余其俊 林秋旺 李方賢 韋江雄 張同生 胡捷

(1.華南理工大學 材料科學與工程學院, 廣東 廣州 510640;2.廣東省建筑材料低碳技術(shù)工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510640)

泡沫混凝土作為輕質(zhì)微孔混凝土,它的多孔性質(zhì)使其具有成本低、防火、保溫隔熱、隔聲、抗震等性能[1],國內(nèi)外學者就泡沫混凝土的性能已做了較多的研究[2- 6],但強度仍是泡沫混凝土亟待解決的問題之一[7].泡沫混凝土的缺陷在于本身膠凝材料用量大，缺少砂石等骨料，氣孔率大,使得單一的泡沫混凝土產(chǎn)品存在著收縮大、強度低等性能缺陷,難以適應(yīng)市場需求.

為了提高泡沫混凝土的強度,將泡沫混凝土和硅酸鈣板或者其他面板組合形成三明治復合墻板是一種較為有效的方法.一方面能夠充分發(fā)揮泡沫混凝土保溫隔熱的優(yōu)勢,另一方面又能使泡沫混凝土和硅酸鈣板發(fā)生協(xié)同效應(yīng),形成優(yōu)勢互補,提升復合墻板的整體力學性能[8]. Mydin等[9]以0.4 mm和0.8 mm的波紋鋼為面板、以泡沫混凝土為芯材進行研究，研究表明不同邊界條件下的軸心抗壓破壞形式、最大荷載和應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)都有較大的不同,且相對泡沫混凝土本身,復合后形成的復合板性能有大幅度提高.Flores- Johnson等[10]以泡沫混凝土和纖維增強泡沫混凝土作為芯材,波紋鋼作為面板,研究得出纖維的加入顯著提高了泡沫混凝土的抗壓強度、拉伸模量和極限應(yīng)變,避免了泡沫混凝土的脆性破壞;Dey等[11]以粘接的耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布為面層,以泡沫混凝土為芯材,研究了靜態(tài)和低速動態(tài)加載方式下的復合板的彎曲剛度、強度和能量吸收能力,研究表明纖維的摻入顯著提高了其力學性能且能阻止裂縫的擴展.

文中采用無機防火的硅酸鈣板和泡沫混凝土制備復合墻板,在此基礎(chǔ)上重點研究了聚丙烯纖維摻量、泡沫混凝土容重對該體系的影響,得到不同條件下受壓過程的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,提出了該體系受壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程,分析了復合墻板受壓下的薄弱區(qū).

1 原材料和實驗方法

1.1 原材料

硅酸鹽水泥,珠江水泥廠PO 42.5R;HTQ- 1型復合發(fā)泡劑,河南華泰新材開發(fā)有限公司產(chǎn)品;硅酸鈣板,廣東松本綠色新材股份有限公司產(chǎn)品,厚度為5 mm;聚丙烯纖維,深圳維特耐工程材料有限公司產(chǎn)品,長度為19 mm、直徑22 μm.硅酸鹽水泥和硅酸鈣板的物理性能如表1、2所示.

表1 水泥的基本性能Table 1 Fundamental properties of the cement

表2 硅酸鈣板的物理性能Table 2 Physical properties of calcium silicate board

1.2 泡沫混凝土及其復合墻板的制備

1.2.1 泡沫混凝土的制備

將發(fā)泡劑與水按質(zhì)量比1∶30混合,將混合好的發(fā)泡劑水溶液用發(fā)泡機制備成密度約為60 kg/m3的泡沫,參照李應(yīng)權(quán)等[12]的泡沫混凝土配合比設(shè)計方法進行配制,在攪拌鍋內(nèi)先將水泥和聚丙烯纖維和水預混均勻,再加入泡沫充分攪拌,制成新拌漿體,水灰比為0.5,富余系數(shù)取1.05,聚丙烯纖維摻量分別為1.0、1.5、2.0、2.5 kg/m3.由前期實驗[8]可知,泡沫混凝土容重過低將會出現(xiàn)粉化、收縮過大等一系列缺陷,最終導致復合墻板開裂、力學性能和熱工性能劣化,因此本研究選取的泡沫混凝土容重分別為400、500和600 kg/m3.

