氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性研究

張紅彥

（山西交院試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

近年來(lái)，公路建設(shè)領(lǐng)域新材料的研究不斷深入，許多性能卓越的新材料不斷得到應(yīng)用，因剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接、新老路基交替、人工壓實(shí)控制不足產(chǎn)生路基、填土差異沉降導(dǎo)致的橋臺(tái)跳車(chē)、路基沉陷、擋墻失穩(wěn)等問(wèn)題有了新的解決方案。氣泡混合輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料，因其低密度、高強(qiáng)度、良好的施工性能吸引著不少研究者不斷將其應(yīng)用范圍進(jìn)行拓展，至今已有許多應(yīng)用于路基填筑、橋臺(tái)回填、舊路改造的案例。于黃土區(qū)而言，目前氣泡混合輕質(zhì)土多用于山區(qū)公路建設(shè)中，作為路基加強(qiáng)體應(yīng)用。根據(jù)氣泡混合輕質(zhì)土的力學(xué)表現(xiàn)，其強(qiáng)度可調(diào)性、類(lèi)剛體性均能適應(yīng)路基力學(xué)要求，然而作為新材料的一種，其水穩(wěn)定性、抗凍穩(wěn)定性等耐久性能指標(biāo)更為重要，路基水穩(wěn)定性不足易產(chǎn)生路面塌陷，進(jìn)而影響到路面的壽命和服務(wù)水平。因而分析氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性等耐久性能，對(duì)其推廣應(yīng)用具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，我國(guó)尚無(wú)氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性方面統(tǒng)一的測(cè)試方法，也欠缺相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。顧歡達(dá)等以河道淤泥作為氣泡輕質(zhì)土的原料土之一，通過(guò)分析濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)后輕質(zhì)土施加荷載后的長(zhǎng)度、撓曲變形，探討了輕質(zhì)土在不同力學(xué)條件下的變形性能[1]。黃學(xué)明等針對(duì)氣泡輕質(zhì)土應(yīng)用中出現(xiàn)的夾層、裂縫等病害，由調(diào)整配合比著手，研究了氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性的主要影響因素[2]。趙全勝等通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)，分析了輕質(zhì)土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形規(guī)律[3]。侯智堅(jiān)等通過(guò)氣泡混合體干濕循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，提出了輕質(zhì)土路床應(yīng)用土摻量的建議值[4]。杜杰等重點(diǎn)分析了硫酸鈉環(huán)境下氣泡混合體強(qiáng)度、密度、體積變化，進(jìn)而探討輕質(zhì)土的抗干濕循環(huán)性能[5]。

綜上可知，針對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性等路用耐久性能方面研究較少，有限的研究多采用干濕循環(huán)下強(qiáng)度分析，基于此本文針對(duì)氣泡輕質(zhì)土水穩(wěn)定性，探討水膠比、粉煤灰摻量、原料土摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

表1所示配合比為試驗(yàn)基準(zhǔn)配比，調(diào)整水膠比、粉煤灰、原料土摻量，分析不同配合比下氣泡輕質(zhì)土飽水抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)。表1中水泥為P·O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥，河砂細(xì)度模數(shù)為3.0，原料土為粉質(zhì)黏土（IP=15.97），粉煤灰為Ⅱ級(jí)，泡沫密度為46kg/m3。

表1 氣泡輕質(zhì)土基準(zhǔn)配比

1.2 水穩(wěn)定性指標(biāo)

采用試件飽和抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)為指標(biāo)反映氣泡輕質(zhì)土水穩(wěn)定性，軟化系數(shù)為飽水強(qiáng)度與絕干強(qiáng)度的比值，反映了氣泡混合輕質(zhì)土在飽水狀態(tài)下的力學(xué)性能，參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012），氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度試件采用100mm立方塊，每組3塊。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水膠比對(duì)水穩(wěn)定性能影響

表2為不同水膠比下氣泡混合輕質(zhì)土試件飽水強(qiáng)度及軟化系數(shù)。由表2可知，試件飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)于水膠比變化較為敏感且存在峰值表現(xiàn)，隨水膠比增大而先增大后減小，水膠比為0.48時(shí)，3d,7d和28d飽水強(qiáng)度最大。軟化系數(shù)變化趨勢(shì)同飽水強(qiáng)度一致，均為先增后降。早期的增長(zhǎng)趨勢(shì)說(shuō)明較高的水膠比利于氣泡群在漿體中穩(wěn)定存在，基體整體性呈上升趨勢(shì)，進(jìn)而提升了飽水強(qiáng)度；而過(guò)大的水膠比導(dǎo)致膠凝材料不足，漿體均勻性不佳、氣泡包裹性差、孔徑變大，飽水狀態(tài)下易出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而降低基體的水穩(wěn)定性。水膠比為0.48時(shí)強(qiáng)度最大，說(shuō)明此時(shí)輕質(zhì)土整體性最好，膠凝材料充分水化，各組分同泡沫充分融合，對(duì)泡沫的包裹性最佳。

軟化系數(shù)于齡期而言，3d,7d,28d平均軟化系數(shù)分別為0.85,0.72,0.75，呈先降后升趨勢(shì)。但3d時(shí)飽水強(qiáng)度均值僅0.42MPa，說(shuō)明此時(shí)膠凝材料尚未水化完成，基體尚處于強(qiáng)度發(fā)揮初級(jí)階段，故干強(qiáng)度同飽和強(qiáng)度差值不大；隨齡期增長(zhǎng)，膠凝材料持續(xù)水化，干強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯快于飽水強(qiáng)度，導(dǎo)致軟化系數(shù)持續(xù)降低；7~28d，干強(qiáng)度已增長(zhǎng)平緩，飽水強(qiáng)度增長(zhǎng)量大于干強(qiáng)度，故28d時(shí)軟化系數(shù)有一定的提高。

