泡沫轻质土力学性能研究

摘要：泡沫轻质土的力学性能受其组成成分的影响。文章通过室内试验，选定不同配合比的泡沫轻质土，研究其抗压、弯拉以及疲劳等力学性能，得出不同的配合比条件下泡沫轻质土力学性能的变化规律。试验结果表明：试验条件不变，只改变泡沫輕质土的配合比，其力学性能有着很大的变化;在一定范围内增加水泥掺量，泡沫轻质土的力学性能也会增强。

关键词：泡沫轻质土;水泥掺量;配合比;力学性能;变化规律

中图分类号：U416. 211 文献标识码：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 2019. 12.01 8

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0061 - 04

0 引言

泡沫轻质土是一种常见且应用广泛的轻质工程材料，该材料的制作原料包括气泡机产生的发泡剂泡沫、水泥浆、填充料以及外加剂等。这些原材料按照给定的比例混合在一起，会经过一系列反应和变化，包括物质之间的化学作用和物理作用，还有自然养护。泡沫轻质土的优势明显，强度好、流动性强且具轻质性和自立性，就像水泥浆或水泥砂浆与泡沫均匀混合在一起，不仅保温隔热，还有环保功效，且施工方便，是用于代替常规填土或填充工程材料的不二选择，因此，在包括道路扩建在内的诸多工程领域都有广泛的应用[1 -3]。在实际的工程施工中，泡沫轻质土的性能对于整个工程成本的高低、质量的好坏以及工期的长短都有着直接的影响。在泡沫轻质土的制作过程中，固化剂的添加和气泡、水的添加都要按照特定的比例，且在加入之后要充分搅拌，确保混合均匀。所添加的固化剂分两种，一种称之为主剂，一般是水泥，作用在于加强和固结土骨架;另一种称之为辅剂，一般是粉煤灰或其他细集料，作用在于降低成本，减少主剂的使用量。泡沫轻质土的性能对于工程建设尤为重要，但其性能受组成成分和掺量的直接影响，因此研究不同配合比下泡沫轻质土的性能意义重大。在本文的研究过程中，作者选择室内试验法，对选定的4种不同配合比的泡沫轻质土做了力学实验，得出了泡沫轻质土的性能变化规律，可作为具体工程施工中的参考依据。

1 试验原材料

（1）原材料中硅酸盐水泥的选用要严格符合《普通硅酸盐水泥》[4]中的标准，选用级别应该在42.5级及以上，且只有密度大约为3 100 kg/m3的普通硅酸盐水泥才能用于泡沫轻质土。

（2）原材料中粉煤灰的选用要严格符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[5]的标准，即粉煤灰必须为F类Ⅱ级，C类的粉煤灰是不允许的，也不能将其作为掺和料用于泡沫轻质土。除此之外，密度方面也要求>2 000 kg/m3，这样的粉煤灰才能用于泡沫轻质土。对于发泡剂的要求为：外观透明，适宜常温使用，不能有刺激性气味，常温状态下不能产生沉淀，也不能析出异物，而且是合成类高分子表面活性剂，不能产生有害物质危害环境。动物蛋白类一律不允许使用。

（3）按照上述要求选择好原材料，并依据两大规程检测其物理力学性质，将所得材料的各项参数列入表1中。其中第一大规程为《公路工程泡沫混凝土应用技术规程》[6]附录A，第二大规程为《公路工程集料试验规程》[7]。

2 试验方案设计

2.1 泡沫轻质土的配合比

在决定选用何种配合比的泡沫轻质土之前，作者做了大量的试验来探究。结合多次的试验结果，最终选用如下4组不同配合比的泡沫轻质土来进一步探究其力学与疲劳特性。具体配合比见表2。

2.2 试验方案

试验方案中物件的选用完全符合相应的技术要求和作业规范。选用规格为100 rrrn×100 mm×400 rrrn的小梁作为试验试件，一方面用于弯拉强度的测试，另一方面用于疲劳试验的测试。另外，选用边长为100 mm的立方体作为抗压强度的试验试件。接下来选好模型，并按照表1中的配合比浇筑成型后放置24 h。4种配合比的模型在拆模之后均需在选用的标准养护室内放置，直到达到参与试验所需的龄期。

图1绘制的是该试验方案中采用的试件加载示意图。由图1可知试验采用的疲劳试验方法为三分点加载弯曲法，控制模式为应力控制模式。其中正弦波参数设置为连续式10 Hz。最后一项为应力比，依次选择0.9、0.8、0.7、0.6、0.5。

3 试验结果分析

3.1 抗压性能

运用由上述方法选用的材料和试验方法进行试验，所得结果汇总于表3，即泡沫轻质土在上述配合比下的抗压强度。

分析表3试验结果，不难发现抗压强度同水泥用量之间存在着某种关系，水泥用量在原有基础上增加50 kg时，观察28 d龄期的泡沫轻质土的抗压强度，发现其在原有的基础上上升了大约15%。由此可见水泥用量与抗压强度存在正比关系。再观察养护龄期对于泡沫轻质土的抗压强度的影响，发现抗压强度会随着养护龄期的增加而增大，而且材料的抗压强度以养护龄期28 d为分界线，界限之前表现出较快的增长速率，界限之后表现出趋于平缓的增长速率。图2、图3绘制了上述两大因素对抗压强度的影响规律。

