不同密度等級泡沫混凝土的單軸壓縮破壞特征

李升濤，陳徐東，張錦華，董 文

（1.河海大學 土木與交通學院，江蘇南京 210098；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210098；3.96901部隊，北京 100089）

泡沫混凝土是一種輕質混凝土，具有強度密度可調整、耐火吸聲、低碳環保等優點，在軟基處理、道路加寬、橋臺臺背填土、隧道洞口和埋管的填土等方面應用廣泛［1-2］.泡沫混凝土的突出特點為內部的泡沫孔，這使得混凝土輕質化和保溫隔熱化，但同時其力學性能也受到了影響.其中，壓縮特性是泡沫混凝土的主要力學性能之一，與普通混凝土有較大的差異，需要重點研究.

目前，已經有很多學者對泡沫混凝土單軸壓縮下的力學特性進行了研究，主要集中在孔隙率、孔形狀、密度、抗壓強度等之間的關系.Nambiar等［3］研究發現，泡沫混凝土的抗壓強度與密度受孔體積、孔徑和孔間距的影響，其內部孔徑分布越均勻，強度越高.另一方面，對于多孔材料，密度對力學性能的影響非常明顯：侯明昱等［4］發現泡沫混凝土的孔隙率隨著其干密度的增大而減小；張亞梅等［5］的研究表明，隨著泡沫混凝土密度等級的增加，其流動度先增大后減小，在密度為600 kg/m3時達到最大值；李廣良等［6］的研究結果顯示，泡沫混凝土的吸水率隨著密度的增大逐漸降低.但是，現有研究主要集中在基本力學性能和孔結構等方面［7-8］，對不同密度泡沫混凝土的開裂破壞過程研究還很少，損傷破壞機制尚不明確.要實現材料的合理設計和應用，僅從強度角度來考慮其力學性能是不充分的，必須進一步了解其變形失效機理.而如何觀測泡沫混凝土的壓縮損傷過程，測量多點開裂現象是目前應著重解決的問題.

數字圖像相關方法（DIC）是一種新型的觀測系統，可實時呈現試件破壞的位移場和應變場［9］.聲發射（AE）可以通過獲取試件破壞過程中產生的機械波來探測試件內部的損傷開裂［10］.Dai等［11］利用DIC和AE技術對普通混凝土梁的斷裂過程進行了研究，發現AE事件的位置變化與DIC對裂縫的觀測結果是一致的.De Sutter等［12］利用AE觀測了不同破壞模式下聲發射參數的變化，并利用DIC技術得到的應變場對結果進行了驗證.然而，目前對泡沫混凝土破壞過程進行無損監測的研究仍然較少.

本文結合DIC和AE技術，分析了泡沫混凝土的力學性能、應變場及聲發射參數，研究了單軸壓縮下的裂縫萌生擴展以及破壞演變過程.研究結果有助于進一步了解泡沫混凝土的變形性能和力學響應規律，從而為泡沫混凝土的性能評估與數值建模提供依據.

1 試驗方案

1.1 試樣制備

發泡劑為產自威海中盛新型建材有限公司的高分子復合發泡劑，稀釋倍數1∶40；水泥為P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥；水為自來水.泡沫混凝土的配合比如表1所示，其中ρ為濕密度.試驗選用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，以測定泡沫混凝土的基本力學特性.

表1 泡沫混凝土的配合比Table 1 Mix pr oportions of foam concr etes

1.2 試驗方案

采用MTS 322型閉環伺服控制試驗機進行單軸壓縮試驗（見圖1（a）），準靜態加載位移控制速率為0.01 mm/s（L1）.為研究加載速率的影響，再選取2組加載速率（L2＝0.01 mm/s，L3＝0.10 mm/s）.采用美國Correlated Solutions公司VIC-3D系統觀察試件表面的變形，具體流程如圖1（b）所示.其中散斑直徑約為0.5 mm，對應大小約為7個像素.將2個分辨率為2 048×2 048的工業相機用三腳架固定，然后進行圖像采集和相機標定.另外，采用美國聲學物理公司SAMOSTM16通道聲發射測試系統采集混凝土損傷破壞的聲發射信號.為排除外界的噪聲干擾，按照聲發射使用手冊和預實驗結果，設定35 dB為聲發射門檻值，以保證試驗采集數據的有效性.

