現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

馮 煒 ，雷學(xué)通 ，王新岐 ,2

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市 300051；2.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市 300051）

0 前言

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土是指用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用形成的一種輕質(zhì)材料[1-2]。

作為一種新型的路基填料，有必要對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度及影響因素進(jìn)行研究，了解力學(xué)性能和特性，分析其作為路基填料的路用性能。

1 試驗(yàn)所用配合比

為了研究現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的各項(xiàng)力學(xué)性能，本文制定了五種配合比，各配合比有不同的水泥質(zhì)量與原料土質(zhì)量比，并采用不同劑量的發(fā)泡劑。各配合比組成及容重見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)所用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土配合比

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及影響因素

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能最基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3-4]，主要圍繞以下因素開(kāi)展試驗(yàn)：

（1）原料土和氣泡含有率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；

（2）固化材料對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；

（3）養(yǎng)生環(huán)境對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；

（4）養(yǎng)生溫度與齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

2.1 原料土、氣泡含有率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

為了判斷原料土、氣泡含有率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，采用普通硅酸鹽水泥，分別固定六組配合比中河砂和水泥的比例（分別為5、4、3、2、1、0），只改變氣泡的含有率，觀測(cè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 氣泡含有率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由試驗(yàn)結(jié)果可得如下結(jié)論：

（1）隨著氣泡含有率的增加，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸降低；

（2）在氣泡含有率相同的情況下，河砂與水泥的比例越大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度就越低；

（3）對(duì)于普通硅酸鹽水泥，氣泡含有率大于70%后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度即低于0.4MPa，工程上已經(jīng)很少采用。

選取三組配合比P1、P2及P3，其中，P1配合比砂與水泥的質(zhì)量比5，P2為3，P3為0，為純水泥性現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土。三種配合比采用相同的氣泡含有率，其無(wú)側(cè)限壓縮破壞試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同砂與水泥比的無(wú)側(cè)限壓縮破壞試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

可以看出，含砂量多的P1曲線表現(xiàn)為脆性破壞；不含砂的P3曲線表現(xiàn)為塑性破壞；P2的破壞形式則介于P1和P3之間。這提示我們，配合比不僅影響現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度，同時(shí)也控制了其壓縮破壞特性。隨著含砂量的增加，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限壓縮破壞形式由塑性變?yōu)榇嘈裕鋸?qiáng)度越大，變形能力則越弱。

2.2 固化材料種類(lèi)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土是一種功能性水泥基復(fù)合材料，其主要固化材料為水泥。而水泥種類(lèi)的不同和水泥標(biāo)號(hào)的不同必然會(huì)對(duì)其強(qiáng)度造成影響。

2.2.1 水泥材料種類(lèi)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了比較水泥種類(lèi)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，在不改變配合比和其他原材料的情況下，水泥材料分別采用相同標(biāo)號(hào)的高爐礦渣水泥和普通硅酸鹽水泥，分別比較它們的1周和4周強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，在其他條件相同的情況下，采用高爐礦渣水泥比采用普通硅酸鹽水泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高。

2.2.2 水泥標(biāo)號(hào)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究水泥固化材料的標(biāo)號(hào)對(duì)現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，采用配合比E進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在不改變配合比和其他原材料的情況下進(jìn)行，水泥分別采用標(biāo)號(hào)為32.5R、42.5R、52.5R的普通硅酸鹽水泥，分別比較不同標(biāo)號(hào)試件養(yǎng)護(hù)28 d后的強(qiáng)度。

圖4 不同水泥標(biāo)號(hào)現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他配合比及材料保持不變的情況下，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥固化材料標(biāo)號(hào)的增加而增加。當(dāng)水泥標(biāo)號(hào)由32.5R增加到42.5R時(shí)，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了9.7%，而水泥標(biāo)號(hào)由42.5R增加到52.5R時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了3.4%，其增加幅度有所減小。

3 CBR和回彈模量試驗(yàn)

CBR和回彈模量是路基填料承載力的重要指標(biāo)。其中CBR是表征路基填料抵抗局部荷載壓入變形能力的一種強(qiáng)度指標(biāo)，回彈模量表征其作為路基土填料時(shí)的整體承載能力。

