路基過渡段泡沫混凝土處理性能研究

鄧浩亮, 陳志明

(1.湖南省衡永高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司, 湖南 衡陽 421699； 2.湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410004)

公路與橋梁之間的過渡段，往往由于回填自重過大而出現(xiàn)差異沉降，且回填自重的增加還會對橋臺產(chǎn)生較大的側(cè)向壓力，對橋梁的安全性產(chǎn)生一定影響。泡沫混凝土具有質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、變形小等優(yōu)點，能夠很好地應(yīng)用于過渡段[1]。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對泡沫混凝土在路基回填等領(lǐng)域的應(yīng)用進行了大量研究，并取得了相應(yīng)成果[2-6]。如嚴華[7]通過對河北省邢衡高速公路過渡段泡沫混凝土的應(yīng)用分析，介紹了泡沫混凝土在過渡段應(yīng)用的優(yōu)點，并對其應(yīng)用造價及環(huán)保性進行了分析；杜素云等[8]對泡沫混凝土的優(yōu)點及在路基中應(yīng)用的可行性進行了分析，并結(jié)合實際工程，介紹了紹興軟土地基路基工程中泡沫混凝土的應(yīng)用。盡管泡沫混凝土在路基工程中的應(yīng)用技術(shù)日益完善，但仍存在強度低、吸水性變化大等不足，因此本文以實際過渡段工程為依托，對采用泡沫混凝土處理后的過渡段性能進行研究，分析其強度及吸水性規(guī)律，為以后類似工程處理技術(shù)提供參考。

1 泡沫混凝土處理過渡段性能試驗方案

1.1 試件制作

為了保證試驗結(jié)果與實際工程的一致性，采用現(xiàn)場澆筑試驗試件的方法。為了保證試驗數(shù)據(jù)可靠性，減少試驗過程中的偶然誤差，同一批次共制作27個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的方形試驗試件和10個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的圓柱形試驗試件；其中方形試件用來進行強度試驗，圓柱形試件用來進行吸水及失水試驗。先將試驗?zāi)＞咄磕撃?，然后將現(xiàn)場采用的泡沫混凝土，均勻注入試驗?zāi)＞咧?，刮平表面靜置24 h后進行脫模，并將試件編號放置恒溫標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d，如圖1所示。該工程過渡段采用泡沫混凝土，原材料為42.5#普通硅酸鹽水泥、HT復(fù)合發(fā)泡劑。其泡沫混凝土設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 泡沫混凝土試驗試件

表1 1 m3泡沫混凝土的配比及其設(shè)計參數(shù)設(shè)計容重/(kN·m-3)設(shè)計流動度/mm水泥/kg水/kg泡沫劑/L28 d 強度設(shè)計值/MPa6.0180350210677.1>0.8

1.2 性能測試

為了研究泡沫混凝土對過段處理后的性能，分別對試件進行吸水試驗、失水試驗及強度試驗。

1.2.1吸水試驗

為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，減少誤差，選擇含水率與質(zhì)量較為接近的試件進行試驗，廢棄差距較大的試件，如圖2所示。

圖2 泡沫混凝土試件選擇

首先采用電子天平稱量各試樣初始質(zhì)量m0并記錄，之后將試驗試件全部置于水中進行浸泡，如圖3所示。為得到試驗試件吸水率隨時間變化的規(guī)律，分別測量試驗試件浸泡t時間后的質(zhì)量mt，并利用式(1)求得試驗試件浸泡t時后的吸水率nt。

nt=mt-m0/m0

(1)

式中：nt為t時刻吸水率；mt為試件浸泡t時間的質(zhì)量；m0為試驗試件初始質(zhì)量。

圖3 浸泡試件

1.2.2 失水試驗

待試樣吸水飽和質(zhì)量恒定后，稱量飽水試件質(zhì)量M0，將試樣從水中取出，放置于常溫室內(nèi)讓其自然失水，記錄失水過程中t時刻試樣質(zhì)量Mt，由式(2)可得試驗試件失水率Nt。