圖1 單軸壓縮試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of uniaxial compression testing system

2 結果與分析

2.1 單軸壓縮試驗

圖2為泡沫混凝土試件壓縮荷載與壓縮變形的關系曲線，每種工況給出了2條典型的曲線，分別用“1”，“2”表示.由圖2可見：（1）泡沫混凝土的壓縮響應呈現明顯的階段性，其初期加載行為與普通混凝土明顯不同.加載曲線OA段的切線模量存在逐漸增大的過程，表明在起始的接觸過程中存在一個初步密實階段；AB段為彈性階段，材料內部主要靠胞壁的彎曲等彈性變形方式來承擔荷載；BC段為屈服階段，應力集中發生在試件的薄弱胞壁，荷載和變形開始出現非線性特征；在達到峰值荷載（Pmax）后，承載力會產生突然跌落并在C點后進入平臺段，這是微裂紋和宏觀裂紋擴展導致發生的局部失穩.試件在之后階段的變形能力大大增強，其承載力穩定在一個較高的荷載水平（75%Pmax～80%Pmax）.泡沫混凝土內部具有特殊的多孔結構，在受壓過程中微小孔隙結構破壞，導致孔隙閉合，試件產生相應的壓縮變形，消除了局部失穩.在剩余剪切帶中的基質發生摩擦和互鎖，使得承載力仍然存在，從而使得泡沫混凝土具有很好的變形性能和緩沖性能.

圖2 泡沫混凝土的荷載-位移關系曲線Fig.2 Load-displacement curves of foam concretes

（2）試件的承載力隨著密度的增大而增大，這主要是由于密度等級較高的泡沫混凝土內部的氣孔胞壁更加厚實，氣孔分布也更加均勻，材料的整體屈服應力提高.密度為500～600 kg/m3的泡沫混凝土性能提升并不明顯，這可能是氣孔尺寸和分布的離散性導致的.張亞梅等［5］對不同密度泡沫混凝土進行CT掃描后發現，密度在600 kg/m3以下的泡沫混凝土邊界氣泡尺寸明顯大于密度等級高的混凝土，其內部氣泡尺寸和分布的離散性也較大.但是，密度的增大也使泡沫混凝土具有更大的脆性.隨著密度的增大，泡沫混凝土的加載屈服段不斷減小，同時峰后的下降段更加陡峭.根據Hillerborg［13］提出的壓縮損傷區（CDZ）模型，這也與材料較高的抗壓強度有關.文獻［14-15］也存在類似的結果，即增加抗壓強度增大了材料的脆性.

（3）當泡沫混凝土的密度較低時，加載速率對承載力曲線和峰值荷載的影響不大，各加載曲線大致相近.當泡沫混凝土的密度較高時，其壓縮性能對加載速率的敏感度更高，產生了明顯的速率效應，加載速率的提升會增大試件的承載力.當加載速率低至0.001 mm/s時，泡沫混凝土的加載曲線呈現出很明顯的延性破壞特征，峰值應變大大增加，峰后曲線平緩下降.

圖3為不同密度泡沫混凝土的破壞斷面.由圖3可見：試件S5的破壞斷面存在大量的大孔徑孔隙，這些是應力集中以及發生壓縮密實的主要區域；試件S6產生了一些斜裂縫，外表面部分剝落；試件S7破壞后裂紋幾乎貫穿整個界面，內部的失效面呈現夾角，失效形態呈現“錐形模式”.這表明隨著密度的增大，泡沫混凝土在單軸壓縮條件下的宏觀失效過程主要表現為受剪損傷.

圖3 不同密度泡沫混凝土的單軸壓縮破壞形態Fig.3 Failure modes of foam concretes with different density under uniaxial compression

作為一種多孔材料，泡沫混凝土具有很強的能量吸收能力，其在壓縮過程中的能量吸收量W可以通過名義應力-應變（σ-ε）曲線所包圍的面積計算得到：

式中：σ(ε)為某時刻的名義應力值，MPa；ε為對應的應變.

材料在壓縮過程中的能量吸收效率η可定義為應變達到某一值時所吸收的能量與相應名義應力的比值，其表達式如下：

已有的研究表明［16-17］，通過平臺應力、壓縮過程中能量吸收量W、能量吸收效率η等力學參數，可以有效地評價多孔材料的能量吸收特性.圖4為加載過程中不同密度泡沫混凝土應力-應變曲線及能量吸收參數的變化情況.由圖4可見：平臺階段內的平均應力是多孔材料能量吸收的重要影響參數，密度最大的泡沫混凝土的平臺應力、總能量吸收量最大；密度為500、600kg/m3泡沫混凝土的總能量吸收量接近；低密度泡沫混凝土的能量吸收效率更高，孔隙含量更大.