1.2.2 復合墻板的制備

以硅酸鈣板飾面為外表面,粗糙面為內(nèi)表面,在模具中將硅酸鈣板固定后,往兩硅酸鈣板中澆筑不同纖維含量和容重的泡沫混凝土,形成硅酸鈣板-纖維泡沫混凝土-硅酸鈣板的三明治組合形式.復合墻板的制備如圖1所示.

圖1 泡沫混凝土復合墻板的制備示意圖

Fig.1 Schematic diagram of preparation of foamed concrete sandwich panel

試驗共制作24組泡沫混凝土和復合墻板.根據(jù)GB/T 23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》,每組制備試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體泡沫混凝土和復合墻板各3個,試件成型1 d后拆模,標準養(yǎng)護28 d后進行抗壓試驗.

1.3 泡沫混凝土復合墻板受壓性能實驗方法

采用三思縱橫生產(chǎn)的UTM5105電子萬能試驗機,系統(tǒng)的加載頭帶有力傳感器,可直接量測施加的壓力的大小和位移的變化.試驗采用力控制方式,加載速率為0.1 MPa/s.試驗同時觀察試件破壞的全過程,記錄裂縫出現(xiàn)、界面的破壞、硅酸鈣板的飛離等試驗現(xiàn)象.

以抗壓強度、受壓韌性指數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€來評價泡沫混凝土復合墻板的受壓性能.受壓韌性指數(shù)[13]定義為:試樣從穩(wěn)定荷載至3倍峰值應(yīng)變所得的荷載-變形曲線下的面積與試樣從穩(wěn)定荷載至峰值應(yīng)變所得的荷載-變形曲線下的面積的比值,其示意圖如圖2所示.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 硅酸鈣板-纖維增強泡沫混凝土復合墻板的破壞形式

泡沫混凝土復合墻板試件在受壓實驗過程中,隨著荷載逐漸增加,主要經(jīng)歷了以下幾個過程:在加載初期,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近直線關(guān)系;隨后在硅酸鈣板和芯材的界面之間出現(xiàn)裂縫,同時復合墻板芯材表面出現(xiàn)較多的微裂紋;達到最大承載力后,主裂紋不斷擴大,直至復合墻板徹底破壞.芯材容重為600 kg/m3的不同纖維含量的復合墻板受壓破壞形式如圖3所示.不同芯材容重的復合檣板受壓破壞形式如圖4所示.

圖2 受壓韌性指數(shù)示意圖Fig.2 Sketch of compression toughness index

圖3 不同纖維含量的泡沫混凝土復合墻板破壞形式

Fig.3 Failure mechanism of foamed concrete sandwich panels with different fiber content

圖4 不同容重的泡沫混凝土復合墻板破壞形式

Fig.4 Failure mechanism of foamed concrete sandwich panels with different density

從圖3中可以看出,容重為600 kg/m3的泡沫混凝土復合墻板破壞后的硅酸鈣板均與芯材脫離,且隨著纖維摻量的增大,破壞后芯材的可見的大裂紋明顯地減小,說明纖維能夠很好地阻止裂縫的擴展和延伸.

由圖4可以看出,芯材容重為400 kg/m3時的復合墻板破壞后的硅酸鈣板和芯材仍然粘結(jié)在一起,硅酸鈣板不折斷.容重為500 kg/m3時,出現(xiàn)硅酸鈣板中間折斷的現(xiàn)象,但硅酸鈣板和芯材仍然粘結(jié)在一起,從表觀上反映了泡沫混凝土和硅酸鈣板之間的粘結(jié)力有所增強.容重為600 kg/m3時,在試件達到最大荷載時出現(xiàn)了硅酸鈣板和芯材飛離的現(xiàn)象.可見泡沫混凝土的容重對復合墻板的破壞形式影響較大,隨著芯材容重的增大,復合板逐漸從單一破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎w破壞,復合效應(yīng)增強.