Nt=M0-Mt/M0

(2)

式中：Nt為t時刻試件失水率；M0為飽水試件質(zhì)量；Mt為試件t時刻試件質(zhì)量。

1.2.3 強度試驗

本次強度試驗采用WD-50KD電子式萬能試驗機進行測量，該試驗機具有測量精度高，對材料測量具有較快反應(yīng)，可進行多種物理參數(shù)測量，試驗過程可實現(xiàn)全自動化操作，在本次試驗過程采用位移加載控制法，加載速率為0.5 mm/min，試驗設(shè)備如圖4所示。

圖4 WD-50KD電子式萬能試驗機

為獲得強度隨吸水率變化的規(guī)律，將測得吸水率后的試件進行無側(cè)限單軸抗壓強度試驗；為保證試驗精度，每次測量3個試件，并求取平均值。本次試驗測量共設(shè)置9個試驗梯度，制作27個試件。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 強度性能變化規(guī)律

將27個方形試驗試件按3個為一組，分別測量其在水中浸泡0～8 d的單軸抗壓強度和吸水率，求取每組試驗的平均值作為本次試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表2所示。依據(jù)泡沫混凝土強度試驗結(jié)果，分別繪制吸水率-時間變化曲線，單軸抗壓強度-時間變化曲線及單軸抗壓強度-吸水率變化曲線，如圖5～圖7所示。

表2 泡沫混凝土強度試驗結(jié)果時間/d質(zhì)量/g吸水率/%單軸抗壓強度/MPa0472.800.002.101823.5574.191.732830.0075.551.393833.8076.351.244834.9876.601.155836.0576.831.106836.1576.850.977836.3476.890.848836.5476.930.81

圖5 吸水率隨時間變化曲線

圖6 單軸抗壓強度隨時間變化曲線

圖7 單軸抗壓強度隨吸水率變化曲線

由圖5可知，泡沫混凝土吸水主要發(fā)生在浸泡第1天，即泡沫混凝土開始浸泡時，水會迅速占據(jù)泡沫混凝土中的孔隙；浸泡1～8 d時，泡沫混凝土的吸水率幾乎保持不變。以圖5中快速吸水段表示貫通孔隙吸水，平直吸水段表示密閉孔隙吸水，則由圖可知貫通孔隙占據(jù)全部孔隙的96.43%。貫通孔隙的存在能夠使泡沫混凝土在短時間內(nèi)迅速吸水并達到飽和。

泡沫混凝土單軸抗壓強度隨著浸泡時間和吸水率的變化趨勢大致相同，即泡沫混凝土迅速吸水時，其單軸抗壓強度也會隨之發(fā)生迅速下降。由圖6、圖7可知，當(dāng)浸泡試驗試件處于快速吸水階段時，其單軸抗壓強度迅速下降了28%～32%。隨著浸泡時間增加，泡沫混凝土內(nèi)部的密閉孔隙逐漸被水浸入，其內(nèi)部的膠結(jié)力在水的作用下逐漸減弱，致使泡沫混凝土的單軸抗壓強度隨浸入時間的增加緩慢下降，且隨著內(nèi)部孔隙減少，其強度的下降速率逐漸減??；當(dāng)其內(nèi)部孔隙逐漸被水填充時，其強度變化趨近于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，泡沫混凝土在富水環(huán)境應(yīng)用時，在快速吸水階段，泡沫混凝土中存在的大量貫通孔隙會迅速吸水，使其單軸抗壓強度迅速下降；隨著浸泡時間增加，泡沫混凝土中的密閉裂隙會被水逐漸侵入，其強度保持緩慢下降。

2.2 吸水及失水變化規(guī)律

從圓柱試件中選出3個質(zhì)量最為相近的試件進行吸水及失水試驗，依據(jù)前期經(jīng)驗，以時間梯度遞增測量方式進行長期測量，試驗結(jié)果如表3、表4所示。依據(jù)泡沫混凝土吸水及失水試驗結(jié)果，繪制吸水及失水過程曲線圖，如圖8所示。