3.2 弯拉性能

弯拉强度是一个比较重要且应用较广的技术参数，路基填筑材料的相关指标中就有这个指标要求，疲劳试验也要建立在弯拉强度的基础之上。在疲劳试验中，试件的龄期统一选择为90 d，通过改变试件的水泥用量得出试件的弯拉强度。具体的试验数据见表4。

从理论的角度出发，水泥本身是一种很好的结合料，它的结合会增加原材料内部单位体积的粘结材料，原材料也会随着内部连接性的增加而增加自身的强度。通过上述试验也验证了这一点：第二组试件较第一组增加了50 kg的水泥掺量，其弯拉强度也提升了大约13%，而第三组试件较第二组增加了50 kg的水泥掺量，其弯拉强度也提升了大约13%，第四组在第三组的基础上也得到了同样的数据。因此，水泥作为泡沫轻质土构成中的固化剂主剂，对泡沫轻质土的强度有着显著的影响。具体的影响规律绘制在图4中。

3.3 疲劳性能

继续上述试验，使用循环荷载，测出上述各个配合比下的泡沫轻质土所能承受的循环次数，并将试验结果汇总在表5中。

分析表5数据可知，当应力比为0.6时，A4泡沫轻质土比A1泡沫轻质土多掺了150 kg的水泥，其承受的循环荷载次数也是A1泡沫轻质土的2倍;但当应力比为0.9时，A4泡沫轻质土比Al泡沫轻质土也多掺了150 kg的水泥，其承受的循环荷载次数仅为Al泡沫轻质土的1倍。这说明了两点：（1）泡沫轻质土中的水泥掺入量直接影响其疲劳性能;（2）泡沫轻质土处于低应力时，水泥掺入量对其疲劳性能的影响更大。该试验结果可应用于实际的工程中，通过掺入水泥的多少来增加材料的强度。同时在符合工程要求的条件下延长材料的使用寿命，缩减原材料的使用量，降低工程的整体造价。

水泥掺量对疲劳寿命的影响规律绘制在下页图5中，应力比对疲劳寿命的影响规律绘制在下页图6中。

分析圖中的直观数据，并结合A1泡沫轻质土可拟合出其疲劳方程如下：

LgNf=9.93 -9. 155S， R2=0. 978 3

（1）

上述方程式中，泡沫轻质土的应力比用S表示;疲劳寿命用Nf表示。

在我国高速公路的建设标准中，所使用的泡沫轻质土在应力方面要求为0. 13 MPa左右，将这个数据代入上述的疲劳方程中，结合表5中所列的试验数据，可求得疲劳寿命的估算值，即Ⅳ，=7. 287×107，也就是说，所用泡沫轻质土的疲劳寿命符合我国高速公路的建设标准。

4 结语

在本文中，作者借助试验的方法深入分析了泡沫轻质土的性能，并对所得试验数据作了具体分析，得出下面三个结论：

（1）为研究泡沫轻质土的抗压性能，作者设计了泡沫轻质土的抗压试验，分析了各个影响因素对于泡沫轻质土抗压性能的影响规律，得出了泡沫轻质土的抗压强度与水泥掺量比例呈正相关的结论。在试验中观察到，水泥用量在原有基础上增加50 kg时，观察28 d龄期的泡沫轻质土的抗压强度，发现其在原有的基础上上升了大约15%，且抗压强度会随着养护龄期的增加而增大，而且材料的抗压强度以养护龄期28 d为分界线，界限之前表现出较快的增长速率，界限之后表现出趋于平缓的增长速率。

（2）为研究泡沫轻质土的弯拉强度特性，作者设计了泡沫轻质土的弯拉试验，同样得出了泡沫轻质土的弯拉强度特性与水泥掺量比例呈正相关的结论。水泥用量在原有基础上增加so kg时，观察28 d龄期的泡沫轻质土的弯拉强度，发现其在原有的基础上提升了大约1 3%。

（3）为研究泡沫轻质土的弯拉强度特性，作者设计了泡沫轻质土的疲劳试验，并通过试验结果列出了疲劳方程。试验中，当应力比为0.5时，泡沫轻质土在原有基础上多掺了150 kg的水泥，其承受的循环荷载次数提高了3倍。但当应力比为0.8时，泡沫轻质土在原有基础上多掺了150 kg的水泥，其承受的循环荷载次数提高了2倍。结合该数据所列的疲劳方程能够应用于实际工程的设计当中。

参考文献

[1]王建军.高速铁路路基泡沫轻质土的应用[J].国防交通工程与技术，2019，1 7（1）：70 -73.

[2]丁宁.浅谈路基扩建工程中泡沫轻质土施工质量控制[J].民营科技，2018（12）：170.

[3]张晓东.公路工程中泡沫轻质土路基的施工技术[J].交通世界，2018（29）：39 -41.

[4]GB 175 - 2007，通用硅酸盐水泥[S].

[5]GB/T 1596 - 2005，用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].

[6]DB33/T 996 - 2015，公路工程泡沫混凝土应用技术规范 [S].

[7]JTGE42 - 2005.公路工程集料试验规程[S].

作者简介：农飞比（1984-）.工程硕士，工程师，主要从事公路水运建设市场管理和质量管理工作。