泡沫混凝土力学性能研究

龙文武，王劲松，卢恺

（南华大学城市建设学院，湖南 衡阳 421001）

泡沫混凝土力学性能研究

龙文武，王劲松，卢恺

（南华大学城市建设学院，湖南 衡阳 421001）

从泡沫混凝土墙板生产厂中的卧式搅拌机（容量1 m3）取料，并制作了泡沫混凝土试块（干密度等级为800 kg/m3）。在标准养护室养护28 d后进行力学性能测试。分别研究了不同尺寸下立方体抗压强度统计参数及其尺寸效应，以及泡沫混凝土棱柱体峰值应变、弹性模量、泊松比。通过正态概率纸和W检验法对标准试块抗压强度进行了正态分布检验。结果表明：峰值应变变化范围为（2200～2400）×10-6，弹性模量均值为3823 MPa，泊松比均值为0.21，弹性模量与抗压强度的拟合关系式为：Ec=104/（-6.37+53.62/fck）。标准试块抗压强度符合正态分布，2个参数估计值分别为μ=6.508、σ=0.607。

泡沫混凝土；力学性能；尺寸效应；弹性模量；W检验法

目前各种结构体系中的非承重墙体一般采用轻质填充墙，泡沫混凝土制成的墙板具有质量轻、抗震性能好、保温隔热性好、吸声降噪及防火性能，且能实现工业化生产等优异特点，是一种符合国家节能减排的绿色环保新型墙体材料。本文通过设计相关实验方案研究了干密度约为800 kg/m3用做墙体材料的泡沫混凝土的力学性能。

1 实验

1.1 试块制作和目的

1.1.1 泡沫混凝土制作过程

（1）将一定浓度的动物蛋白发泡剂水溶液置于高压空气发泡机的储液箱中，把高压空气发泡机设置成实验调制好的参数，即空气流量和发泡剂水溶液吸入量调至合适的比例，空气压力把气体压向液体中，同时也把液体压向气体中，实行双向同时施压过程。高压空气发泡机把空气和液体二相混合成泡沫，产生的泡沫具有速度快，效率高、泡径小、细致均匀等特点。

（2）将水泥、河砂按预定的计量放入搅拌机，搅拌均匀后加入水和减水剂，然后再加入耐碱玻璃纤维和早强剂，最后掺入泡沫，搅拌均匀后（搅拌过程中要检测料浆湿密度，从而控制泡沫混凝土干密度）制成泡沫混凝土料浆，制备过程控制在15 min左右。

（3）将泡沫混凝土料浆浇制在准备好的试模中成型，1 d后将成型好的试件移至标准养护室中进行养护。

1.1.2 泡沫混凝土试块尺寸及其数量和目的

（1）制作尺寸为150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm、70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块数量分别为12、36、30个，用于测试不同尺寸立方体抗压强度统计参数及其尺寸效应关系，并通过正态概率纸和W检验法对标准试块抗压强度进行正态分布检验。

（2）制作尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件6个，分为2组，每组3个试件。第1组用于测试泡沫混凝土棱柱体轴心抗压极限强度，第2组用于测试泡沫混凝土棱柱体弹性模量、泊松比、峰值应变。

1.2 实验方法

（1）将标准养护28d后的各尺寸立方体试块从标准养护室取出，用干抹布擦干，再放置在实验室晾干2～5h后进行实验。抗压强度测试在压力试验机上进行，加载速率0.2～0.3MPa/s[1]。

（2）棱柱体试块轴心抗压强度、弹性模量、泊松比在300 kN微机控制电液伺服机上进行。第1组棱柱体试块轴心抗压强度加载速率（2.0±0.5）kN/s；第2组棱柱体试块先进行弹性模量、泊松比测试，其应力上限取第1组棱柱体试块轴心抗压强度平均值的1/2，即0.5fck，重复加卸载5～10次，试块变形趋于稳定，泡沫混凝土σ-ε曲线接近直线，即应变片差值趋于稳定，弹性模量由E=σ/εel计算得出[2]。其中应变片参数型号是：BX120-50AA，电阻值：120 Ω±0.1%，灵敏系数：（2.06± 0.28）%，敏感栅长宽：50 mm×4 mm。

2 实验结果与分析

2.1 试块破坏现象

在达到极限承载力前，试块一般没有可见裂缝。当达到破坏时，底部和顶部出现试块四周出现粉状压碎现象，试件上下向中间扩展延伸的斜向裂缝，随着应变的增加，一般有1条到几条斜向贯通的主裂缝，大部分试块有形成大致与底部呈45°的剪切裂缝，整个过程表现出低强度弹脆性力学性能[3-4]，见图1～图2。耐碱玻璃纤维的掺入增加了试件开裂后的整体性与横向拉应力，且泡沫混凝土内部具有与普通混凝土明显不同的独特孔隙结构，故泡沫混凝土达到极限应变后没有出现如普通混凝土的崩裂现象。