表3 泡沫混凝土吸水試驗結(jié)果時間S-07試樣S-08試樣S-09試樣質(zhì)量/g吸水率/%質(zhì)量/g吸水率/%質(zhì)量/g吸水率/%02000.02030.02010.00.25 h208.94.5214.75.8213.86.40.5 h213.86.9222.49.6218.68.81 h220.510.3228.412.522411.41.5 h224.412.2231.614.1226.912.92 h227.513.8233.715.122813.43 h228.614.3235.115.8229.714.36 h23015.0235.616.123114.99 h233.116.6236.716.623215.421 h235.217.6238.117.3234.816.81 d236.618.3238.317.423516.91.5 d238.419.2239.518.0236.717.85.5 d247.623.8248.522.4245.121.96.5 d250.725.4250.923.6246.222.57 d250.425.2250.823.5247.323.0

表4 泡沫混凝土失水試驗結(jié)果編號時間S-07試樣S-08試樣S-09試樣質(zhì)量/g失水率/%質(zhì)量/g失水率/%質(zhì)量/g失水率/%1 h245.923.0247.421.9243.821.36 h242.321.2243.520.024220.41 d238.119.1238.917.0238.518.72 d233.917.023716.7230.614.73 d230.115.1232.914.7226.112.55 d223.811.9229.413.0222.310.624 d220.910.5219.28.0217.68.3

圖8 吸水及失水過程變化曲線圖

由圖8可知，當(dāng)泡沫混凝土開始浸水，由于貫通孔隙占據(jù)96.43%，會發(fā)生迅速吸水，致使泡沫混凝土的容重迅速增加；浸泡24 h后，吸水速率逐漸降低，容重增加速率逐漸減緩，直至試驗試件吸水飽和，試件容重增加達到最大。當(dāng)試件浸水飽和后，自然失水時，其失水速率顯著較吸水速率慢，前5 d以大致相同的速率進行失水，之后失水速率幾乎為零，此時試件內(nèi)的水無法完全失去，致使其容重增加9.5%左右。泡沫混凝土具有輕質(zhì)、環(huán)保的優(yōu)點，在路基工程中常被用來進行回填，由前述可知，當(dāng)泡沫混凝土的應(yīng)用環(huán)境為富水條件時，由于存在大量的貫通孔隙，會迅速吸水，致使容重增加25%左右，即使隨著時間發(fā)生失水現(xiàn)象，其容重也會增加9.5%左右，使其難以達到減小自重應(yīng)力的目的。故此需要依據(jù)實際情況對泡沫混凝土的設(shè)計參數(shù)進行修正，才能更好地應(yīng)用于實際工程中。

3 結(jié)論

泡沫混凝土具有輕質(zhì)、環(huán)保的優(yōu)點，能夠減少路基工程中回填自重過大造成的沉降問題，在路橋過渡段上可以很好地進行實際應(yīng)用。本文以實際過渡段工程為依托，通過吸水、失水及強度試驗，研究泡沫混凝土的性能。主要得出以下結(jié)論：

1) 泡沫混凝土由于存在96.43%的貫通裂隙，使其在浸水時，能夠快速地進行吸水，并達到飽和狀態(tài)。

2) 在快速吸水階段，泡沫混凝土單軸抗壓強度降低28%～32%。隨著浸泡時間增加，泡沫混凝土內(nèi)的密閉孔隙逐漸被水浸入，內(nèi)部膠結(jié)力逐漸減弱，其單軸抗壓強度發(fā)生緩慢下降。

3) 當(dāng)泡沫混凝土的應(yīng)用環(huán)境為富水條件時，由于大量孔隙存在，會使其迅速吸水導(dǎo)致容重增加，即使隨后發(fā)生失水，其容重也會增加9.5%左右。故此在實際工程應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境對其設(shè)計參數(shù)進行修正。