3.1 CBR試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用了A和E兩種不同配比對(duì)現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土CBR值進(jìn)行試驗(yàn)。其中A配合比的原料土采用風(fēng)積砂，水泥標(biāo)號(hào)為32.5R，E配合比沒(méi)有摻入原料土，水泥標(biāo)號(hào)為32.5R。CBR試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 配合比A、E兩種現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土CBR試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的CBR值遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。其作為一種輕質(zhì)材料，雖然有大量的氣泡和空隙，但由于水泥材料自身形成的強(qiáng)度與膠結(jié)力的存在，使其整體剛度較高，抵抗局部荷載壓入的能力也較強(qiáng)。

3.2 回彈模量試驗(yàn)

試件采用A、B、C、D四種配比進(jìn)行分析，所用原料分別為32.5R水泥、風(fēng)積砂，試件尺寸均為φ50×80 mm，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同配合比現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的回彈模量試驗(yàn)（采用風(fēng)積砂及32.5R水泥）

將各配合比現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的回彈模量與其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 回彈模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

可以看出，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土作為水泥基材料，相對(duì)于普通路基土，具有較大的回彈模量。不同配合比泡沫輕質(zhì)的回彈模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有一定的線形關(guān)系，回彈模量越大，其對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也越大。

4 剪切強(qiáng)度和特性研究

為研究現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的剪切強(qiáng)度和剪切特性，采用直接剪切試驗(yàn)測(cè)定其抗剪強(qiáng)度。本文采用未摻加原料土的E配合比，按照直接剪切試驗(yàn)的試件形狀和大小成型、養(yǎng)生后，在0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa和0.20 MPa的垂直應(yīng)力下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，不同垂直應(yīng)力下，最大剪應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的水平位移見(jiàn)表4。

表4 不同垂直應(yīng)力下的最大剪應(yīng)力及對(duì)應(yīng)水平位移

可以看出，在剪應(yīng)力達(dá)到最大值之后，隨著水平位移的繼續(xù)增加，剪切應(yīng)力不會(huì)立即消失，而是逐漸減小。當(dāng)最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)之后的剪應(yīng)力為殘留摩擦抵抗力，水平位移為最大剪切應(yīng)力發(fā)生時(shí)的2倍對(duì)應(yīng)的殘留摩擦抵抗力結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 殘留摩擦抵抗力

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土試件垂直應(yīng)力與最大剪應(yīng)力并不存在正相關(guān)的關(guān)系，而是隨著垂直應(yīng)力的增加，最大剪應(yīng)力先增大后降低。現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部是多孔隙結(jié)構(gòu)，在剪切面形成后，面上的孔隙之間在垂直的壓力下會(huì)產(chǎn)生一定的嵌擠作用，加上材料之間的摩擦力，使其具有較大的殘留摩擦抵抗力。所以在實(shí)際使用時(shí)，即使有裂縫發(fā)生，由于在垂直應(yīng)力作用下，有最大剪應(yīng)力70%以上的摩擦抵抗力存在，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土仍具有一定抗剪能力，不至于發(fā)生急劇的變形。

5 結(jié)論

綜上所述，本文通過(guò)現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）隨著氣泡含有率的增加，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸降低；在氣泡含有率相同的情況下，砂與水泥的比例越大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度就越低。

（2）采用河砂的強(qiáng)度較采用風(fēng)積砂的強(qiáng)度要高；用低液限粘土替代砂，輕質(zhì)土的強(qiáng)度大幅降低，表明低液限粘土作為原料土的性能較差；采用高爐礦渣水泥比采用普通硅酸鹽水泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高；現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥固化材料標(biāo)號(hào)的增加而增加，但增加的幅度逐漸減小。

（3）浸水養(yǎng)生和室外養(yǎng)生均會(huì)降低現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨其養(yǎng)生溫度的升高而增大，隨養(yǎng)生齡期的增加而增大。

（4）現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的CBR值及回彈模量均可滿足規(guī)范要求，其強(qiáng)度也較高。

（5）現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度較高，并且現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土在垂直壓力作用下，剪切破壞形成破裂面后，仍能夠具有一定抗剪能力，防止自身發(fā)生急劇變形。

通過(guò)本次研究，對(duì)現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能和特性有了較深入了解，為現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的實(shí)際應(yīng)用提供了參考和依據(jù)。

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