图1 单个典型斜裂缝

图2 斜裂缝群样

2.2 各尺寸立方体试块抗压强度统计

泡沫混凝土在生产过程中受许多因素的影响，其质量不可避免的存在波动。造成泡沫混凝土质量波动的主要原因有（1）生产前因素：主要有组成原材料、生产环境、设备状况等（2）生产过程中的因素：计量、搅拌、浇筑、养护、运输等；（3）生产后的因素：批量划分、验收界限、检测方法和检测条件等。虽然泡沫混凝土的质量波动是不可避免的，我们在认识到质量控制的复杂性时，更要将质量管理贯穿在生产的全过程，使泡沫混凝土质量波动在合理的范围内，以确保泡沫混凝土质量安全。衡量泡沫混凝土生产质量的指标主要包括正常生产控制条件下泡沫混凝土强度的最大值、最小值、平均值、标准差变异系数和强度保证率等。表1给出了不同尺寸泡沫混凝凝土试块数量及其抗压强度统计参数，包括抗压强度最大值、最小值、平均值μf、标准差σf、变异系数δf。泡沫混凝土的变异系数低于普通混凝土变异系数[5-6]。

表1 各尺寸试块数量及其抗压强度统计参数

2.3 标准试块抗压强度正态分布检验

正态分布（Normal distribution）又名高斯分布（Gaussian dis tribution），记为N（μ，σ2），其密度函数曲线呈钟形，期望值μ决定了其横坐标位置，标准差σ决定了分布的幅度。正态分布不仅在统计学方面有着重大的影响力，在实际工程等领域也有着非常重要的作用。材料强度标准值应根据符合规定质量的概率分布的某一分位值确定，即材料强度标准值是材料强度概率分布中具有一定保证率的偏低的材料强度值。若服从正态分布，则强度标准值fcu，k可按式（1）表示。

式中：t——概率度。

因JC/T 266—2011《泡沫混凝土》以边长为100 mm的泡沫混凝土立方体作为标准试块测试抗压强度，故以本次实验方案中该尺寸泡沫混凝土立方体抗压强度数值作为正态分布检验的统计数据。因概率纸作统计推断具有简单、直观、使用方便等优点，故首先对本次实验表2中xi、xn+1-i的抗压强度数据通过MATLAB软件绘制正态概率纸的方法对其进行初步观察，如图3所示。

表2 W检验法计算参数

图3 正态概率

从图3可知，各数据点在直线附近，由此初步认为该批数据来自正态分布样本。

本实验数量n=36，符合W检验法中样本含量在8≤n≤50小样本场合范围要求。故泡沫混凝土标准试块抗压强度分布统计采用夏皮罗-威尔克（Shapiro-Wilk）法（W检验）[7-8]对其进行正态分布检验。首先对36个抗压强度数据按大小排序，并记为x1≤x2≤x3≤…≤xn，再把数据排列成如表2。

W检验法计算如式（2）所示：

将表2中各参数代入式（2）可得：

当显著性水平取α=0.01，n=36时查W检验法系数表可知W0.01=0.912，计算值W=0.96>W0.01=0.912。在显著水平取α= 0.01时未落入拒绝域，则该组抗压强度数据服从正态分布。同时再次运用MATLAB软件对W检验法编程[9-10]并得到该组数据的W=0.9601以及正态分布2个参数估计值为μ=6.508，σ= 0.607。

当保证率取P=95%，则概率度t为1.645，即泡沫混凝土强度标准值为具有95%保证率的强度值。根据式（1），则泡沫混凝土标准试块抗压强度标准值（MPa）按式（3）计算。

2.4 尺寸效应及其原因分析

尺寸效应是准脆性材料的一个普遍性质，泡沫混凝土作为一种准脆性材料也存在尺寸效应[2]。泡沫混凝土强度尺寸效应是指其强度不仅由材料性质决定，也受其尺寸大小影响。试块在压力试验机上受压时，试块纵向会压缩，横向会膨胀。由于试块与压力机受压钢板弹性模量及泊松比有差异，试块的横向变形将大于实验机压力钢板，若试块受压面未涂润滑剂，则试块的受压接触面横向变形将受到压力机钢板摩擦力约束，形成“箍套”效应。标准的实验方法不加润滑剂，根据试验方案，本节主要讨论3种尺寸立方体泡沫混凝土试块抗压强度尺寸效应。

以边长为100 mm的泡沫混凝土立方体强度作为标准试块，由表1可知，采用150 mm或者70.7 mm立方体试块时，和比值分别取0.98和0.95，边长为150 mm与 100 mm的普通混凝土立方体试块比值是0.95，此值比相应的泡沫混凝土值略低。

