泡沫混凝土材料静、动力特性试验研究

慕 欣，陈洪祥，陈喜坤

(1.安徽水利水电职业技术学院，合肥 230000；2.宁波市慈城古县域开发建设有限公司，浙江 宁波 315031；3.河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

泡沫混凝土材料静、动力特性试验研究

慕 欣1，陈洪祥2，陈喜坤3

(1.安徽水利水电职业技术学院，合肥 230000；2.宁波市慈城古县域开发建设有限公司，浙江 宁波 315031；3.河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

作为一种轻质高强材料，泡沫混凝土常用于滨海道路工程，结构承受着自重、波浪及交通载荷等多种静、动荷载作用。通过一系列静、动力三轴试验，研究了泡沫混凝土材料在静、动力加载条件下的变形与强度特性，并探讨动载历史对材料强度的影响。试验结果表明：泡沫混凝土在静压荷载作用下的变形发展呈现出先弹性后塑性的特点，其静力抗压强度约为1 040 kPa；当动力荷载幅值较小时，泡沫混凝土变形将逐渐趋于稳定，且动弹性模量随应变增长变化较小；而当循环荷载幅值较大时，材料将发生动力破坏。此外，随着先期动力荷载幅值的增大，泡沫混凝土的静力抗压强度先增大后减小。研究结果揭示了泡沫混凝土材料在静、动荷载作用下的工作机理，可对类似工程的应用提供参考。

泡沫混凝土；三轴试验；力学特性；动载历史；荷载幅值

1 研究背景

目前，对普通混凝土物理力学性能的研究较为充分，包括静力抗压强度和动力受压变形等方面[5-6]，而对泡沫混凝土则鲜有研究。因此，当泡沫混凝土应用于道路等工程承受高频交通荷载时，测定其应力-应变特性，建立静动力强度关系，并进一步研究材料在循环荷载作用下的工作机理，具有重要意义。本文通过室内三轴试验，研究了泡沫混凝土材料在静、动力加载条件下的变形与强度特性，可供实际工程参考。

2 试样制备与试验方法

试验用泡沫混凝土采用性能可靠的海螺牌42.5级水泥，水灰比为0.5。制样时采用高分子复合型发泡剂，其发泡倍数约为20，沉陷距和泌水量均满足要求。通过平行试验确定最优泡沫剂水溶液质量比为0.025。参照混凝土实验规程[7]，称量原材料并经过混合、搅拌、浇筑和静停发泡后，塑模成型；再将成型试样放入养护室进行标准条件养护，至预定龄期(28 d)第3天前取出试件，用电热鼓风干燥箱烘干，直至恒重。试样尺寸为φ50 mm100 mm。

静力试验包括无侧限抗压强度试验和100 kPa围压条件下抗压强度试验，采用应变控制，轴向应变速率为0.1%/min，一般至轴向应变达到10%或试样发生明显软化时终止试验。为减小试验离散误差，设3组平行试样。

动力试验中对试样施加三角波形循环荷载，荷载幅值分别为100，300，500，600，800 kPa及变幅加载，加载周期为1 min。为研究动载历史对泡沫混凝土材料的影响，对以上试样又进行了单调加载静力加载试验，以测定强度并与静载抗压强度相比较。

3 试验结果分析

3.1 泡沫混凝土静力抗压强度

图1分别给出了3组平行泡沫混凝土试样在有侧限(100 kPa围压)和无侧限条件下的抗压强度，图中纵坐标为试样轴向应力，横坐标为试样轴向应变。

注：A，B，C为试验编号。 图1 泡沫混凝土在有侧限和无侧限条件下的 应力-应变曲线Fig.1 Curves of stress vs. strain of foam concrete under confined and unconfined conditions

从图1中可以看出如下规律。

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(1) 对于100 kPa围压条件下的试样(图1(a))，在轴向应变<2%时，应力-应变曲线近似为直线段，试样表现出线弹性特性，随后，试样有少许鼓凸现象出现，应力缓慢增长，最终达到塑性状态，强度趋于稳定。

(2) 对于无侧限条件下的试样(图1(b))，在较小应变时，试样也表现弹性响应的特点，直至出现应力峰值点；峰值点后试样变形迅速发展，开始出现应变软化现象，在较大应变时达到残余强度。这种条件下泡沫混凝土的软化特性类似于超固结黏土或密砂[8]。

(3) 与一般混凝土材料相比，泡沫混凝土材料的强度明显偏低，其变形规律和强度特性与侧限条件有关。有侧限条件下，3个平行样的抗压强度均值Fc约为1 040 kPa；与之对应的，材料的无侧限抗压强度则略微偏小，试验数据离散程度偏大。值得注意的是，侧限条件对材料力学特性的作用受试样个体差异影响，依赖于试样的制备工艺与养护条件。

