摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量特性研究

苑智江，王川，關(guān)宏信，高英力

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2.蘇州規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司惠州分公司；3.長沙理工大學 交通運輸工程學院)

1 前言

氣泡輕質(zhì)土是一種以水泥漿為基材并混入氣泡的輕型建筑材料，由于其具有質(zhì)量輕、可泵送等優(yōu)勢而得到越來越廣泛的應(yīng)用。在公路工程領(lǐng)域，氣泡輕質(zhì)土主要用于軟基換填、橋臺臺背填筑、路基拓寬和路基填筑等場合，然而，氣泡輕質(zhì)土造價相對較高也限制了其進一步的推廣應(yīng)用。采用粉煤灰替代部分水泥是一種行之有效的降低氣泡輕質(zhì)土造價的措施。同時，現(xiàn)行的JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》已經(jīng)引入動態(tài)回彈模量，作為替代路基傳統(tǒng)土質(zhì)填料的材料，氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量特性也需要跟進研究。

近年來，隨著工程應(yīng)用的日益廣泛，國內(nèi)外對氣泡輕質(zhì)土力學性能的研究也日趨活躍。陳忠平在室內(nèi)修建了含氣泡輕質(zhì)土的大型路基模型，施加動態(tài)循環(huán)荷載研究了路基的動力響應(yīng)；開展室內(nèi)試驗研究了泡沫輕質(zhì)土的動靜強度比，以及不同潮濕狀態(tài)、不同頻率下的動彈性模量；劉勇、陳金威、高英力開展室內(nèi)試驗研究了粉煤灰、礦粉等不同外摻劑氣泡輕質(zhì)土的抗壓強度、抗剪強度、干縮變形以及干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后的強度損失；鄒洽宇研究了發(fā)泡輕質(zhì)土彈性模量與抗壓強度之間的相關(guān)關(guān)系；Tae-Hyung K開展無側(cè)限壓縮試驗，研究了氣泡輕質(zhì)土的應(yīng)力應(yīng)變特性；趙全勝開展三軸試驗，分析了氣泡輕質(zhì)土的壓縮變形特征；李蘇醒從應(yīng)用于機場道面墊層的角度，研究了氣泡輕質(zhì)土的抗沖擊性能。

該文將開展動三軸試驗，研究摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量，為氣泡輕質(zhì)土的工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗材料及其制備

該文采用的發(fā)泡劑是自行配制的植物蛋白-松香蛋白復(fù)合發(fā)泡劑，稀釋倍率為40倍。粉煤灰采用Ⅱ級灰，水泥采用P.O.42.5級水泥。試驗用多種粉煤灰摻量的氣泡輕質(zhì)土，其材料組成如表1所示。

表1 摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土材料組成

氣泡輕質(zhì)土的制備：首先將水泥、膠凝材料、水在攪拌機中混拌不少于2 min，同時對發(fā)泡劑稀釋液進行發(fā)泡；然后注入攪拌機，并與混合料混拌不少于2 min；再將拌和均勻的混合料澆入備好的試模中，試模為底面直徑100 mm、高200 mm的圓柱體塑模；最后將試件用塑料薄膜裹覆后，放入溫度為20～25 ℃的養(yǎng)生室中進行養(yǎng)生，2 d后脫模(圖1)。

圖1 氣泡輕質(zhì)土制作設(shè)備

3 氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量試驗方法

該文采用從動三軸試驗系統(tǒng)開展三軸試驗。

由于加載的初始階段試件會產(chǎn)生比較大的塑性變形，試驗誤差較大，一般需要進行預(yù)加載以消除這種影響。該文采用的預(yù)壓次數(shù)為1 500次，圍壓為40 kPa，偏應(yīng)力為30 kPa。

動態(tài)回彈模量正式試驗時采用的半正弦波荷載頻率為1 Hz，加載時間為0.2 s，間歇時間為0.8 s，作用次數(shù)為150次。為分析加載條件對模量的影響，采用的圍壓與偏應(yīng)力均在10、20、30、40 kPa中選擇。試驗過程中采集壓力和回彈變形，每次試驗取最后5次加載(即第146、147、148、149、150次)的動態(tài)回彈模量平均值作為該次試驗的結(jié)果。平行試驗次數(shù)為3次，每次采用未受過荷載的不同試件。

4 材料組成對摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量影響分析

采用粉煤灰替代部分水泥雖然可以降低氣泡輕質(zhì)土的造價，但是也會對氣泡輕質(zhì)土的力學性能帶來一定的影響。該文分析粉煤灰不同摻量比例對氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的影響，同時也將考慮與粉煤灰摻量相關(guān)的膠凝材料用量和水灰比的影響。為此，設(shè)計四因素三水平正交試驗(表2，由于因素4不對應(yīng)具體的指標，在表中沒有列出)，以對比分析膠凝材料用量、粉煤灰摻配比例、水膠比3種因素對氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的影響。動三軸試驗時，圍壓為10 kPa，偏應(yīng)力為40 kPa，試驗結(jié)果見表2。表2中與三因素組合對應(yīng)的水泥用量、粉煤灰用量和用水量與表1中相同編號情況下相同。

