氣泡混合輕質(zhì)土抗凍穩(wěn)定性研究

張紅彥

（山西交院試驗(yàn)檢測有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

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)生的路基、填土差異沉降導(dǎo)致的橋臺(tái)跳車、路基沉陷、擋墻失穩(wěn)等問題一直是公路建設(shè)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)、工藝不斷改進(jìn)。近年來，新材料、新工藝的發(fā)展也為上述問題的解決開辟了新的方向，氣泡混合輕質(zhì)土的應(yīng)用便是其中之一。

氣泡混合輕質(zhì)土作為一種通過人工引入穩(wěn)定泡沫群的調(diào)配混凝土，依靠其輕質(zhì)性、性狀的可調(diào)性、良好的施工性吸引著不少研究者不斷將其應(yīng)用范圍進(jìn)行拓展。得益于近年來工程機(jī)械的發(fā)展，其制備方式也由工廠集中生產(chǎn)向現(xiàn)場制備轉(zhuǎn)變，已有許多應(yīng)用于路基填筑、橋臺(tái)回填、舊路改造的案例[1]。目前，氣泡混合輕質(zhì)土在山區(qū)公路建設(shè)中多作為路基加強(qiáng)體應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，氣泡輕質(zhì)混合土除需滿足應(yīng)力條件、承受各類工程荷載作用外，還需考慮耐久性問題，即受到應(yīng)用環(huán)境中各類自然因素的應(yīng)力作用后的客觀表現(xiàn)。在北方地區(qū)，凍融穩(wěn)定性是最重要的耐久性指標(biāo)，分析氣泡混合輕質(zhì)土的凍融穩(wěn)定性對(duì)其推廣應(yīng)用具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

但目前關(guān)于凍融破壞對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)與性能的影響研究較少，相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也比較欠缺。周云東等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土體積、密度及氣孔結(jié)構(gòu)等物理特性的影響[2]；趙愛莉等著眼于公路采空區(qū)治理，分析了氣泡輕質(zhì)土試樣在浸水和凍融循環(huán)條件下密度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化幅度和規(guī)律[3]；章燦林等探討了凍融循環(huán)和酸堿腐蝕對(duì)氣泡輕質(zhì)土耐久性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響[4]；劉楷等重點(diǎn)分析了干濕循環(huán)和硫酸鈉長期浸泡環(huán)境下氣泡混合輕質(zhì)土的強(qiáng)度和質(zhì)量變化[5]；劉勇等通過調(diào)整配合比組分，分析了干濕、凍融循環(huán)后其抗壓強(qiáng)度變化情況[6]。綜上可知，針對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性方面的研究較少，多集中于干濕循環(huán)下的強(qiáng)度分析?；诖耍疚囊晕?、凍融循環(huán)下的強(qiáng)度表現(xiàn)為切入點(diǎn)，探討原料土、粉煤灰、泡沫摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

以表1 所示配合比為試驗(yàn)基準(zhǔn)配比，通過以原料土、粉煤灰等量替代水泥、調(diào)整泡沫摻量，分析不同因素下氣泡混合輕質(zhì)土的凍融穩(wěn)定性。其中，水泥為P·O42.5 級(jí)硅酸鹽水泥，砂為河砂（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 分析指標(biāo)

以吸水率、凍融抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)分析氣泡混合輕質(zhì)土的凍融穩(wěn)定性。氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012），采用100mm 立方塊，每組3 塊。凍融循環(huán)為養(yǎng)護(hù)后于15～20℃水中浸泡2d，在-20～-15℃下凍結(jié)4h，取出后在15～20℃水中溶解4h，此為一個(gè)凍融循環(huán)，規(guī)定的循環(huán)次數(shù)后，記錄試件質(zhì)量損失和破壞情況，測定抗壓強(qiáng)度。吸水率試驗(yàn)根據(jù)《泡沫混凝土》（JG/T 266—2011）進(jìn)行，試驗(yàn)前將3 塊試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥，質(zhì)量恒定后冷卻至室溫，分3次飽和后求得。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 原料土對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性的影響

圖1為以不同量原料土替代水泥后，氣泡混合輕質(zhì)土試件經(jīng)養(yǎng)護(hù)28d后的吸水率、不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度變化情況示意圖。由圖1可以看出，隨著原料土替代比例的增加，氣泡混合輕質(zhì)土吸水率呈上升趨勢，各凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢，且隨著原料土摻量增大，吸水率、抗壓強(qiáng)度變化速率呈增大趨勢。原料土摻量由0%提高至10%時(shí)，平均吸水率增加5.3%，各凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度平均下降20%；原料土摻量由10%提高至20%時(shí)，平均吸水率增加7.2%，各凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度平均下降33%。由凍融循環(huán)次數(shù)分析，經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度平均損失6.54%，最大損失為14.38%；10 次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度平均損失15.62%，最大損失為36.99%?？梢?，氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大，且變化速率呈增大趨勢。由此說明，在氣泡混合輕質(zhì)土中以原料土替代水泥時(shí)存在一個(gè)合理值，超過該閾值時(shí)，氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性明顯降低，這主要有兩方面的原因：一方面，過量原料土的摻入影響水泥的水化反應(yīng)，黏土顆粒同水泥存在競爭吸水，干擾膠凝材料水化程度，影響水泥漿體骨架的整體性，降低氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度；另一方面，氣泡混合輕質(zhì)土的吸水率隨原料土的增加而增大，說明原料土的加入增加了漿體內(nèi)孔隙的連通性，降低了氣泡混合輕質(zhì)土的封閉性、整體性，導(dǎo)致凍融循環(huán)后氣泡混合輕質(zhì)土試件強(qiáng)度降低。

