泡沫混凝土物理力学特性研究
时间：2023-02-16 16:50:07 来源：千叶帆 本文已影响人
暴晓庆，高 蕾，王 桐，刘 丽，吴 阳
（1.兖矿能源集团股份有限公司南屯煤矿，山东 邹城 273500；
2.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）
我国煤炭资源十分丰富，且早在西汉时期就已经开始开采和使用煤矿资源。早时人们更多的追求煤炭产量而忽视了开采时的安全问题，安全设备不足、技术不够。随着时代的发展，现如今我们对于煤矿开采不仅仅要求其产量，安全问题是井下生产的首要问题。其中，井下密闭就是防止井下事故的一种重要举措。煤井废弃巷道不但会成为瓦斯气体的危险散布通道,还降低井下的通风效果,必须予以密封[1]。
煤矿井下密闭墙种类较多,包括防火墙和盲巷密闭墙、密闭泄水挡风墙、密闭巷道抽排瓦斯墙等[2]。我国传统的井下密闭墙多采用砖墙结构，原材料包括砖块、砂、水泥等。随着科学技术的进步以及对井下安全水平要求的提高，相继出现多种新型密闭材料，密闭墙的种类也多种多样。砖墙结构技术成熟，应用时间较长、技术要求低，工人能够熟练掌握，但其有施工工期长、费用高且密闭效果不够好的缺点。有机泡沫材料具有发泡率高、质量轻、成型速度快、高孔隙率、高渗透性等特点，但其抗冲击性能差且在高温条件下容易散发有毒气体、易燃，在发生火灾时容易发生变形。
研究泡沫材料在火灾条件下材料强度、密闭性能等具有现实意义。本文通过对不同密度下的混凝土进行吸水率对比实验发现，泡沫混凝土密度不同其吸水率情况也不同；
此外还对不同密度下的混凝土进行单轴、三轴压缩实验；
泡沫混凝土-砂浆直剪试验和泡沫混凝土动态冲击试验（SHPB），为泡沫混凝土在井下应用提供理论依据。
1.1 试验材料
试验原料：42.5 级普通硅酸盐水泥（市售华新水泥有限公司生产）、粉煤灰（市售武汉罗阳电厂生产的一级粉煤灰）、发泡剂（市售河南华泰建材开发有限公司开发的HT 复合发泡剂）、防水剂（市售易来泰公司生产的seal80 高活性可再分散硅烷基憎水剂）、改性聚丙烯束状纤维（19、19、6、9 mm 单丝纤维）、减水剂（市售武汉苏博新型建材公司生产的PC100 聚羧酸盐高性能减水剂）、促凝剂（市售中国建筑材料科学研究总院研制的HSA 高效速凝剂）。
1.2 材料制备
经过大量的正交试验发现，考虑到材料的气泡品质、纤维品质、干密度、吸水率、抗压强度、劈裂抗拉强度和劈拉强度/抗压强度比值等指标，得出各原材料最佳配比为：在以水泥为1 800 g 的基准条件下，泡沫量（ml）、纤维（g）、水（ml）、防水剂（ml）、减水剂（ml）、促凝剂（g）分别为360 ml、3 g、750 ml、5 ml、20 ml、90 g 时泡沫混凝土各指标综合素质最高。因此，本文材料以其为基本材料进行各项试验。
2.1 泡沫混凝土吸水率试验
实验分别制备4 个密度为250，450、850 kg/m3的试样，分别浸泡1、2、4、6、8、18、24 h 称重，称重时用吸水纸滤掉表面水分。分别记录不同密度泡沫混凝土随时间吸水量的变化情况。
2.2 泡沫混凝土单轴压缩试验
试验分别制备3 个密度分别为250、450、600 kg/m3的试样，每个密度试样制备3 个，共9 块试样，分别在RMT 多功能试验机上进行单轴压缩试验，得出不同密度下泡沫混凝土的单轴抗压强度、弹性模量及其应力应变关系，分析不同密度的泡沫混凝土在实验中的破坏形态，进一步得出密度对于泡沫混凝土强度特性的影响。
2.3 泡沫混凝土三轴压缩试验
分别对密度为250、550 kg/m3条件下的泡沫混凝土进行围压为0、0.25 、0.5 MPa 的试验，得出不同密度混凝土应力应变曲线。
2.4 泡沫混凝土-砂浆直剪试验
试验分别制备260、600、750 kg/m33 个不同密度的试样。将32.5 级水泥、中砂、水按照1∶5.27∶1.16 混合搅拌均匀，浇筑在放有预先制备泡沫混凝土试块的模具中养护24 h 拆模，再在标准条件下养护15 d。直剪试验采用RMT-150C 数控式电机伺服试验机，起初以0.5 kN/s 的速率缓慢施加法向荷载至设计值，随后以0.01 mm/s 的速率施加剪切应力直至试件破坏。
2.5 泡沫混凝土动态冲击试验（SHPB）
试验制备直径为50 mm，高度为30 mm 试样，用φ50 mm 杆径SHPB 试验装置进行试验。本次试验共进行20 个式样的泡沫混凝土SHPB 冲击试验，冲击围压分别为0、2.5、5.0、7.5 MPa，具体实验方案见表1、表2。
表1 泡沫混凝土单轴冲击试验方案
表2 泡沫混凝土三轴冲击试验方案
3.1 泡沫混凝土吸水率试验结果分析