2.2 硅酸鈣板-纖維增強泡沫混凝土復合墻板受壓荷載下的力學性能

2.2.1 纖維摻量對復合墻板受壓力學性能的影響

纖維摻量對泡沫混凝土及復合墻板抗壓強度和受壓韌性指數(shù)的影響如圖5所示.

圖5 纖維摻量對泡沫混凝土及復合墻板抗壓強度和受壓韌性指數(shù)的影響

Fig.5 Influences of fiber content on compressive strength and compressive toughness index of foamed concrete sandwich panel

從圖5中可以看出,泡沫混凝土復合墻板的抗壓強度比泡沫混凝土的抗壓強度高出約25%,受壓韌性指數(shù)提高約8.8%,說明將泡沫混凝土制備成復合墻板能有效改善泡沫混凝土強度較低、脆性較大的缺陷.除此之外,聚丙烯纖維的摻量對復合墻板的抗壓強度和受壓韌性指數(shù)有較顯著的影響.在無纖維摻入的情況下,泡沫混凝土和泡沫混凝土復合墻板的抗壓強度均較低,隨著聚丙烯纖維摻量的增加,泡沫混凝土和泡沫混凝土復合墻板的抗壓強度均增大,且前期增大幅度較大.當纖維摻量為2.0 kg/m3時,比無纖維摻入的復合墻板的抗壓強度提升了76.08%,受壓韌性指數(shù)提高了30.03%.但當纖維摻入量過大時,泡沫混凝土復合墻板的抗壓強度反而有所降低,受壓韌性指數(shù)也出現(xiàn)了類似的情況.GB/T 23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》中對隔墻條板的抗壓強度要求是至少大于3.5 MPa,可見容重為600 kg/m3的泡沫混凝土復合墻板摻入纖維后可較好的滿足國家標準,其中聚丙烯纖維摻量為1.5～2.0 kg/m3時,可使泡沫混凝土復合墻板的抗壓強度和韌性指數(shù)保持在較高的水平.

為初步解釋當纖維含量為2.5 kg/m3時的復合墻板強度有所降低的情況,通過試驗對比了纖維摻量為1.0 kg/m3和2.5 kg/m3的泡沫混凝土復合墻板孔結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像,如圖6所示.從圖中可以看出，若纖維摻入過多,會使泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)遭到破壞,孔結(jié)構(gòu)變得不完整,而孔結(jié)構(gòu)和泡沫混凝土的強度有著密切的關(guān)系[7].因此后續(xù)試驗研究中纖維摻量均取1.0～2.0 kg/m3.

圖6 泡沫混凝土復合墻板的SEM圖Fig.6 SEM images of foamed concrete sandwich panels

2.2.2 泡沫混凝土容重對復合墻板受壓力學性能的影響

聚丙烯纖維摻量為2.0 kg/m3,容重為400、500和600 kg/m3的芯材對復合墻板的抗壓強度和受壓韌性指數(shù)的影響如圖7所示.

圖7 泡沫混凝土容重對復合墻板抗壓強度和受壓韌性指數(shù)的影響

Fig.7 Influences of density on the compressive strength and compressive toughness index of foamed concrete sandwich panel

從圖7中可以看出,復合墻板的抗壓強度隨容重的增大而大幅提高,容重為400 kg/m3時,復合墻板的抗壓強度僅為2.98 MPa,而容重為600 kg/m3時,抗壓強度達到5.67 MPa,增長了90.27%.泡沫混凝土復合墻板受壓韌性指數(shù)隨容重的增加略有增大,但增幅較小.按照GB/T 23451—2009 《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》中對隔墻條板的抗壓強度的規(guī)定,可以看出在聚丙烯纖維摻量為2.0 kg/m3時,泡沫混凝土容重達到500 kg/m3以上的復合墻板均能滿足要求.

