泡沫轻质混凝土单轴循环加卸载试验研究

苏　谦，赵文辉，王亚威，刘　宝，刘　杰

(1.西南交通大学土木工程学院，成都　610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都　610031)



泡沫轻质混凝土单轴循环加卸载试验研究

苏谦1，2，赵文辉1，2，王亚威1，2，刘宝1，2，刘杰1，2

(1.西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都610031)

为研究循环加卸载对泡沫轻质混凝土力学性能的影响，采用微机控制电子万能试验机对湿密度为700 kg/m3的泡沫轻质混凝土试样开展3组方案的循环加卸载试验，重点研究循环加卸载对其应力-应变曲线、峰值强度、弹性模量的影响。研究结果表明：随着循环加卸载的进行，应力-应变曲线出现不断迁移的现象，且对于3种试验方案，第一次循环加卸载引起的迁移值最大，而后，采用加卸载方案1、方案2，迁移值随着加卸载次数增加而减小，采用加卸载方案3，迁移值随着加卸载次数的增加先减小后增加；对于3种加卸载方案，峰值强度随着加载幅值的增加而增大，且随着循环加卸载次数的增加而增大；对于3种加卸载方案，第1次加卸载对弹性模量影响最大，而后，对于试验方案1、方案2，弹性模量随着循环加卸载次数的增加而增加，而对于试验方案3，弹性模量随着循环加卸载次数的增加而减小。

泡沫轻质混凝土；循环加卸载试验；应力-应变曲线；峰值强度；弹性模量

1　概述

泡沫轻质混凝土是近些年发展的一种新型材料[1]。它主要由水泥(固化材料)、水与原料土(砂或砂性土或低液限土，可不用)按一定比例充分混合形成浆体，然后再与一定比例的足够细小的稳定气泡群充分混合搅拌形成流体，并最终凝固成型的一种轻型填筑材料[2]。由于该材料具有自重轻、强度高、流动性好、性能稳定、直立性强、环境影响低等优点[3-4]，在岩土工程中应用较为广泛，如软土地基处理[5-6]、路基加宽[7]、桥背回填及沿海地基填充[8-9]等。将泡沫轻质混凝土用于换填土时，考虑施工过程中，由于施工机械碾压等外加荷载作用下，该材料处于反复加卸载作用下，改变材料的力学特性，进而影响构造物的稳定性和安全性。因此有必要开展循环加卸载试验对泡沫轻质混凝土力学性能影响的研究。为此，本文采用3种试验方案对常用湿密度为700 kg/m3的泡沫轻质混凝土开展单轴循环加卸载试验，研究循环加卸载对应力-应变曲线、峰值强度、弹性模量的影响，为工程建设提供一定的参考依据。

2　材料与试样制备

制备泡沫轻质混凝土试样的材料为普通硅酸盐水泥PO42.5(表1)；发泡剂(FL-1型)(表2)。

表1　PO42.5水泥的化学组成和物理性能

表2　发泡剂的化学组成和物理性能

制备试样时，按照配比(水泥为415.2 kg/m3，水269.9 kg/m3)分别称取水泥及水若干，充分搅拌均匀后，加入发泡装置(图1)制备的泡沫，搅拌至要求。实验中要求水泥浆制备的水灰比为0.65，湿密度误差不超过1%。试样为圆柱体φ50 mm×100 mm，养护时间为28 d，制备过程见图2。

图1　发泡装置

注：①浇筑→②刮平(养护24 h后)→③拆模、成型→④养护(试样由保鲜膜包裹，放置在标准养护室内)。图2　试样制备过程

3　试验目的和方法

为了研究循环加卸载条件下，泡沫轻质混凝土的力学性能，采用WDW系列微机控制电子万能试验机对试样进行单轴循环加卸载试验。结合现场实际工况，加载幅值取无侧限抗压强度的0和1倍(0倍代表轻质混凝土施工后无外力干扰，1倍代表泡沫轻质混凝土出现结构破坏)内3种工况，即采用3种加卸载幅值试验方案，即幅值分别为无侧限抗压强度的0.25、0.5、0.75倍，其中加卸载幅值与无侧限抗压强度取值见图3。结合现场施工工艺，土料最优含水状态时，一般需碾压6～8次满足规范要求，同时考虑土料运输时，机械车辆对泡沫轻质混凝土填料的影响，取循环加卸载极限周期为20次。为分析循环加卸载周期对泡沫轻质混凝土力学性能的影响，对3种试验方案均进行循环加卸载1、3、5、10、20次。在对比试验中，试样采用一次浇筑完成，并且采用同一条件下养护，保证试样的一致性。