泡沫混凝土浸泡后质量随时间变化情况如图1所示。不同密度混凝土质量均随时间而增加，且试块质量在前2 h 增长较快，在4 h 后质量上升缓慢。经计算得出各密度泡沫混凝土吸水率随时间的变化情况，如图2 所示，密度为250 kg/m3的混凝土吸水率最高，密度为850 kg/m3的混凝土吸水率最低。随着混凝土密度增大，其吸水率降低。
图1 质量随时间增长曲线
图2 吸水率随时间增长曲线
3.2 泡沫混凝土单轴压缩试验结果分析
单轴压缩试验结果如表3 所示。泡沫混凝土抗压强度随密度的增加不断上升。低密度泡沫混凝土其内部孔隙较多，其内向变形空间很大，更易发生变形。高密度泡沫混凝土其内部结构密实，在外力作用下不易发生变形，其抗压强度逐步提高。
表3 单轴压缩试验结果
3.3 泡沫混凝土三轴压缩试验结果分析
图3 不同围压下泡沫混凝土试样（密度：250 kg/m3）的应力应变曲线
图4 不同围压下泡沫混凝土试样（密度：550 kg/m3）的应力应变曲线
图3 与图4 为不同围压下密度分别为250、550 kg/m3的泡沫混凝土试样应力应变曲线，由图可知，低密度和高密度泡沫混凝土应力应变曲线变化规律大体趋势类似。单轴压缩条件下，试样达到强度前近似线性弹性，达到强度后，随着应变增加，材料应力有小幅下降。围压增加时，泡沫混凝土的强度及屈服后残余强度均随之增加。应力-应变曲线逐渐由应变软化型经理想弹塑型向应变强化型转变。当达到材料强度后，随着外力的增加，材料部分发生屈服破坏，接着重新压紧内部应力发生转移，此后应力基本保持稳定。随着围压的增加，径向同样会发生压缩变形，试件压缩时密度变大其承载力也不断增大，当体积压缩至一定量后，最终发生峰后应变硬化现象。
3.4 泡沫混凝土-砂浆直剪试验结果分析
不同密度的泡沫混凝土-砂浆试样随剪切位移的增加其剪应力及竖向位移变化差别较大，可以大致分为3 种类型。
类型一：第一阶段，剪切初始竖向位移基本不变，剪应力随剪切位移迅速增大，破坏面主要发生在接触面上；
第二阶段，剪应力急剧下降发生脆性破坏，即随着剪切位移的增大，由于剪应力集中使得部分接触面脱粘而产生较大的应力降；
第三阶段接触面完全破坏，抗剪力完全由摩擦力提供，并且由于剪切过程中造成泡沫混凝土颗粒碎屑迁移、滚动滑出接触面而导致竖向位移显著增大。
类型二：第一阶段，竖向位移迅速增大，即孔隙在压剪作用下进一步致密，有效接触面积显著增大，剪应力随剪切位移线性增长；
第二阶段，界面颗粒相继屈服，剪应力趋于平缓，即产生较大的塑性应变，竖向位移变化较小；
第三阶段，剪切位移继续增大，产生应变硬化，界面颗粒在剪切过程中重新排列紧密，使得剪切刚度显著增大，剪应力达到峰值；
第四阶段，由于破碎带较宽，剪应力稳步下降，直至接触面完全破碎而达到稳定值，随着接触面颗粒破碎、滑出，竖向位移显著增大。
类型三：第一阶段，在压剪力作用下，孔隙被挤压消失，试件的有效接触面积变大，其竖向位移变化率降低；
第二阶段，压剪作用初期，试件初始接触面被迅速破坏，随着试件颗粒重新排列压紧，剪切刚度随之增大；
第三阶段，剪切力再度增加时，剪切位移增大接触面破坏，由于法向力及试样密度较大，颗粒重新致密排列后会产生较大的摩擦力，这时破坏不再增大，竖向位移也不再发生变化。
3.5 泡沫混凝土冲击试验结果分析
在SHPB 冲击试验中，泡沫混凝土试件未受到围压作用且力加载率一定时，试件破坏是由冲击力造成的，且随着冲击加载率的增大，试件破坏程度也随之增大；
且实验发现，在有围压作用时，相同力加载率作用下试件本身并未发生明显破坏。围压增加可以提高试件的抗压强度和抗变形能力，围压的存在约束了混凝土中裂纹的形成和扩展，且围压越大，约束力越大。
另外，相同围压（或无围压）条件下，泡沫混凝土的破坏模式表现出了明显的率相关性，在应变率较低时，破坏模式为劈裂破坏；
随着应变率的不断增长，破坏模式逐渐转变为压碎破坏。这是因为在应变率较低时，泡沫混凝土的破坏是由已有缺陷的尖端裂纹扩展、贯通引起的，有明显的方向性，呈劈裂破坏形式；
而随着应变率的增大，更多的细观裂纹发生扩展，材料的碎块尺寸变小，破碎程度加重，最终呈现出压碎的破坏形式。
1）不同密度的泡沫混凝土吸水率试验研究表明，泡沫混凝土吸水率相对较低，随着密度的增大泡沫混凝土的吸水率进一步减小。
2）不同密度的泡沫混凝土单轴压缩试验表明，泡沫混凝土的强度随其密度呈指数型增大，泡沫混凝土的模量随其密度呈线性增大。
3）泡沫混凝土的三轴压缩试验表明随着围压的增加，泡沫混凝土的强度及屈服后残余强度均不断增加，低密度和高密度泡沫混凝土应力应变曲线变化规律大体趋势类似。
4）泡沫混凝土的SHPB 冲击试验表明：泡沫混凝土的破坏形态随围压的大小不同而发生变化，围压增加可以提高试件的抗压强度。另外，相同围压条件下，泡沫混凝土的破坏模式表现出了明显的率相关性。
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