3.2 动力加载条件下应变发展规律

泡沫混凝土材料与岩土类材料的动力特性有许多不同之处。在土的动力试验中，孔隙水压力、抗液化能力等都是很重要的力学指标[9]，而泡沫混凝土就不涉及到这些问题；在循环荷载作用下，泡沫混凝土的应力状态、应变发展和应力-应变关系都表现出自有的特征和变化规律。如前所述，由于试样个体间的离散差异，侧限条件对材料力学特性的影响并不能定量表述，在此不予讨论。

图2给出了循环荷载幅值为300，600，800 kPa和变幅加载时试样的应变时程曲线。

图2 不同动力荷载幅值下动应变时程曲线Fig.2 Time-history curves of dynamic strain under dynamic loading of various amplitudes

从图2可以看出如下规律。

(1) 动力荷载幅值较小时，试样变形将趋于稳定。将300 kPa和600 kPa幅值条件下的应力与应变发展曲线分别绘于图2(a)和图2(b)，可以看到：在开始加荷阶段，应变的增加速度非常快；随着循环次数的增加，应变累积速率逐渐减慢。这是因为泡沫混凝土在动力加载过程中逐渐被压密，对循环荷载能量的吸收越来越少。对泡沫混凝土而言，这种轴向应变累积减慢的趋势尤为明显，这与其在低应力水平下的弹性性状有关(图1(a))。

(2) 在所有动力试验中，只有图2(c)所示试样最终破坏。实际上，此组试验应力幅值最大(800 kPa)，已接近于该试样的静力抗压强度。试验中观察到，试样在第1个加载周期后已出现明显鼓凸变形，轴向应变进入塑性发展阶段，在后续循环荷载的往复作用下，变形持续累积导致试样最终破坏。可以确信，在动力荷载作用下，只有当循环荷载幅值足够大以至于应变发展进入塑性区后，试样才会破坏。此时，动力荷载幅值约为材料抗压强度的0.8～0.9倍[10]。

(3) 在低应力变幅动力加载条件下，试样变形发展仍趋于稳定，见图2(d)。试样应变只在每个加载阶段的初期迅速增长；当加载到600 kPa时，与图2(b)相比，试样应变略微偏小，这是因为前2个阶段的动力预加载使材料孔隙变密，模量增大，造成后续加载时材料应变累积速率减缓。

3.3 动应力-应变关系

进一步地试样,在不同循环荷载幅值下的应力-应变关系如图3所示。由于泡沫混凝土的内部机械缺陷以及裂隙、孔隙、颗粒接触面等微结构特征，材料实际为非理想弹性体，因此其循环荷载下的应力-应变波形线在时间上并不完全对应，两者之间有一定的时间差，形成滞回圈[11]。在开始加荷时，应变的增加速率非常快，较低的应力水平仍能使应变能快速提高；随着荷载循环次数的增加，变形发展迅速减慢，滞回圈的面积逐渐减小，如图3(b)所示。此外，还可以看到，当循环荷载幅值较小时，应力-应变关系将逐渐趋于稳定(图3中的(a)，(b)，(d))；而当循环荷载幅值足够大时，随着应变能的累积和变形的发展，试样发生破坏(图3(c))。

图3 不同动载幅值下动应力-应变关系曲线Fig.3 Curves of dynamic stress vs. dynamic strain under dynamic loading of various amplitudes

图4 泡沫混凝土动应力- 应变骨干曲线Fig.4 Backbone curve of dynamic stress vs. dynamic strain of foam concrete

泡沫混凝土在不同幅值动力荷载作用下的动应力-应变骨干曲线如图4所示。骨干曲线反映了动应变的发展趋势，体现材料在一定的动应力水平下动应变的发展规律。骨干曲线与滞回曲线反映了材料在整个加载过程中的应力-应变发展特点。从图4中可以发现，当动应力幅值较大时，泡沫混凝土动应力-动应变骨干曲线基本呈线性关系，可以用一条通过原点的直线来拟合。这说明泡沫混凝土材料的动弹性模量随着动应变发展变化较小，这一特点与一般混凝土材料类似[12]。

3.4 动载历史对抗压强度的影响

在实际工程中，绝大部分的工程材料都会承受动力荷载，但这些材料并不一定都会发生动力破坏，在某些情况下，动载历史引起的材料强度衰减更值得关注[13]。因此，为研究后动力加载阶段泡沫混凝土材料的抗压强度变化规律，本文对未破坏的动力加载试样进行了单调再加载，探讨动载历史对其抗压强度的影响。