圖1 原料土摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響

2.2 粉煤灰對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性的影響

圖2為以不同量粉煤灰替代水泥后，氣泡混合輕質(zhì)土試件經(jīng)養(yǎng)護(hù)28d后的吸水率、不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度變化情況示意圖。由圖2可知，隨著粉煤灰替代比例的增加，氣泡混合輕質(zhì)土吸水率呈先降低后上升的趨勢，替代量為25%時(shí)吸水率最小，相較不摻時(shí)降低13.9%，替代量為50%時(shí)，吸水率同不摻時(shí)基本一致。各凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰替代比例的增加呈先增大后減小的趨勢，替代量為37.5%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最高，各凍融循環(huán)下強(qiáng)度平均增長6%，替代量由37.5%提高至50%時(shí)，各凍融循環(huán)下強(qiáng)度平均下降15%。由凍融循環(huán)次數(shù)分析，經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度平均損失3.81%，最大損失為6.75%；經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度平均損失7.95%，最大損失為15.87%?？梢?，氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大，但衰減速率基本不變。說明相較于水泥，顆粒更細(xì)的粉煤灰更利于保持泡沫群的獨(dú)立、穩(wěn)定，更利于保持氣泡混合輕質(zhì)土的整體性，因?yàn)橥瑸槟z凝材料，粉煤灰的摻入使得水泥水化進(jìn)程相對(duì)溫和，減少了水化熱對(duì)泡沫的干擾，降低了氣泡相互干擾、融通、消滅的概率，氣泡混合輕質(zhì)土含水率隨著粉煤灰替代量的增加而降低便說明了這點(diǎn)；粉煤灰通過火山灰效應(yīng)，與水泥水化生成的氫氧化鈣二次水化，進(jìn)一步提高了后期氣泡混合輕質(zhì)土的強(qiáng)度與整體性；然而粉煤灰摻量過高時(shí)，吸水率加速上升、抗壓強(qiáng)度加速衰減，此時(shí)粉煤灰的存在以填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)為主，對(duì)保持氣泡混合輕質(zhì)土的抗凍融性能有效。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響

2.3 泡沫摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性的影響

圖3為不同泡沫摻量下，氣泡混合輕質(zhì)土試件經(jīng)養(yǎng)護(hù)28d后的吸水率、不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度變化情況示意圖。由圖3可以看出，泡沫摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土吸水率、抗壓強(qiáng)度影響較大，隨著泡沫摻量的增加，吸水率呈上升趨勢，不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度均明顯下降。泡沫摻量由6%提高至8%時(shí)，平均吸水率增加9.3%，各凍融循環(huán)下強(qiáng)度平均下降21%；泡沫摻量由8%提高至10%時(shí)，平均吸水率增加11.1%，各凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度平均下降15%。由凍融循環(huán)次數(shù)分析，經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度平均損失4.83%，最大損失為8.84%；10次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度平均損失10.23%，最大損失為18.78%?？梢?，氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度損失率隨泡沫摻量增加而增大，但未見明顯增大趨勢，仍保持一定強(qiáng)度，這說明泡沫可以穩(wěn)定存在于漿體中。就配合比而言，泡沫摻量的增加除降低了輕質(zhì)土的濕密度外，并未改變其成分組成，未影響膠凝材料水化過程，泡沫數(shù)量的增加并未明顯改變泡沫結(jié)構(gòu)、連通性，氣泡摻量由6%增加至10%時(shí)，氣泡混合輕質(zhì)土濕密度降低了近一半，其抗壓強(qiáng)度損失了36%，且10次凍融循環(huán)相較5次凍融循環(huán)并未出現(xiàn)明顯強(qiáng)度加速損失現(xiàn)象更印證了這一點(diǎn)。吸水率雖然隨泡沫摻量增長呈明顯上升趨勢，但考慮濕密度的變化，氣泡混合輕質(zhì)土的實(shí)際吸水量并未發(fā)生明顯增長，吸水率的增加主要是基于濕密度的下降，故氣泡混合輕質(zhì)土經(jīng)凍融循環(huán)后仍保留較高強(qiáng)度。

圖3 泡沫摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響

3 結(jié)語

本文通過控制變量法分析了原料土摻量、粉煤灰摻量、泡沫摻量對(duì)于氣泡混合輕質(zhì)土抗凍穩(wěn)定性能的影響，結(jié)果表明：原料土的摻入增大了氣泡混合輕質(zhì)土的吸水率、降低了其凍融循環(huán)后強(qiáng)度，以原料土等量替代水泥時(shí)存在一個(gè)合理值，超過該閾值時(shí)，將干擾膠凝材料水化程度，增強(qiáng)漿體內(nèi)孔隙的連通性，影響水泥漿體骨架的整體性，氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性明顯降低；粉煤灰的摻入可降低氣泡混合輕質(zhì)土的吸水率，增大其凍融循環(huán)后強(qiáng)度，但摻量過高時(shí)，以填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)為主，降低其抗凍穩(wěn)定性；泡沫摻量的增加雖然一定程度上降低了氣泡混合輕質(zhì)土的凍融后強(qiáng)度，但它可以穩(wěn)定存在于漿體中，未明顯增加氣泡混合輕質(zhì)土的實(shí)際吸水量，氣泡混合輕質(zhì)土經(jīng)凍融循環(huán)后仍保留較高強(qiáng)度。