2.3 硅酸鈣板-纖維增強泡沫混凝土復合墻板受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€分析

2.3.1 硅酸鈣板-纖維增強泡沫混凝土復合墻板受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點

硅酸鈣板-纖維增強泡沫混凝土復合墻板典型的實測應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖8所示,結(jié)合其受壓破壞特征,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為4個不同的區(qū)域,其特點如下:1)OA段,彈性變形階段,泡沫混凝土復合墻板的應(yīng)力增長較快而應(yīng)變增長較為緩慢,特征點A為彈性極限點,此時對應(yīng)著硅酸鈣板和泡沫混凝土界面出現(xiàn)裂縫；A點處的應(yīng)力約為峰值應(yīng)力的80%～90%.2)AB段,應(yīng)力硬化階段,隨著應(yīng)力進一步增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率略有減小,由于硅酸鈣板和芯材出現(xiàn)裂縫后,硅酸鈣板逐漸受到彎曲應(yīng)力,芯材裂縫不斷增多,直至荷載峰值點B點結(jié)束,B點對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變分別為峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變.3)BC段,應(yīng)變軟化階段,峰值應(yīng)力過后,應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€進入下降階段,此階段應(yīng)變增加的同時,應(yīng)力降低幅度較大,下降幅度可達50%左右,這主要是硅酸鈣板折斷和芯材主裂紋不斷擴大的綜合結(jié)果.4)C點過后,應(yīng)變逐漸增大,應(yīng)力降低放緩,泡沫混凝土復合墻板試件徹底破壞.

圖8 實測應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.8 Measured stress-strain curve

2.3.2 纖維摻量對泡沫混凝土復合墻板受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響

纖維含量對容重為600 kg/m3的泡沫混凝土復合墻板的受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和峰值應(yīng)變的影響如圖9所示.

從圖中可以看出,隨著纖維含量的增加,峰值應(yīng)力增加,彈性極限點和峰值應(yīng)變均呈現(xiàn)出“后滯”的現(xiàn)象,且復合墻板后期承載能力提升,纖維摻量為2.0 kg/m3的復合墻板的后期承載力約是不摻纖維的復合墻板的后期承載力的3倍.纖維摻量對應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的峰值應(yīng)變影響較大,纖維含量為2.0 kg/m3時的峰值應(yīng)變?yōu)?2.35×10-3,比無纖維摻入時的峰值應(yīng)變增大了92.51%.

圖9 不同纖維摻量的復合墻板應(yīng)力-應(yīng)變曲線和峰值應(yīng)變

Fig.9 Stress-strain curves and peak strain of foamed concrete sandwich panel with different fiber content

2.3.3 泡沫混凝土容重對復合墻板受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響

泡沫混凝土容重對纖維摻量均為2.0 kg/m3的復合墻板應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和峰值應(yīng)變的影響如圖10所示.

從圖10中可以看出，泡沫混凝土不同芯材容重的復合墻板應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的形狀相似,具有統(tǒng)一的形狀和特征.復合墻板的后期承載力都較高,均為峰值應(yīng)力的50%～60%,應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€峰值應(yīng)變保持在較高的水平,均達到21×10-3以上,且相差不大,隨容重的變化有少量的提升.

2.3.4 泡沫混凝土復合墻板應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程

應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€作為圖形化的本構(gòu)關(guān)系,是研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力性能的主要依據(jù),為此本試驗提出了泡沫混凝土復合墻板受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程并確定其參數(shù),建立相應(yīng)的數(shù)學模型.

將試件的應(yīng)力應(yīng)變-全曲線采用無量綱坐標表示,即X=ε/ε0,Y=σ/σ0,其中ε0為峰值應(yīng)變,σ0為峰值應(yīng)力.繪制峰值坐標為(1,1)的標準曲線,如圖11所示.

圖10 不同容重的復合墻板應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和峰值應(yīng)變

Fig.10 Stress-strain curve and peak strain of foamed concrete sandwich panel with different density

圖11 不同纖維摻量的復合墻板受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的標準曲線

Fig.11 Standard curve of stress-strain cure of foamed concrete sandwich panel with different fiber content

不同纖維含量的復合墻板受壓應(yīng)力-應(yīng)變標準曲線由于上升階段和下降階段相差懸殊,因此這兩段曲線分別采用不同的方程進行擬合.本試驗上升階段參考過鎮(zhèn)海等[14]建議的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程,采用三次多項式,下降段采用有理分式,如下所示:

(1)

式中，a1、a2、a3控制曲線上升段,k1、k2為形狀系數(shù),k1控制曲線下降段的坡度,k2控制曲線下降段的下降度的凹凸程度[15].由于標準曲線的上升段具有類似的形狀,因此對其進行統(tǒng)一的擬合,其結(jié)果如式(2)所示.