圖4 不同密度泡沫混凝土的名義應力-應變曲線及相應能量吸收曲線Fig.4 Normal stress-strain curves and corresponding energy absorption performance of foam concretes with different density

2.2 基于DIC的破壞過程研究

DIC技術是一種簡單且通用的方法，只需使用攝像機即可輕松地執行全場應變分析.表2為不同密度泡沫混凝土試件的加載曲線以及破壞后的表面形態，并選取了加載曲線上的關鍵點，通過DIC獲得的橫向應變場（εxx）分析整個的壓縮失效過程.由表2可見：（1）試件S5在非線性行為開始時，即大約極限載荷的80%～90%附近，應變局部化區域開始出現，此時在試件右下角出現了1道應變集中區域；峰值時刻試件中部裂縫形成，之后在承載力突然跌落的過程中，裂縫快速增長，表明試件內部出現了局部失穩；隨后在試件其他區域出現了多條豎向裂縫，這些宏觀裂縫之間有一定聯系，間距大概在10～20 mm.

表2 不同密度泡沫混凝土的單軸壓縮應變云圖演化Table 2 Strain evolutions of foam concretes under compression with different density

（2）試件S6和S7中也出現了裂縫快速增長的現象，但是試件表面的裂縫逐漸由多裂縫轉變為單一裂縫，裂縫發展的方向由垂直型裂縫轉變為傾斜發展的剪切型裂縫，這種彎曲的斜裂縫在試件S7中尤為明顯.這樣的結果說明，隨著密度的增大，試件的破壞模式表現出脆性的增加，原有的通過緩慢擴張形成的分散型裂縫轉變為突然集中產生的貫穿型裂縫.由此可見，低密度泡沫混凝土主要的破壞形式是延性破壞，主要由材料內部水泥基體中大量存在的微孔結構引起；密度較高的泡沫混凝土主要表現出準脆性破壞特征，主要由宏觀縱向裂縫引起.

2.3 基于AE的破壞過程研究

聲發射信號是材料內部產生微裂縫時局部能量快速釋放而形成的彈性波，能夠反映材料內部的損傷.相比DIC反映的是直觀但是偏表層的裂縫發展，AE能夠得到材料整體的損傷信號.AE累計振鈴計數曲線可以表征AE信號源整體的活躍度.累計振鈴計數增長越快，表明信號活躍度越高，損傷發展速率越快.AE幅值可以表征局部損傷的劇烈程度，當某處損傷越劇烈時，所產生的AE幅值越高.試件破壞過程中聲發射參數與荷載歷程的關系曲線如圖5所示.由圖5可見：

圖5 不同密度泡沫混凝土的聲發射參數與荷載歷程關系曲線Fig.5 Relation curves of AE parameters and load histories of foam concrete with different density

（1）加載過程的聲發射信號存在明顯的階段性.試件S5在線彈性加載階段的聲發射信號較弱；在加載進入峰值階段時，聲發射信號增強，振鈴計數值在該階段迅速增長；在峰后平臺段，聲發射信號減弱.這些現象與DIC觀察到的裂縫擴展模式相一致：在加載初期，DIC應變云圖中無明顯的應變集中區域，此時試件沒有出現劇烈聲發射信號釋放；當加載至峰值時，云圖顯示裂縫出現失穩擴展現象，在此階段產生強聲發射信號；當試件進入峰后的壓縮密實階段時，此時主要為孔隙的閉合與基質之間的接觸摩擦，DIC云圖顯示裂縫為穩定擴展或長度停止增長，聲發射信號減弱.

（2）隨著泡沫混凝土密度的增大，不同階段的聲發射信號產生明顯變化：試件S6的加載初期開始出現少量強度較高的信號，試件S7在加載初期呈現大量的高強度信號，且振鈴計數值在該階段突增.這是由于在線彈性階段，材料通過胞壁彎曲等彈性變形方式承擔荷載.當密度增大時，由于材料的非均質性，局部應力集中效應增強，試件內部容易產生更劇烈的開裂行為.此外，峰值時刻聲發射信號的變化也反映出這樣的特征.隨著密度的增大，峰值階段聲發射信號的突增現象更加明顯，且突增位置更加集中，振鈴計數的突增由多次變為單次，在其他試件中也觀察到了類似的現象，這反映出材料破壞模式的改變.

3 結論

（1）隨著密度的增大，泡沫混凝土的屈服強度、平臺應力、能量吸收均有明顯的提高.

（2）隨著密度的增大，泡沫混凝土試件破壞時的裂縫數量減少，裂縫傾斜角度增大，聲發射振鈴計數突增現象更加集中，破壞模式呈現出脆性增加的特性.

（3）泡沫混凝土密度增大之后，速率效應更加明顯.對于密度為500 kg/m3的泡沫混凝土，加載速率提升對其抗壓承載力并無太大影響；對于密度為750 kg/m3的泡沫混凝土，加載速率提升后其抗壓強度明顯上升，破壞模式由延性破壞轉變為脆性破壞.

（4）DIC技術能夠對泡沫混凝土試件破壞過程中的微裂紋演化分析提供有效手段.同時AE和DIC的結果能夠互相補充，2種技術的結合有助于表征泡沫混凝土中微裂縫的演變規律.