现将不同振次和不同动力荷载幅值条件下后动力加载试样的峰值抗压强度发展规律示于图5和图6。从图5中可以看到，当动力荷载幅值为300 kPa时，随动力荷载循环振次的增大，3组试样的峰值抗压强度比较接近，且没有某种特定的变化趋势；或者说，当前期动力荷载幅值较小时，动力荷载振次的变化对泡沫混凝土材料抗压强度的影响不明显。

图5 不同振次条件下后动力加载试样抗压强度Fig.5 Compressive strengths of samples with posterior dynamic loading under various cycles of loading

图6 抗压强度与先期动力 荷载幅值的关系Fig.6 Curve of compressive strength vs. amplitude of advanced dynamic loading

另一方面，随着动力荷载幅值的增大，试样的峰值抗压强度则先增大后减小，如图6所示。这种现象可以解释为，当荷载幅值较小时，动力加载会使得泡沫混凝土材料变密，抗压强度提高；而较大幅值的动力加载历史又会破坏材料内部结构，导致强度衰减。这说明剧烈的前期动载作用将对泡沫混凝土材料的抗压强度和承载能力造成不利影响，在实际工程中应加以考虑。值得注意的是，由于试验数据有限，再考虑到试样个体的离散性，前期动载对泡沫混凝土材料抗压强度的影响并不能定量表示，这有待于对不同制备工艺和不同工况下的泡沫混凝土材料进行进一步研究。

4 结 论

本文通过一系列室内三轴试验研究了泡沫混凝土材料的静、动力特性以及动载历史对其抗压强度的影响，得到了以下几点结论。

(1) 静压荷载作用下，泡沫混凝土一开始表现出弹性特征；随着轴向压力的持续施加，材料逐渐产生裂缝，进入塑性变形阶段。通过多组平行试验，确定侧限条件下材料的静力抗压强度约为1 040 kPa。

(2) 动力荷载幅值较小时，泡沫混凝土变形将逐渐趋于稳定，这与低应力水平下材料的弹性特性有关；当循环荷载幅值足够大以至于应变发展进入塑性区后，材料将发生动力破坏，此时，动力荷载幅值约为其抗压强度的0.8～0.9倍。

(3) 泡沫混凝土材料是非理想弹性体，其应力应变滞回圈将随动力荷载循环次数的增加而逐渐减小；另一方面，泡沫混凝土的动应力-应变骨干曲线呈线性关系，材料的动弹性模量随动应变增长变化较小。

(4) 对经动力加载的试样进行了单调再加载，测定其静力抗压强度，试验结果表明：动力荷载振次的变化对泡沫混凝土材料的静力抗压强度影响不明显；而随着动力荷载幅值的增大，材料的静力抗压强度总体上表现出先增大后减小的趋势。

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(编辑：姜小兰)

Experimental Study on Static and Dynamic Propertiesof Foam Concrete

MU Xin1, CHEN Hong-xiang2,CHEN Xi-kun3

(1.Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei 230000,China;2.Development and Construction Company of Cicheng Ancient Town, Ningbo 315031,China;3.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098,China)

As a material of light weight and high strength, foam concrete is usually used in road engineering at coastal region subjected to different static and dynamic actions such as deadweight, wave force, and transportation loading. Static and dynamic triaxial tests were conducted to investigate the deformation and strength of foam concrete, and the influence of dynamic loading history on material strength was also discussed. Results indicate that under static loading, the deformation of foam concrete showed elastic tendency followed by plastic tendency subsequently, with the static compressive strength about 1 040 kPa; under small dynamic loading, deformation of foam concrete gradually became stable and dynamic elastic modulus changed slightly with the increase of strain; dynamic failure of foam concrete would be triggered if the dynamic loading amplitude was large. In addition, static compressive strength increased first and then decreased with the increasing amplitude of advanced dynamic loading. The results revealed the mechanical mechanism of foam concrete under static and dynamic loadings, which can be taken as reference for similar projects.

foam concrete; triaxial test; mechanical characteristics; history of dynamic loading; loading amplitude

2015-12-22；

2016-01-26

慕 欣(1976-)，女，安徽合肥人,副教授，硕士，主要从事结构工程的理论与应用方面的教学与研究工作，(电话)13956901203(电子信箱)muxin_youxiang@163.com。

10.11988/ckyyb.20151094

2017,34(3):126-129

TU528.01

A

1001-5485(2017)03-0126-04