業(yè)發(fā)泡劑來產(chǎn)生泡沫。在約0.5 MPa 的壓力下對液體劑加壓，制成密度約為50 kg/m3的穩(wěn)定泡沫。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

表2 普通硅酸鹽水泥的物理性能

表3 粉煤灰的化學(xué)成分

1.2 試樣的制備

在實(shí)驗(yàn)室中制備2 種不同類型的輕質(zhì)泡沫混凝土（一種不含粉煤灰，另一種含粉煤灰）。每種混凝土根據(jù)添加發(fā)泡劑的質(zhì)量不同，各制備5 組不同密度的混凝土，共制備10組。該研究制備的混凝土的目標(biāo)密度為500kg/m3～1400kg/m3。混凝土的配合比見表4。

表4 輕質(zhì)泡沫混凝土的配合比

輕質(zhì)泡沫混凝土的整個(gè)制造過程必須仔細(xì)考慮混合料的密度、發(fā)泡生產(chǎn)速度等因素，才能配制優(yōu)質(zhì)泡沫混凝土。生產(chǎn)穩(wěn)定的輕質(zhì)泡沫混凝土的關(guān)鍵因素是在穩(wěn)定壓力下對發(fā)泡劑進(jìn)行加壓，在拌合的過程中保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

所有試樣在模具中澆注后，覆蓋并將試樣置于（25±2）℃和90%濕度的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24 h。然后將樣品從模具中取出，在（25±2）℃和60%濕度的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 天，然后進(jìn)行測試。

1.3 試驗(yàn)方法

輕質(zhì)泡沫混凝土是一種相對較新的材料，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法來測量其物理力學(xué)性能。因此，該研究參照建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 266—2011《泡沫混凝土》和JISA 1161—1994《泡沫混凝土的體積比重、含水率、吸水率及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》的制備程序和試驗(yàn)方法。分別進(jìn)行密度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量和彎曲強(qiáng)度的測試。

制備尺寸為150mm×150mm×150mm 的立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，試塊的加載速率為0.5 MPa/s。制備尺寸為150 mm×300 mm 的圓柱形試樣進(jìn)行彈性模量測定，加載速率為0.1 MPa/s，將2 個(gè)測量長度為100 mm 的電阻應(yīng)變片貼在試樣中間高度的2 個(gè)相對面。記錄應(yīng)力-應(yīng)變特性，用于計(jì)算彈性模量。

制備尺寸為150mm×150mm×550mm 的小梁于28 天彎曲強(qiáng)度測試。在三點(diǎn)彎曲裝置中測試彎曲強(qiáng)度，2 個(gè)支座之間的距離為300 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度

發(fā)泡劑的用量對硬化泡沫混凝土的密度有很大影響。圖1 為不加粉煤灰（C1-C5）和加粉煤灰（CF1-CF5）兩種混凝土試樣中發(fā)泡劑用量與硬化泡沫混凝土密度的關(guān)系。從圖中可以看出，輕質(zhì)泡沫混凝土的密度隨著發(fā)泡劑用量的增加而減少，編號(hào)為C1 的泡沫混凝土密度最大，為1350 kg/m3，隨著發(fā)泡劑用量增加，C5 的泡沫混凝土密度最小，為700 kg/m3。加入粉煤灰后，混凝土整體密度呈下降的趨勢，密度變化規(guī)律與不摻入粉煤灰的混凝土保持一致，硬化泡沫混凝土的密度與拌合料中泡沫的含量、水泥漿體的組成以及空隙率密切相關(guān)。泡沫含量的增加隨著新鮮混凝土體積增加，導(dǎo)致硬化泡沫混凝土密度降低?？梢杂^察到C1-C5 和CF1-CF5 試件之間混凝土的密度存在線性關(guān)系。此外，從圖1 可以看出，加入粉煤灰后，混凝土的密度水平降低約20%。這是因?yàn)樵诤蟹勖夯业脑嚇又?，硬化過程減慢了。粉煤灰與氣孔之間的物理反應(yīng)導(dǎo)致大量的氣孔被包裹在混合料中。