表2 摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量正交試驗設(shè)計及試驗結(jié)果

由表2可見：

(1)按照動態(tài)回彈模量大小進行簡單排序后可以發(fā)現(xiàn)：膠凝材料用量越大，模量越大；粉煤灰摻比越大，模量越??；雖然膠凝材料用量大時動態(tài)回彈模量一般也大，但同時粉煤灰摻比對排序也有一定影響，即粉煤灰取代水泥比例較小時，動態(tài)回彈模量偏大。說明水泥在膠凝材料中起主要作用。

(2)極差分析數(shù)據(jù)表明：對氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量影響最大的因素是膠凝材料用量，影響最小的因素是水膠比。

(3)一般情況下，模量值越大，說明試件強度越高，力學性能越好。A3B1C2組合的動態(tài)回彈模量值最大，但是此時的水泥使用量最多，工程造價也最高。

從經(jīng)濟性的角度考慮，該文后續(xù)試驗在A3B1C2組合的基礎(chǔ)上，采用粉煤灰摻比為B3的組合A3B3C2作為試驗材料，即表2中編號為9的配合比(具體見表1中的編號9)。

5 加載條件對摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量影響分析

前文試驗是在固定加載條件下完成的，該節(jié)將針對動三軸試驗，分析圍壓和偏應(yīng)力及體應(yīng)力對表1中編號9對應(yīng)的摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的影響。

該節(jié)不采用正交試驗，對4種圍壓和4種偏應(yīng)力的全面組合(一共16種荷載組合)開展動三軸試驗，試驗結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 圍壓對氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的影響

由圖2～4可見：

(1)圍壓恒定時，氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量隨偏應(yīng)力或體應(yīng)力的增加而減??；偏應(yīng)力恒定時，氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量隨圍壓或體應(yīng)力的增加而增大。

(2)當偏應(yīng)力固定，而圍壓增大時，軸向應(yīng)力(偏應(yīng)力+圍壓)也應(yīng)同步等量增大(圖2)；當偏應(yīng)力固定，而體應(yīng)力(偏壓力+3倍圍壓)增大時，對應(yīng)的其實也是軸向應(yīng)力和圍壓同步等量增大[圖4(a)]。兩圖都表明：當軸向應(yīng)力和圍壓同步等量增大時，氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量逐漸增加；不同的是，變化率有所區(qū)別。

圖4 體應(yīng)力對氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的影響

(3)當圍壓固定，而偏應(yīng)力增大時，對應(yīng)的只有軸向應(yīng)力增大(圖3)；當圍壓固定，而體應(yīng)力增大時，對應(yīng)的也只有軸向應(yīng)力增大[圖4(b)]。故[圖4(b)]反映的規(guī)律與圖3相同，即只有軸向應(yīng)力增加時，氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量隨之減小。

圖3 偏應(yīng)力對氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的影響

6 摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土回彈模量預(yù)估模型

試驗結(jié)果已經(jīng)表明，體應(yīng)力與偏應(yīng)力對氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量影響很大，因此該文選擇JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》推薦的通用模型進行擬合，如式(1)所示：

(1)

式中：MR為動態(tài)回彈模量(MPa)；pa為大氣壓，取值為100 kPa；θ為體應(yīng)力(kPa)；τoct為八面體剪應(yīng)力(kPa)，對于三軸試驗，τoct=σd，為偏應(yīng)力；k1、k2、k3為系數(shù)。

利用前文經(jīng)數(shù)據(jù)進行擬合，得到k1=2.844 3，k2=0.104 55，k3=-1.741 92，相關(guān)系數(shù)為0.925。

將k1、k2、k3代入式(1)，利用圖4中的體應(yīng)力和偏應(yīng)力，計算得到回彈模量，見圖5中“模型值”，并與前文試驗結(jié)果(實測值)進行了對比，結(jié)果見圖5。

圖5 摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量預(yù)估結(jié)果

文獻[10]也曾采用式(1)的模型建立了紅黏土的動態(tài)回彈模量預(yù)估模型，其k1為0.85～2.23，k2為0.15～0.37，k3為-1.76～-2.63。與之相比，摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量不僅數(shù)值上更大一些，而且其應(yīng)力依賴性更小一些。這是因為氣泡輕質(zhì)土的材料組成更均勻，彈性性質(zhì)更明顯。間接說明以氣泡輕質(zhì)土作為路基填料，路基的性能更加穩(wěn)定。

7 結(jié)論

(1)膠凝材料用量對摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的影響最大，粉煤灰摻比的影響次之，水膠比的影響最小。

(2)當軸向應(yīng)力和圍壓同步等量增大時，摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量逐漸增加；僅軸向應(yīng)力增加時，摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土的動態(tài)回彈模量隨之減小。

(3)現(xiàn)行JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》推薦的通用模型可以用作摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土動態(tài)回彈模量的預(yù)估模型。

該文只對一種配比的摻粉煤灰氣泡輕質(zhì)土建立了動態(tài)回彈模量預(yù)估模型，而動態(tài)回彈模量還受到氣泡輕質(zhì)土材料組成的影響，故該文所建立模型的相關(guān)參數(shù)還需要進一步修正。