第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
在当代建筑土木工程中，建筑高度、跨度的增加，重度、强度的性能要求逐渐提高，所以对建筑材料轻质高强的性能越来越重视[1]。因此，具有优异性能的轻集料混凝土广泛运用到当今多种建筑工程当中，适应着建筑物和建筑材料的功能对高度和跨度更高的技术性能要求，此类轻集料混凝土在建筑材料市场中占有广阔的市场前景。面对这样的建筑工程的材料发展趋势和建筑材料市场，研究轻集料混凝土正是一种时发表展和专业应用领域的需求。轻集料混凝土是由体积密度较小的轻集料、轻砂（或普通砂）水泥和水配制成的混凝土，如陶粒、浮石、膨胀珍珠岩等等多种轻集料均属于多孔结构材料，再者，具有轻质、低价、可循环再用等高性能的聚苯乙烯颗粒，更多地运用到多种结构和实际工程当中，由此可见轻集料混凝土在土木工程上广泛应用。早在 20世纪 50年代，EPS 轻集料混凝土早已被发现且研制，广泛用于保温隔热工程、道路保温养护等工程[2]。20 世纪 70 年代，学者 Cook 对 EPS 轻集料混凝土进一步研究其性能[3]。80 年代，有关EPS 颗粒的轻集料混凝土已经在澳大利亚出现了 BST 专利技术，鉴于其专利产品性能好，均匀、高效，开启了 EPS 轻集料在建筑工程上的先河[4]。另一方面，轻集料混凝土在我国的发展则较为延后，但关于轻集料混凝土的研究在许多国内学者的努力下得到一定程度的进步。《轻集料混凝土技术规程》（JGJ51—2002）、《轻珠混凝土技术规程》（DBJ15—62—2008）等等多本国内轻集料混凝土技术规程在众多学者研究下相继制定，因此，轻集料混凝土在土木工程中的应用在本质上得到了技术指导。 对于目前国内外现行研究主要是其和易性、单一孔型密度与强度关系，本研究课题利用引气剂、EPS、陶粒三者复合制造水泥基多孔固体，进一步探讨多种孔隙率与混凝土强度基础理论与破坏情况，完善优异特性的多孔复合轻集料混凝土的配制与应用技术，为相关工程应用提供技术参数和理论支持。
........
1.2 国内外研究现状
EPS 轻集料混凝土在法国的 K.Miled 研究下，得到孔隙率在 10%~50%的范围，其抗压强度随着 EPS 颗粒的掺量增加而逐渐减小[5]。改善水泥基质多孔固体结构浆料的和易性，能改善 EPS 颗粒的上浮现象，使其孔结构分布均匀。同时，对水泥基质浆料掺入一定量粉煤灰和硅灰，能对其强度有一定的增加。鉴于粉煤灰和水泥基质胶凝材料间的化学效率值，粉煤灰不易过大，否则降低 EPS 轻集料混凝土强度[6]。另一方面，从文献[7,8]中得知良好的和易性能在某种程度上提高 EPS 轻集料混凝土强度，良好的流动性能改善其力学性能。 文献[9]研究中，也体现出和易性的改善能够减少水泥基质胶凝材料泌水的危害，令EPS 颗粒孔结构均匀分布，而少量引气剂的掺入，即掺入少量小气孔可改善 EPS 轻集料混凝土和易性，能在一定程度上提高其强度。 有学者发现 EPS 轻集料混凝土强度与 EPS 颗粒孔结构大小有关，在相同试验条件下，在控制 EPS 颗粒体积含量达到孔隙率相同的条件下，孔隙率在一定范围内，EPS颗粒孔结构孔径越小，强度越高[10]。与之相近的 D. Bouvard 等人也通过实验证明改变EPS 颗粒粒径能提高轻集料混凝土强度[11]。而文献[12]利用两种不同孔径的 EPS 颗粒在不同比例的情况下与水泥基质同时搅拌，进行 EPS 保温砂浆研究，对（1.25mm 孔径和2.55mm 孔径）这两种不同孔径的 EPS 保温砂浆进行力学实验，发现有一定级配的 EPS轻混凝土强度有所提高。文献[13]在孔径为 3mm、5mm 的二维混凝土板上实验，得到的实验结果表现为孔径在一定范围内，混凝土破坏不会显示出孔尺寸的效应。 文献[14]发现高强页岩陶粒和水泥基质界面的界面层比砂石和水泥基质界面的界面层显得更为紧密；而鉴于 EPS 颗粒表面光滑、不吸水且表现出憎水性，和水泥基质界面的界面层则显得疏松。文献[15]在对 EPS 颗粒轻集料混凝土孔结构界面进行分析，发现EPS 颗粒孔结构和水泥基质界面主要为水化硅酸钙（CSH）。 K. Miled [5]利用相同配合比的 EPS 颗粒轻集料混凝土进行试件尺寸影响试验，发现试件的尺寸与 EPS 颗粒孔径之比在一定范围内，试件尺寸因素并不对试验结果起影响作用，因而从试验结果可以控制在试件尺寸不小于 110mm。
.........