表2 不同水膠比下試塊飽水強(qiáng)度及軟化系數(shù)

2.2 粉煤灰摻量對(duì)水穩(wěn)定性能影響

由表2可知，水膠比為0.48時(shí)強(qiáng)度及軟化系數(shù)最大，在此基礎(chǔ)上以粉煤灰替代部分水泥，分析粉煤灰對(duì)混合料水穩(wěn)定性影響。由表3可知，輕質(zhì)土飽水強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈先降后升趨勢(shì)，摻量為12.5%飽水強(qiáng)度較摻量為0%時(shí)平均下降5.7%，摻量為25%時(shí)基本相同，摻量為37.5%時(shí)平均增長(zhǎng)了18.4%，摻量為50%時(shí)增長(zhǎng)了31.2%，說(shuō)明一定摻量的粉煤灰可增加氣泡混合輕質(zhì)土的飽水強(qiáng)度。

軟化系數(shù)隨粉煤灰摻量的變化趨勢(shì)同飽水強(qiáng)度一致，摻量由0%增至25%時(shí)軟化系數(shù)存在一定程度下降，當(dāng)摻量由25%提升至50%時(shí)，軟化系數(shù)回升至摻量為0%的水平。這是因?yàn)楫?dāng)粉煤灰摻量從0%增加至25%時(shí)，粉煤灰整體摻量較少，作為混合體中的離散顆粒，增加了氣泡群的泌水量，一定程度上提高了內(nèi)部的吸水率，降低了軟化系數(shù)；當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增加，混合體均勻性提高，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)趨于密實(shí)，在飽水狀態(tài)下強(qiáng)度提高，進(jìn)而導(dǎo)致軟化系數(shù)增大；由齡期對(duì)比可知，平均軟化系數(shù)3d＞28d＞7d，這同粉煤灰加入后混合體干強(qiáng)度的增長(zhǎng)周期相關(guān)，3~7d時(shí)，混土體干強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯快于飽水強(qiáng)度；7~28d內(nèi)，混土體飽和強(qiáng)度增長(zhǎng)快于干強(qiáng)度增長(zhǎng)，且與粉煤灰摻量呈正相關(guān)。

表3 不同粉煤灰摻量飽水強(qiáng)度及軟化系數(shù)

2.3 原料土摻量對(duì)水穩(wěn)定性能影響

原料土的摻入可以一定程度上降低氣泡混合土的造價(jià)。在表2水膠比為0.48配合比基礎(chǔ)上，以原料土替代部分水泥，分析原料土摻量對(duì)氣泡混合土水穩(wěn)定性影響。由表4可知，隨原料土按比例增加替代水泥，輕質(zhì)土飽水強(qiáng)度與軟化系數(shù)均出現(xiàn)大幅度下降，3d飽水強(qiáng)度隨原料土摻量從0%依次增大到5%、11%、18%和25%時(shí)，分別下降8.1%、21.0%、30.6%和50.0%；7d飽水強(qiáng)度分別下降13.2%、23.5%、38.2%和57.4%；28d飽水強(qiáng)度分別下降18.3%、28.0%、39.0%和59.8%。

表4 不同原料土摻量飽水強(qiáng)度及軟化系數(shù)

軟化系數(shù)隨原料土摻量增加也呈明顯下降趨勢(shì)，原料土摻量從0%依次增大到5%,11%,18%和25%時(shí)，3d軟化系數(shù)分別下降了5.4%,13.0%,22.8%和31.5%；7d軟化系數(shù)分別下降3.8%,11.5%,24.4%和33.3%；28d軟化系數(shù)分別下降4.9%,14.6%,24.4%和31.7%。結(jié)合飽水強(qiáng)度的衰減規(guī)律可知，原料土加入后，混合土干強(qiáng)度的降低幅度低于飽水強(qiáng)度，由此可見(jiàn)，原料土的摻加會(huì)對(duì)輕質(zhì)土水穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。其主要原因在于原料土本身不發(fā)生水化反應(yīng)且會(huì)阻礙膠凝材料水化反應(yīng)，影響水化和凝結(jié)硬化，同時(shí)其自身在吸水過(guò)程中體積膨脹，強(qiáng)度降低，在原料土摻量較大時(shí)，土顆粒使氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)部孔壁的吸水率大大提升，降低了氣泡混合輕質(zhì)土的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以氣泡混合輕質(zhì)土路用耐久性為切入點(diǎn)，對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以氣泡混合輕質(zhì)土飽水抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)為分析指標(biāo)，研究了不同水膠比、粉煤灰、原料土條件下氣泡混合輕質(zhì)土的水穩(wěn)定性能。結(jié)果表明：較高的水膠比利于氣泡群在漿體中穩(wěn)定存在，漿體整體性提升進(jìn)而增強(qiáng)基體飽水強(qiáng)度、軟化系數(shù)；過(guò)大的水膠比導(dǎo)致膠凝材料不足、漿體均勻性不佳、氣泡包裹性差，飽水狀態(tài)下易出現(xiàn)應(yīng)力集中，降低漿體水穩(wěn)定性；一定摻量的粉煤灰利于漿體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)密實(shí)，提高飽水強(qiáng)度，增大軟化系數(shù)，提升水穩(wěn)定性；原料土不發(fā)生水化反應(yīng)且阻礙膠凝材料水化，游離土顆粒使輕質(zhì)土內(nèi)部孔壁的吸水率升高，對(duì)混合土飽水強(qiáng)度影響較大，不利于混合土的水穩(wěn)定性。