图3　加卸载幅值与无侧限抗压强度取值

4　试验成果和分析

结合泡沫轻质混凝土单轴压缩和单轴循环加卸载试验结果，对该材料的循环加卸载应力-应变曲线、峰值强度和弹性模量变化进行分析。

4.1循环加卸载应力-应变曲线

对湿密度为700 kg/m3的泡沫轻质混凝土试样开展无侧限抗压强度实验，其应力-应变曲线如图4所示。

图4　泡沫轻质混凝土应力-应变曲线

由图4可知，应力-应变曲线主要分为：调整阶段、弹性阶段、脆性阶段、屈服阶段。工程实际中，工程机械碾压或堆卸载对泡沫轻质混凝土材料的附加应力主要集中在弹性阶段或脆性阶段。分别采用3种试验方案对泡沫轻质混凝土试样进行循环加卸载单轴压缩试验，取循环加卸载10次，应力-应变曲线如图5所示。

图5　泡沫轻质混凝土单轴循环加卸载应力-应变曲线

从图5可知，经历过3种加卸载方案后，试样峰值强度应力-应变曲线应力均出现跌落现象，表现出明显的脆性破坏特性。随着循环加卸载的不断进行，3种试验方案加卸载应力-应变曲线均出现内凹形曲线，应力-应变回滞环有不断向前“迁移”的现象，且迁移值随着循环加卸载幅值的增加而改变。迁移值与加卸载次数关系曲线如图6所示。其中3种加卸载方案，2～10次加卸载引起的迁移值见主坐标，1次加卸载引起的迁移值见次坐标。其中迁移值计算如下，即

(1)

式中，Δsi为第i次加卸载引起的迁移值；si为第i次加卸载卸载后竖向位移；si-1第i-1次加卸载卸载后竖向位移。

图6　迁移值与加卸载次数关系曲线

从图6可知，3种试验方案第1次循环加卸载引起的迁移值最大，分别为0.264、0.379 5、0.417 4 mm。经历1次加卸载后，采用加卸载方案1、方案2，迁移值随着加卸载次数增加而减小；而采用加卸载方案3，迁移值随着加卸载次数的增加先减小后增加；对3种试验方案对比分析，迁移值随着加卸载幅值的增加而增加。分析原因：首次加卸载时，试样表面的缺陷被压平及内部缺陷被压实，迁移值较大。对于试验方案1、方案2，其循环加卸载幅值处于弹性阶段，第1次循环加卸载后，仍有部分缺陷未被压实，则随着循环加卸载次数的增加，试样内部缺陷逐渐被压实且伴随微裂纹的扩展(主要从峰值强度分析可知)；而对于试验方案3，第1次循环加卸载后，试样内部缺陷几乎被压实，则随着循环加卸载次数的增加，试样内部微裂纹扩展逐渐增加，表现为迁移值累计值逐渐增加，且当循环加卸载次数达到8次后，微裂纹逐渐贯通发展为宏观裂纹迁移值随着加卸载次数的增加而增加。

4.2峰值强度分析

对经历3种加卸载不同次数后试样进行单轴压缩试验，测试其抗压强度，即峰值强度。得到峰值强度与循环加卸载次数关系曲线，见图7。

图7　峰值强度与循环加卸载次数关系曲线

从图7可知，对于3种加卸载方案，试样经历相同加卸载次数后，峰值强度降低程度随着加载幅值的增加而增大；峰值强度降低程度随着循环加卸载次数的增加而增大，对于试验方案1，经历1、20次循环加卸载，其峰值强度分别为3.835、3.689 MPa，分别为无侧限抗压强度的95.70%、92.05%；而对于试验方案2、方案3，其峰值强度分别为无侧限抗压强度的91.12%、83.20%和85.19%、64.73%。说明第一次循环加卸载对峰值强度影响较大，且前5次循环加卸载次数对试验方案1、方案2峰值强度影响较大，而经历5次循环加卸载后，循环加卸载对峰值强度影响较小；而对于试验方案3，随着循环加卸载次数的增加，峰值强度均减小。

4.3弹性模量分析

本文结合泡沫轻质混凝土应力-应变曲线及文献[10-12]中的公式，采用加载峰值和0.1倍无侧抗压强度对应的应力增量与轴向应变增量的比值作为泡沫轻质混凝土的弹性模量，即

(2)