第二章 原材料和主要实验方法
2.1 试验材料
2.1.1 水泥
水泥采用的是由广州石井水泥厂生产的石井牌，旋窑 P.O.42.5R 强度等级的水泥，石井，旋窑 P.O. 42.5R 普通硅酸盐水泥的力学性能见表 2-1.
2.1.2 聚苯乙烯（EPS）颗粒
本研究采用聚苯乙烯颗粒（以下统称 EPS 颗粒），粒径为 5mm，表观密度为 7.2kg/m3，空隙率达到 35%，表面光滑无裂缝、空洞，原生 EPS 颗粒，圆球状且不吸水。如图 2.2所示。
2.1.3 陶粒
本研究采用的是人造黏土陶粒，经过加工制粒，烧胀制成，一般颜色为表面暗红色，里面暗灰色，表面粗糙有凹凸痕迹。陶粒的物理力学性能如下表 2-2 所示
........
2.2 实验方法
孔结构集料的表观密度、吸水率、空隙率等性能测验按照《轻集料及其试验方法》和《轻集料混凝土技术规程》等的轻集料试验方法规定进行测定。水泥基复合多孔固体搅拌方法采用的砂浆搅拌为 SJZ—15 型水泥砂浆搅拌机。由于每组试样成型需求不同，搅拌方法均有差异，但每组试样搅拌方法基本一致，先将水泥基质材料均匀搅拌 90 秒，静止放置一分钟，逐渐加入轻集料材料，充分混合后，再机械搅拌 90 秒，搅拌均匀。 本实验试样尺寸采取两种 100mm×100mm×300mm 和 160mm×160mm×20mm 试样规格，成型过程中，进行人工振捣密实，并用薄膜覆盖避免水分过度流失。试样成型拆模后，放入标准养护室养护；养护室温度保持在 20±3℃，水温保证 20±2℃，相对湿度大于 90%。养护 28d。进行混凝土单轴压缩试验时，加载过程中，试验机会因承受与试件轴向力相等的荷载而使机架等受力零件产生相应的变形，积聚了弹性应变能。当试件达到最大承载力后开始下降时，试验机因受力减小而恢复变形，很快释放能量，对试件施加较大的附加压应变，使混凝土急速破坏。从而无法测出真实的受压应力－应变全曲线。解决这一问题主要有两种方法，一是在普通材料试验机上加设刚性元件，如弹簧、钢柱液压千斤顶等；另一种方法是采用电液伺服阀控制的刚性试验机，将混凝土棱柱体试件放入后，按照设定的等应变速度进行加载控制。 本研究采用深圳新三思 SHT 4106 微机控制电液伺服万能试验机（一级精度等级，最大负荷达到 1000kN）和钢铁研究总院 YYU—10/100 电子引伸计进行轻集料单轴抗压、应力—应变全曲线实验；仪器如下图 2.3 和图 2.4 所示：
...........
第三章 EPS 含量对引气—EPS 复合多孔固体抗压性能影响的研究 ...... 12
3.1 引气—EPS 复合轻集料混凝土的实验设计与内容 ........... 12
3.1.1 实验设计思路 ......... 12
3.1.2 实验内容与方法 ..... 13
3.2 引气—EPS 复合轻集料混凝土棱柱体单轴抗压实验 ....... 13
3.3 EPS 含量对引气—EPS 复合轻集料混凝土的抗压性能影响分析 .... 18
3.4 本章小结 ....... 22
第四章 引气—EPS—陶粒复合对多孔固体抗压性能影响的研究 ........... 23
4.1 引气—EPS—陶粒复合轻集料混凝土的实验设计与内容 ........ 23
4.1.1 实验设计思路 ......... 23
4.1.2 实验内容与方法 ..... 24
4.2 引气—EPS—陶粒复合轻集料混凝土棱柱体单轴抗压实验 .... 24
4.3 引气—EPS—陶粒复合对轻集料混凝土的抗压性能影响分析 ........ 28
4.4 本章小结 ....... 33
第五章 孔隙率对二维水泥基多孔固体抗压性能影响的研究 .......... 35
5.1 孔隙率对二维单孔水泥基固体的抗压性能影响 ....... 35
5.2 EPS 孔隙率对二维 EPS 水泥基多孔固体的抗压性能影响 ....... 44
5.3 引气—EPS 复合孔隙率对二维水泥基多孔固体的抗压性能影响 ........... 52
5.4 本章小结 ....... 59
第五章 孔隙率对二维水泥基多孔固体抗压性能影响的研究