泡沫混凝土棱柱体抗压强度与标准试块抗压强度的比值见式（4）。

对于普通混凝土，立方体抗压强度与棱柱体抗压强度之间的统计关系为fc=0.76fcu[11]。普通混凝土的这一比值比泡沫混凝土低20%左右。

由以上计算可知，泡沫混凝土尺寸效应不明显以及泡沫混凝土棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值要高于普通混凝土，其原因大致有3个方面：（1）混凝土随着强度等级提高尺寸效应显著性逐渐增大[12]，泡沫混凝土材料强度较低，一般只有普通混凝土的1/10；（2）尺寸效应同材料的细观结构有关，材料的强度与材料内部缺陷成反比[13-14]，泡沫混凝土无粗骨料，料浆较均匀，内部缺陷很少；（3）泡沫混凝土的拉压值比普通混凝土高，且料浆中添加了碱性玻璃纤维丝，增加了试块的抗拉力与横向约束能力，致“套箍”效应不明显。

2.5泡沫混凝土棱柱体基本力学性能

泡沫混凝土棱柱体基本力学性能测试在300 kN微机控制电液伺服机上进行，试件应变通过与应变片连接的应变仪读取，见图4。其破坏形态与立方体试件破坏形态一致。

图4 试件装置

泡沫混凝土棱柱体基本力学性能见表3。

表3 泡沫混凝土棱柱体基本力学性能

由表3可知，泡沫混凝土棱柱体试件峰值应变变化范围为（2200～2400）με，该幅值与普通混凝土大致相同；泡沫混凝土弹性模量均值为3823 MPa，约为普通混凝土的1/10。普通混凝土的泊松比为0.2，泡沫混凝土泊松比比普通混凝土高6.7%左右。

弹性模量是工程材料中一项最重要、最具特征的力学性质参数，可用于计算泡沫混凝土截面应力、温度应力等其它内力和变形。根据本次实验表3测得的弹性模量与抗压强度数据，通过matlab软件用最小二乘法拟合了Ec和fck的关系式，见式（5）。

式中：fck——棱柱体轴心抗压极限强度，MPa；

Ec——泡沫混凝土弹性模量，MPa。

3 结论

（1）试块破坏形态显示耐碱玻璃纤维丝能阻碍泡沫混凝土内部微裂缝的扩展与宏观裂缝的形成，提高泡沫混凝土的抗拉、抗弯强度和破坏后的整体性。

（2）采用MATLAB编程得到泡沫混凝土标准试块抗压强度正态概率纸和W检验结果，结果显示泡沫混凝土标准试块抗压强度符合正态分布，且其抗压强度离散性很小，说明泡沫混凝土性能及其工艺生产设备稳定。

（3）泡沫混凝土试件在整个单轴受压破坏过程中，呈现出低强度弹脆性的力学性能，破坏时呈剪切型破坏形态。泡沫混凝土所呈现出来的力学性能特点和不明显的尺寸效应与泡沫混凝土料浆中添加了耐碱玻璃纤维、无粗骨料、浆料均匀、内部缺陷较少及其与普通混凝土明显不同的独特孔隙结构密切相关。

[1]JG/T 266—2011，泡沫混凝土[S].

[2]沈蒲生，梁兴文.混凝土结构设计原理[M].4版.北京：高等教育出版社，2012.

[3]尚帅旗，李丹，陈星明，等.泡沫混凝土的单轴抗压力学特性研究[J].武汉理工大学学报，2012（12）：24-29.

[4]熊耀清，姚谦峰.轻质多孔混凝土受压应力-应变全曲线实验研究[J].四川建筑科学研究，2010（4）：228-232.

[5]周红.混凝土强度尺寸效应的实验研究[D].大连：大连理工大学2010.

[6]刘红梁，宋罕宇，陆钦年.高强混凝土立方体强度变异系数的商榷[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2004（10）：604-607.

[7]茆诗松，程依明，濮晓龙.概率论与数理统计教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[8]盛骤.概率论与数理统计[M].4版.北京：高等教育出版社，2010.

[9]李海涛，邓樱.MATLAB程序设计教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[10]王沫然.MATLAB与科学计算[M].3版.北京：电子工业出版社2012.

[11]王传志，滕智明.钢筋混凝土结构理论[M].北京：中国建筑工业出版社，1985.

[12]惠弘毅，李宗利，杨华，等.不同强度等级混凝土尺寸效应试验研究[J].混凝土，2015（7）：31-34.

[13]苏捷，方志.普通混凝土与高强混凝土抗压强度的尺寸效应[J]建筑材料学报，2013（12）：1078-1081.

[14]黄海燕，张子明.混凝土的尺寸效应[J].混凝土，2004（3）：8-9.

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”重点学科项目资助

2016-03-09

龙文武，男，1990年生，湖南益阳人，硕士研究生。