圖1 輕質(zhì)泡沫混凝土密度和發(fā)泡劑含量的關(guān)系

2.2 抗壓強(qiáng)度

輕質(zhì)泡沫混凝土在標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中表現(xiàn)出與普通混凝土相似的破壞機(jī)制。所有試樣均觀察到典型的錐形斷裂破壞模式。

輕質(zhì)泡沫混凝土28 天齡期的抗壓強(qiáng)度隨密度的變化關(guān)系如圖2 所示。與普通混凝土相比，輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度相對較低，從圖2 可以看出，編號(hào)為C1 的混凝土抗壓強(qiáng)度最大，為20.5 MPa，隨著混凝土密度減少，混凝土的抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)迅速降低的趨勢，編號(hào)為C5 的混凝土抗壓強(qiáng)度僅為4.5 MPa。其主要原因是隨著泡沫摻量增加，輕質(zhì)泡沫混凝土的密度逐漸減少，內(nèi)部的連通孔和大孔越來越多，導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增加，抗壓強(qiáng)度迅速降低。加入粉煤灰后，混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)變化。不含粉煤灰的試樣比含粉煤灰試樣的強(qiáng)度更高。相同密度下，摻入粉煤灰后，輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度大約下降10%左右。其原因主要是粉煤灰能夠降低混凝土用水量，當(dāng)水膠比相同時(shí)，硬化后的混凝土內(nèi)部孔隙增多，導(dǎo)致輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度有所下降。

圖2 輕質(zhì)泡沫混凝土28 天齡期各組的抗壓強(qiáng)度

2.3 彈性模量

對尺寸為150 mm×300 mm 的圓柱形混凝土試樣進(jìn)行彈性模量測定，圓柱形輕質(zhì)泡沫混凝土試樣在28 天齡期的壓縮試驗(yàn)中呈現(xiàn)與普通混凝土相似的破壞機(jī)制。所有試樣均觀察到典型的錐形斷裂的破壞模式。從加載壓應(yīng)力為0.2 MPa 開始直到應(yīng)力應(yīng)變的線性關(guān)系失效，記錄2種類型輕質(zhì)泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如圖3 和圖4所示?？梢钥闯?，C1-C5 的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的斜率普遍大于CF1-CF5，無論是否添加粉煤灰，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的斜率隨著密度增大而增大。

圖3 不添加粉煤灰的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖4 添加粉煤灰的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖5 顯示了輕質(zhì)泡沫混凝土的彈性模量與其密度之間的關(guān)系。

圖5 輕質(zhì)泡沫混凝土彈性模量和密度的關(guān)系

可以觀察到C1-C5 和CF1-CF5 試件之間混凝土的彈性模量存在線性關(guān)系。無粉煤灰的混凝土的彈性模量比摻有粉煤灰的混凝土的彈性模量高，隨著混凝土密度的減少，混凝土的彈性模量逐漸減少。

2.4 彎曲強(qiáng)度

在28 天齡期對尺寸為150mm×150mm×550mm泡沫混凝土小梁進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。輕質(zhì)泡沫混凝土的抗彎強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似，同樣是編號(hào)為C1 的混凝土抗彎強(qiáng)度最大，為0.61MPa，編號(hào)為CF5 的混凝土抗彎強(qiáng)度最小，僅為0.15MPa。隨著混凝土密度增加，彎曲強(qiáng)度呈增加的趨勢，隨著密度增加，彎曲強(qiáng)度增加的趨勢逐漸趨于平緩。加入粉煤灰后，輕質(zhì)泡沫混凝土的彎曲強(qiáng)度有所降低，相同密度下，輕質(zhì)泡沫混凝土的抗彎強(qiáng)度大約下降5%左右。

4 結(jié)論

該文對輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行一系列試驗(yàn)。此外，還研究了25 次凍融循環(huán)對輕質(zhì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。對輕質(zhì)泡沫混凝土的物理性能進(jìn)行研究，得出以下3 個(gè)結(jié)論：1）發(fā)泡劑的用量與硬化輕質(zhì)泡沫混凝土的密度密切相關(guān)，隨著發(fā)泡劑用量增加，輕質(zhì)泡沫混凝土的密度逐漸減少。2）輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度均隨混凝土密度的減少而減少。3）在輕質(zhì)泡沫混凝土中摻入5%的粉煤灰后，輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗彎強(qiáng)度略有降低。