引气—EPS 复合轻集料混凝土在单轴受压实验中的破坏开裂过程是难以观察其内部单元多孔结构的破坏形式，为得到引气—EPS 复合轻集料混凝土中引气、EPS 孔结构的破坏机理，宏观观察水泥基多孔固体在二维状态下的单轴受压实验，其裂缝发展过程以及分析孔隙率对水泥基多孔固体抗压性能指标的影响关系。 因此，本章研究二维状态下，孔隙率对水泥基多孔固体抗压性能的影响。制作二维水泥基多孔固体（包括二维单孔水泥基固体、二维 EPS 水泥基多孔固体、二维引气—EPS 复合水泥基多孔固体），对其进行单轴抗压实验。得出其由于孔隙率变化对二维水泥基多孔固体的抗压性能影响的指标，如峰值应力、峰值应变，极限应变、弹性模量泊松比等，与引气—EPS 复合轻集料混凝土的抗压性能对比分析。 在本章二维水泥基多孔固体单轴抗压实验中，其受压方式如图 2.4 所示。为保证二维水泥基多孔固体在单轴受压实验中的上下受压面平行，且与大面垂直，模板制作过程中利用水平尺严格控制误差。
5.1 孔隙率对二维单孔水泥基固体的抗压性能影响
本节在二维水泥基多孔固体制造单圆孔，通过改变圆孔孔径大小而达到改变孔隙率对二维水泥基多孔固体抗压性能的影响，分析在单孔孔隙率改变的基础下，其二维水泥基多孔固体进过单轴抗压实验后，孔隙率对其破坏过程和峰值应力、应变，极限应变，弹性模量，泊松比等抗压性能的影响关系。本节主要设计二维水泥基单孔固体板，在水泥基孔板的同一位置（板中心）下，改变孔径大小而改变孔隙率，研究其孔隙率与水泥基质抗压强度之间的关系。在单轴抗压实验中，水泥基质孔板的破坏情况，为此孔径大小的设计是关键因素。 配合比设计思路：在保持水泥基材料组成基本相同，因此维持水灰比不变的前提下，通过在二维板正中心位置制作单一的不同孔隙率的圆孔，按照面积比率，孔隙率分别为：1%、2%、5%、10%、17%五个不同的孔隙率。
...........
结论
本文针对目前水泥基质多孔固体结构的抗压性能研究的问题，通过对引气—EPS 复合轻集料混凝土、引气—EPS—陶粒复合轻集料混凝土、多种二维水泥基多孔固体进行单轴受压实验，得出多种不同孔隙率对水泥基多孔固体的抗压性能与破坏情况的结论：
1、引气—EPS 复合多孔轻集料混凝土体积密度低至 905kg/m3的试样在单轴受压过程中出现坍孔破坏，此破坏面垂直于受力方向。在引气量为 14%时，随着 EPS 含量逐步提高，相对密度下降幅度 50%时，峰值应力下降幅度达 95.6%，弹性模量下降达 83.3%，在引气砂浆中，EPS 的含量对轻集料混凝土的峰值应力与弹性模量影响大。相对密度从0.72 降至 0.43 时，峰值应变下降至 0.56×10-3，极限应变则上升至 1.52×10-3，极限应变与峰值应变差值达到引气—EPS 复合轻集料混凝土试样中的最大值 0.96×10-3，试件出现坍孔破坏，随 EPS 增大先变脆再改善脆性性能。体积密度下降至 1685 kg/m3、1395 kg/m3、946 kg/m3，其泊松比分别为 0.23、0.26、0.30，与基准试件相比，上升幅度分别为 1.4 倍、1.6 倍、1.9 倍。
2、引气—陶粒复合轻集料混凝土以陶粒与引气砂浆同时破坏为破坏形式，引气—陶粒—EPS 复合轻集料混凝土则以引气孔破坏为破坏形式。基准砂浆掺入陶粒后，体积密度下降 28%，弹性模量下降 36%；陶粒轻混凝土掺入引气剂后，体积密度下降 16%，弹性模量下降 69%；引气—陶粒轻混凝土掺入 EPS 颗粒后，体积密度下降 13%，弹性模量下降 0%。另一方面，在陶粒轻集料混凝土、引气—陶粒复合轻集料混凝土、引气—EPS—陶粒复合轻集料混凝土中，其极限应变与峰值应变差分别为 0.2×10-3、1.2×10-3、2.0×10-3，其差值随着引气剂和 EPS 的掺入而增高。掺入具有一定强度的陶粒与 EPS颗粒形成骨架，对混凝土的刚度影响较小，因此在相同体积密度下，陶粒混凝土相对于引气混凝土具有较高的弹性模量，引气剂和 EPS 能有效地改善混凝土的脆性，改善陶粒混凝土脆性性能。
.........
参考文献(略)