轻质泡沫混凝土的物理性能试验研究

张 伟 吴兆锋

（1．山东中坚工程质量检测有限公司，山东 济南 250000；2．山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

轻质泡沫混凝土称为轻质或多孔混凝土[1]。轻质泡沫混凝土具有自重小、隔音好和隔热性能高等优点。轻质泡沫混凝土不需要消耗骨料，用粉煤灰替代部分水泥，可以废物利用[2]。选择适当用量的添加剂和发泡剂，使密度保持在较低的范围（300 kg/m3～1600 kg/m3），其广泛用于各种节能墙体材料中[3]。

该文主要研究不同密度（500 kg/m3～1400 kg/m3）的轻质泡沫混凝土的物理性能，进行一系列试验，以检测抗压强度、弹性模量以及弯曲强度特性。

1 材料与方法

1.1 材料

该研究使用的材料为普通硅酸盐水泥、粉煤灰、水和发泡剂。采用符合标准的P.O42.5R 普通硅酸盐水泥。水泥的化学成分和物理性质见表1 和表2。所有试验都使用自来水进行拌合。为了提高混凝土的和易性和减少混凝土的收缩，在部分混合料中加入粉煤灰。粉煤灰的化学成分见表3。使用一种商业发泡剂来产生泡沫。在约0.5 MPa 的压力下对液体剂加压，制成密度约为50 kg/m3的稳定泡沫。

表1 普通硅酸盐水泥的化学成分

表2 普通硅酸盐水泥的物理性能

表3 粉煤灰的化学成分

1.2 试样的制备

在实验室中制备2 种不同类型的轻质泡沫混凝土（一种不含粉煤灰，另一种含粉煤灰）。每种混凝土根据添加发泡剂的质量不同，各制备5 组不同密度的混凝土，共制备10组。该研究制备的混凝土的目标密度为500kg/m3～1400kg/m3。混凝土的配合比见表4。

表4 轻质泡沫混凝土的配合比

轻质泡沫混凝土的整个制造过程必须仔细考虑混合料的密度、发泡生产速度等因素，才能配制优质泡沫混凝土。生产稳定的轻质泡沫混凝土的关键因素是在稳定压力下对发泡剂进行加压，在拌合的过程中保持稳定转速。

所有试样在模具中浇注后，覆盖并将试样置于（25±2）℃和90%湿度的养护室中养护24 h。然后将样品从模具中取出，在（25±2）℃和60%湿度的环境下养护28 天，然后进行测试。

1.3 试验方法

轻质泡沫混凝土是一种相对较新的材料，目前还没有标准化的测试方法来测量其物理力学性能。因此，该研究参照建筑行业标准JG/T 266—2011《泡沫混凝土》和JISA 1161—1994《泡沫混凝土的体积比重、含水率、吸水率及抗压强度试验方法》的制备程序和试验方法。分别进行密度、抗压强度、弹性模量和弯曲强度的测试。

制备尺寸为150mm×150mm×150mm 的立方体试块进行抗压强度测试，试块的加载速率为0.5 MPa/s。制备尺寸为150 mm×300 mm 的圆柱形试样进行弹性模量测定，加载速率为0.1 MPa/s，将2 个测量长度为100 mm 的电阻应变片贴在试样中间高度的2 个相对面。记录应力-应变特性，用于计算弹性模量。

制备尺寸为150mm×150mm×550mm 的小梁于28 天弯曲强度测试。在三点弯曲装置中测试弯曲强度，2 个支座之间的距离为300 mm。

2 结果与讨论

2.1 密度

发泡剂的用量对硬化泡沫混凝土的密度有很大影响。图1 为不加粉煤灰（C1-C5）和加粉煤灰（CF1-CF5）两种混凝土试样中发泡剂用量与硬化泡沫混凝土密度的关系。从图中可以看出，轻质泡沫混凝土的密度随着发泡剂用量的增加而减少，编号为C1 的泡沫混凝土密度最大，为1350 kg/m3，随着发泡剂用量增加，C5 的泡沫混凝土密度最小，为700 kg/m3。加入粉煤灰后，混凝土整体密度呈下降的趋势，密度变化规律与不掺入粉煤灰的混凝土保持一致，硬化泡沫混凝土的密度与拌合料中泡沫的含量、水泥浆体的组成以及空隙率密切相关。泡沫含量的增加随着新鲜混凝土体积增加，导致硬化泡沫混凝土密度降低。可以观察到C1-C5 和CF1-CF5 试件之间混凝土的密度存在线性关系。此外，从图1 可以看出，加入粉煤灰后，混凝土的密度水平降低约20%。这是因为在含有粉煤灰的试样中，硬化过程减慢了。粉煤灰与气孔之间的物理反应导致大量的气孔被包裹在混合料中。

