现浇泡沫轻质土力学性能的试验研究

2015-01-09雷学通王新岐

城市道桥与防洪 2015年5期

关键词：标号侧限轻质

冯炜，雷学通，王新岐 ,2

（1.天津市市政工程设计研究院,天津市 300051；2.天津市基础设施耐久性企业重点实验室，天津市 300051）

0 前言

现浇泡沫轻质土是指用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用形成的一种轻质材料[1-2]。

作为一种新型的路基填料，有必要对其力学强度及影响因素进行研究，了解力学性能和特性，分析其作为路基填料的路用性能。

1 试验所用配合比

为了研究现浇泡沫轻质土的各项力学性能，本文制定了五种配合比，各配合比有不同的水泥质量与原料土质量比，并采用不同剂量的发泡剂。各配合比组成及容重见表1。

表1 试验所用现浇泡沫轻质土配合比

2 无侧限抗压强度及影响因素

无侧限抗压强度是现浇泡沫轻质土力学性能最基本的评价指标[3-4]，主要围绕以下因素开展试验：

（1）原料土和气泡含有率对无侧限抗压强度的影响；

（2）固化材料对无侧限抗压强度的影响；

（3）养生环境对无侧限抗压强度的影响；

（4）养生温度与龄期对无侧限抗压强度的影响。

2.1 原料土、气泡含有率对抗压强度的影响

为了判断原料土、气泡含有率对无侧限抗压强度的影响，采用普通硅酸盐水泥，分别固定六组配合比中河砂和水泥的比例（分别为5、4、3、2、1、0），只改变气泡的含有率，观测无侧限抗压强度的变化情况，结果见图1。

图1 气泡含有率与无侧限抗压强度关系

由试验结果可得如下结论：

（1）随着气泡含有率的增加，现浇泡沫轻质土的无侧限抗压强度会逐渐降低；

（2）在气泡含有率相同的情况下，河砂与水泥的比例越大无侧限抗压强度就越低；

（3）对于普通硅酸盐水泥，气泡含有率大于70%后，其无侧限抗压强度即低于0.4MPa，工程上已经很少采用。

选取三组配合比P1、P2及P3，其中，P1配合比砂与水泥的质量比5，P2为3，P3为0，为纯水泥性现浇泡沫轻质土。三种配合比采用相同的气泡含有率，其无侧限压缩破坏试验的应力应变曲线见图2。

图2 不同砂与水泥比的无侧限压缩破坏试验应力-应变曲线

可以看出，含砂量多的P1曲线表现为脆性破坏；不含砂的P3曲线表现为塑性破坏；P2的破坏形式则介于P1和P3之间。这提示我们，配合比不仅影响现浇泡沫轻质土的强度，同时也控制了其压缩破坏特性。随着含砂量的增加，现浇泡沫轻质土的无侧限压缩破坏形式由塑性变为脆性，其强度越大，变形能力则越弱。

2.2 固化材料种类对无侧限抗压强度的影响

现浇泡沫轻质土是一种功能性水泥基复合材料，其主要固化材料为水泥。而水泥种类的不同和水泥标号的不同必然会对其强度造成影响。

2.2.1 水泥材料种类对无侧限抗压强度的影响

为了比较水泥种类对无侧限抗压强度的影响，在不改变配合比和其他原材料的情况下，水泥材料分别采用相同标号的高炉矿渣水泥和普通硅酸盐水泥，分别比较它们的1周和4周强度，试验结果见图3。结果表明，在其他条件相同的情况下，采用高炉矿渣水泥比采用普通硅酸盐水泥的无侧限抗压强度高。

2.2.2 水泥标号对无侧限抗压强度的影响

为了研究水泥固化材料的标号对现浇泡沫轻质土无侧限抗压强度的影响，采用配合比E进行试验。试验在不改变配合比和其他原材料的情况下进行，水泥分别采用标号为32.5R、42.5R、52.5R的普通硅酸盐水泥，分别比较不同标号试件养护28 d后的强度。

图4 不同水泥标号现浇泡沫轻质土无侧限抗压强度

试验结果见图4。试验结果表明，在其他配合比及材料保持不变的情况下，现浇泡沫轻质土的无侧限抗压强度随着水泥固化材料标号的增加而增加。当水泥标号由32.5R增加到42.5R时，现浇泡沫轻质土的无侧限抗压强度增加了9.7%，而水泥标号由42.5R增加到52.5R时，无侧限抗压强度增加了3.4%，其增加幅度有所减小。

3 CBR和回弹模量试验

CBR和回弹模量是路基填料承载力的重要指标。其中CBR是表征路基填料抵抗局部荷载压入变形能力的一种强度指标，回弹模量表征其作为路基土填料时的整体承载能力。

3.1 CBR试验

本次试验采用了A和E两种不同配比对现浇泡沫轻质土CBR值进行试验。其中A配合比的原料土采用风积砂，水泥标号为32.5R，E配合比没有掺入原料土，水泥标号为32.5R。CBR试验结果见表2。

表2 配合比A、E两种现浇泡沫轻质土CBR试验结果

可以看出，现浇泡沫轻质土的CBR值远大于规范要求。其作为一种轻质材料，虽然有大量的气泡和空隙，但由于水泥材料自身形成的强度与胶结力的存在，使其整体刚度较高，抵抗局部荷载压入的能力也较强。

3.2 回弹模量试验

试件采用A、B、C、D四种配比进行分析，所用原料分别为32.5R水泥、风积砂，试件尺寸均为φ50×80 mm，养护龄期为28 d。试验结果见表3。

表3 不同配合比现浇泡沫轻质土的回弹模量试验（采用风积砂及32.5R水泥）

将各配合比现浇泡沫轻质土的回弹模量与其无侧限抗压强度进行线性拟合，结果见图5。

图5 回弹模量与无侧限抗压强度的关系

可以看出，现浇泡沫轻质土作为水泥基材料，相对于普通路基土，具有较大的回弹模量。不同配合比泡沫轻质的回弹模量与无侧限抗压强度具有一定的线形关系，回弹模量越大，其对应的无侧限抗压强度也越大。

4 剪切强度和特性研究

为研究现浇泡沫轻质土的剪切强度和剪切特性，采用直接剪切试验测定其抗剪强度。本文采用未掺加原料土的E配合比，按照直接剪切试验的试件形状和大小成型、养生后，在0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa和0.20 MPa的垂直应力下进行直接剪切试验，不同垂直应力下，最大剪应力及对应的水平位移见表4。

表4 不同垂直应力下的最大剪应力及对应水平位移

可以看出，在剪应力达到最大值之后，随着水平位移的继续增加，剪切应力不会立即消失，而是逐渐减小。当最大剪切应力出现之后的剪应力为残留摩擦抵抗力，水平位移为最大剪切应力发生时的2倍对应的残留摩擦抵抗力结果见表5。

表5 残留摩擦抵抗力

从试验结果可以看出，现浇泡沫轻质土试件垂直应力与最大剪应力并不存在正相关的关系，而是随着垂直应力的增加，最大剪应力先增大后降低。现浇泡沫轻质土内部是多孔隙结构，在剪切面形成后，面上的孔隙之间在垂直的压力下会产生一定的嵌挤作用，加上材料之间的摩擦力，使其具有较大的残留摩擦抵抗力。所以在实际使用时，即使有裂缝发生，由于在垂直应力作用下，有最大剪应力70%以上的摩擦抵抗力存在，现浇泡沫轻质土仍具有一定抗剪能力，不至于发生急剧的变形。