Y=0.11X+2.35X2+1.46X3, 0≤X≤1

(2)

下降段采用最小二乘法擬合,分別得到參數(shù)k1、k2的取值,其結(jié)果如表3所示.

表3 標準曲線下降段k值Table 3 k values of standard curve decline period

由于采用上述下降段公式對無纖維的復合墻板擬合的結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)偏差較大,因此本試驗采用式(3)進行擬合,擬合結(jié)果如式(4)所示.

(3)

(4)

將擬合結(jié)果和實際實驗曲線對比如圖12所示.從圖中可以看出,擬合的結(jié)果較好,能夠充分吻合原實驗數(shù)據(jù)的應(yīng)力-應(yīng)變情況.本試驗提出的方程為復合墻板受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程,反映了復合墻板受壓條件下的材料基本力學性能.

2.4 硅酸鈣板-纖維增強泡沫混凝土受壓條件下的薄弱區(qū)分析

泡沫混凝土復合墻板的受壓破壞現(xiàn)象如圖13所示.復合墻板受壓至一定程度后將先后出現(xiàn)界面裂縫、硅酸鈣板與泡沫混凝土相剝離、硅酸鈣板的斷裂、纖維的搭接等現(xiàn)象, 硅酸鈣板和泡沫混凝土之間的界面是復合墻板的薄弱區(qū).當硅酸鈣板與泡沫混凝土間出現(xiàn)剝離破壞時,硅酸鈣板承受壓力而彎曲直至折斷,在此過程中,硅酸鈣板成為主要的承載體,芯材中的主裂紋擴張會得到減緩,由于硅酸鈣板的強度較高,因而使得復合墻板的殘余強度增加,復合墻板達到極限荷載時的極限應(yīng)變有所增大.改善復合墻板的薄弱區(qū)是提高復合墻板受壓性能的重要途徑.

圖12 不同纖維摻量的復合墻板的實驗曲線和擬合曲線對比

Fig.12 Experimental curve vs fitting curve of foamed concrete sandwich panel with different fiber content

圖13 泡沫混凝土復合墻板的薄弱區(qū)Fig.13 Weak zones of foamed concrete sandwich panel

4 結(jié)論

(1)復合墻板的破壞形式隨纖維摻量和芯材容重的不同而不同.聚丙烯纖維的摻入,能夠充分阻止裂縫的擴展.不同容重的復合墻板,破壞后硅酸鈣板和芯材的粘結(jié)情況不同.

(2)芯材纖維摻量為0～2.0 kg/m3時,泡沫混凝土和復合墻板的抗壓強度和受壓韌性指數(shù)均隨纖維摻量的增加而增大,復合墻板的抗壓強度和受壓韌性指數(shù)較泡沫混凝土的分別高出25%和8.8%;纖維摻量為2.0 kg/m3的復合墻板的抗壓強度和受壓韌性指數(shù)比無纖維復合墻板的分別提升了76.08%和30.03%;容重對復合墻板的抗壓強度影響較大,對受壓韌性指數(shù)影響較小.

(3)復合墻板的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€可分為彈性應(yīng)變階段、應(yīng)力硬化階段、應(yīng)變軟化階段和破壞階段等4個階段,根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀特征,分別采用多項式和有理分式擬合曲線的上升階段和下降階段,擬合曲線和試驗數(shù)據(jù)吻合得較好.

(4)將泡沫混凝土制備成復合墻板后,其力學性能大幅度提升,受壓時的界面裂縫和分層現(xiàn)象是復合墻板的薄弱區(qū),改善復合墻板的薄弱區(qū)是提高復合墻板受壓性能的重要途徑.

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