图1 轻质泡沫混凝土密度和发泡剂含量的关系

2.2 抗压强度

轻质泡沫混凝土在标准立方体试块抗压强度试验中表现出与普通混凝土相似的破坏机制。所有试样均观察到典型的锥形断裂破坏模式。

轻质泡沫混凝土28 天龄期的抗压强度随密度的变化关系如图2 所示。与普通混凝土相比，轻质泡沫混凝土的抗压强度相对较低，从图2 可以看出，编号为C1 的混凝土抗压强度最大，为20.5 MPa，随着混凝土密度减少，混凝土的抗压强度也出现迅速降低的趋势，编号为C5 的混凝土抗压强度仅为4.5 MPa。其主要原因是随着泡沫掺量增加，轻质泡沫混凝土的密度逐渐减少，内部的连通孔和大孔越来越多，导致内部缺陷增加，抗压强度迅速降低。加入粉煤灰后，混凝土的抗压强度出现变化。不含粉煤灰的试样比含粉煤灰试样的强度更高。相同密度下，掺入粉煤灰后，轻质泡沫混凝土的抗压强度大约下降10%左右。其原因主要是粉煤灰能够降低混凝土用水量，当水胶比相同时，硬化后的混凝土内部孔隙增多，导致轻质泡沫混凝土的抗压强度有所下降。

图2 轻质泡沫混凝土28 天龄期各组的抗压强度

2.3 弹性模量

对尺寸为150 mm×300 mm 的圆柱形混凝土试样进行弹性模量测定，圆柱形轻质泡沫混凝土试样在28 天龄期的压缩试验中呈现与普通混凝土相似的破坏机制。所有试样均观察到典型的锥形断裂的破坏模式。从加载压应力为0.2 MPa 开始直到应力应变的线性关系失效，记录2种类型轻质泡沫混凝土的应力-应变关系，如图3 和图4所示。可以看出，C1-C5 的应力应变关系的斜率普遍大于CF1-CF5，无论是否添加粉煤灰，应力与应变关系的斜率随着密度增大而增大。

图3 不添加粉煤灰的混凝土的应力应变关系

图4 添加粉煤灰的混凝土的应力应变关系

图5 显示了轻质泡沫混凝土的弹性模量与其密度之间的关系。

图5 轻质泡沫混凝土弹性模量和密度的关系

可以观察到C1-C5 和CF1-CF5 试件之间混凝土的弹性模量存在线性关系。无粉煤灰的混凝土的弹性模量比掺有粉煤灰的混凝土的弹性模量高，随着混凝土密度的减少，混凝土的弹性模量逐渐减少。

2.4 弯曲强度

在28 天龄期对尺寸为150mm×150mm×550mm泡沫混凝土小梁进行抗弯强度试验。轻质泡沫混凝土的抗弯强度和混凝土的抗压强度变化规律相似，同样是编号为C1 的混凝土抗弯强度最大，为0.61MPa，编号为CF5 的混凝土抗弯强度最小，仅为0.15MPa。随着混凝土密度增加，弯曲强度呈增加的趋势，随着密度增加，弯曲强度增加的趋势逐渐趋于平缓。加入粉煤灰后，轻质泡沫混凝土的弯曲强度有所降低，相同密度下，轻质泡沫混凝土的抗弯强度大约下降5%左右。

4 结论

该文对轻质泡沫混凝土的抗压强度、抗折强度以及弹性模量等力学参数进行一系列试验。此外，还研究了25 次冻融循环对轻质泡沫混凝土抗压强度的影响。对轻质泡沫混凝土的物理性能进行研究，得出以下3 个结论：1）发泡剂的用量与硬化轻质泡沫混凝土的密度密切相关，随着发泡剂用量增加，轻质泡沫混凝土的密度逐渐减少。2）轻质泡沫混凝土的抗压强度、弹性模量、抗弯强度均随混凝土密度的减少而减少。3）在轻质泡沫混凝土中掺入5%的粉煤灰后，轻质泡沫混凝土的抗压强度、弹性模量和抗弯强度略有降低。