式中，Δσ为应力增量；Δε为轴向应变增量；σmax、εmax为加载峰值时对应的应力和应变；σ0.1max、ε0.1max为0.1倍无侧抗压强度对应的应力和应变。对循环加卸载次数为20的弹性模量进行分析，得到弹性模量与循环加卸载次数的关系曲线，见图8。

图8　弹性模量与循环加卸载次数关系曲线

从图8可以看出，对于3种试样加卸载方案，第一次加卸载对弹性模量影响最大，分别增加23.40%、20.08%、26.00%。而后，对于试验方案1、方案2，弹性模量随着循环加卸载次数的增加而增加，但增加效果不明显，试样经历20次循环加卸载后相对于1次循环加卸载弹性模量分别增加了6.92%、6.31%；而对于试验方案3，弹性模量随着循环加卸载次数的增加而减小，试样经历20次循环加卸载后相对于1次循环加卸载弹性模量减小约5.68%。分析原因：第1次循环加卸载后，试样内部缺陷被压密和释放中，有一部分缺陷在卸载完成后没有完全释放，则在加载过程中试样弹性模量有明显增大现象，且循环加卸载幅值越大，弹性模量增加越大；对于试验方案1、方案2，第1周循环加卸载后，试样弹性模量随着循环加卸载次数的增加而缓慢增加，说明循环加卸载幅在弹性范围内，第一周循环加卸载后仍有部分缺陷没有被压密，随后加卸载这部分缺陷逐渐被压密；但对于试验方案3，则出现弹性模量随着循环加卸载次数的增加而缓慢减小的现象，说明循环加卸载幅值超出弹性范围，循环加卸载作用下，试样内部微裂纹将在每次循环加卸载过程中发生新的断裂扩展，导致试样的损伤逐渐累积，主要表现为弹性模量逐渐减小。

5　结论

鉴于循环加卸载对泡沫轻质混凝土力学性能研究的成果较少，本文采用微机控制电子万能试验机对湿密度为700 kg/m3的泡沫轻质混凝土试样进行了单轴循环加卸载试验，重点研究了循环加卸载对其应力-应变曲线、峰值强度、弹性模量的影响，得出了如下结论。

(1)随着循环加卸载的不断进行，出现内凹形曲线，应力-应变回滞环有不断向前“迁移”的现象，且3种试验方案第一次循环加卸载引起的迁移值最大，经历1次加卸载后，采用加卸载方案1、方案2，迁移值随着加卸载次数增加而减小；而采用加卸载方案3，随着加卸载次数的增加，迁移值先减小后增加。

(2)对于3种加卸载方案，试样经历相同加卸载次数后，峰值强度降低程度随着加载幅值的增加而增大；峰值强度降低程度随着循环加卸载次数的增加而增大。

(3)对于3种试样加卸载方案，第一次加卸载对弹性模量影响最大，而后，对于试验方案1、方案2，弹性模量随着循环加卸载次数的增加而增加，而对于试验方案3，弹性模量随着循环加卸载次数的增加而减小。

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Experiment of Foamed Lightweight Concrete under Uniaxial Cyclic Loading and Unloading Conditions

SU Qian1，2, ZHAO Wen-hui1，2, WAGN Ya-wei1，2, LIU Bao1，2， LIU Jie1，2

(1.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

In this paper， computer-controlled electronic universal testing machine is used to study the effect of cyclic loading and unloading on foamed lightweight concrete mechanical properties. Loading and unloading experiments are performed on the foamed lightweight concrete with the wet density of 700 kg/m3to study the influence of loading and unloading on such mechanical properties of foamed lightweight concrete as stress-strain behavior， peak strength and elastic modulus. The results show that the stress-strain curves of the foamed lightweight concrete continue migration with the progresses of cyclic loading and unloading. For the three experiment programs， the migration values of the first loading and unloading are the largest. After that， the migration values decrease with the increase of the number of loading and unloading for experiment program1 and 2. But for program3， the migration values first decrease and then increase with the increase of the number of loading and unloading. For the three experiment programs， the peak strength increases with the increase of load amplitude and also increases with the increase of the number of loading and unloading. The first loading and unloading experiment has the biggest impact on the elastic modulus for the three experiment programs. After that， the elastic modulus increases for the experiment program1， 2 and decreases for the experiment program3 with the increase of the number of loading and unloading.

Foamed lightweight concrete; Loading and unloading experiment; Stress-strain curve; Peak strength; Elastic modulus

2015-12-14；

2015-12-26

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014G003-E)；教育部新世纪人才计划项目(NCET-12-0941)

苏谦(1972—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为土工设计理论与新结构，E-mail:suqian@126.com。

1004-2954(2016)08-0021-04

TU528.2

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.005