泡沫混凝土力学性能的综述及其在土木工程中的应用

赵烜，曹天宇，蒋涛，李檬，马纪元

（中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

泡沫轻质混凝土是由水泥(固化材料)、水、原料土(砂或砂性土或低液限土)按一定比例充分混合形成浆体，然后再与一定比例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[1]。由于制造过程中气泡群的作用，使得单位体积的泡沫轻质混凝土相较于普通混凝土有着自重轻、强度高、流动性好的优点。

随着路网规模的不断扩大、新线接入，既有高速铁路所需的路基帮宽工程逐渐增多，线路沉降和变形难以控制，常规填土工法会大幅提高路基荷载，并对路基产生竖向荷载和侧向压力，造成铁路路段差异沉降[2]。泡沫混凝土可以改善铁路路段目前所遇到的困境。

1 泡沫轻质混凝土的土力学性质

1.1 抗压实验

为研究泡沫轻质混凝土的力学特性，苏谦，赵文辉[3]采用微机控制电子万能试验机对湿密度为400～1 000 kg/m3的泡沫轻质混凝土试样开展单轴压缩试验（图1）。实验结果表明，泡沫轻质混凝土在压缩至破坏的过程中存在四种阶段，可以与普通混凝土进行横向类比。这四种阶段分别包括调整阶段、弹性阶段、脆性阶段与屈服阶段。其中各项阶段的性质陈述如下。在应力增长区间不太大的时候，由于泡沫混凝土自身在形成过程中存在较大的孔隙[4]，随着应力的增加，这些孔隙首先被压实而无直接的点与点接触传力，因此泡沫混凝土在这一阶段的应力增长极为缓慢而应变增长较快。

图1 混凝土单轴压缩试验应力—应变曲线

当应变到达一定范围后，泡沫混凝土中的宏观孔隙基本被压实，调整阶段结束，之后由泡沫混凝土骨料等主体结构承担压力，进入弹性阶段。弹性阶段的分析可与普通混凝土的弹性阶段进行对比。弹性阶段中混凝土内部裂缝没有发展，应力应变近似直线（图2）[5]。此阶段试样承受了所有压力，应力应变相对先前较大，但进行的时间也比较短促。

图2 混凝土应力—应变曲线四大阶段

随着应力的进一步提升，泡沫轻质混凝土内部出现了一些细微的裂缝，使斜率开始下降，这是由于新旧裂纹合并，导致混凝土的弹性模量下降。

最后的阶段为屈服阶段，屈服阶段有两种不同的形式，由我国西南交通大学的学者提出。这两种不同的形式为震荡屈服和点屈服。震荡屈服的表现为随着应变的增长，应力在一定范围内出现上下波动。点屈服的表现为随着应变的增长应力出现了近似直线的下降。国内学者也对这两种情况进行了深入研究，总结出震荡屈服是由于表层孔壁压垮后其余孔壁产生应力集中，破碎面压实后这种现象循环往复，导致应力应变曲线出现上下波动的震荡模式。而点屈服是由于泡沫轻质混凝土所受应力超过其断裂承载力，表面裂缝过大导致应力突然下降，随着应变增大，次生裂缝开始出现，应力由其余部分承受加快破坏，最终呈现应力随应变增加加速衰退而混凝土试样完全破坏的现象。并且总结出屈服模式随着混凝土湿密度的增加从震荡屈服向点屈服过渡的规律。

1.2 孔隙结构

在孔隙结构方面，胡艳丽，杨伟博等学者在泡沫轻质混凝土性能与孔隙关系研究方面取得了一定进展。他们采用固定强度的普通硅酸盐水泥，辅之一定的添加剂在相同的发泡剂作用下制取不同水胶比的泡沫轻质混凝土。同时作为另一组对照试样，制取了其余条件均相同而密度不同的泡沫混凝土，共分为600 kg/m3（下称A密度）与800 kg/m3（下称B密度）。在按照《规范》规定的养护之后进行光学显微镜样本采集分析，后用相关软件进行拟合，估算其平均孔径，最后使用质量-体积法测定泡沫混凝土的孔隙率。表1是2种不同密度等级泡沫轻质混凝土的平均孔径和孔隙率随水胶比变化的测试结果[6]。

表1 泡沫轻质混凝土平均孔径和孔隙率

由表1可知，随着水胶比的增加，无论是A密度还是B密度的泡沫轻质混凝土平均孔径都得到了增加，两种密度的泡沫轻质混凝土孔隙率都有所下降。横向对比发现在相同水胶比的条件下，B密度的混凝土孔径要明显小于A密度的混凝土，即密度越大的泡沫混凝土孔径越小。横纵综合对比可以发现随着单位水胶比的增加，小密度的混凝土平均孔径的绝对增加值不小于大密度的泡沫混凝土，而相对增加值较之大密度的泡沫混凝土并未发现明显规律。

在这方面国内学者也提出了可信的理论依据，由于水胶比的增大，水分子的含量增多会降低胶凝材料对于发泡剂形成泡沫的包裹能力，最终导致泡沫在几何空间上由于布朗运动碰撞时连接成一体，平均孔径由此上升。但由于胶凝材料的客观摩擦力存在，平均孔径的增加量会随着水胶比的进一步上升而减小。这个理论同样应用于相同水胶比不同密度的泡沫混凝土孔径大小。密度越大的混凝土拥有更多的胶凝材料，因此材料内部的摩阻力也相对更大，阻碍泡沫轻质混凝土中大量泡沫相互融合和连通。

2 泡沫轻质混凝土的应用

2.1 路基拓宽

李艳，吉军鹏等对泡沫轻质混凝土在路基拓宽方面进行了研究，提出了泡沫轻质混凝土在此方面的三大优势，分别为卸荷减载、减少对桥台的干扰与加速施工。首先在卸荷减载方面，新型泡沫轻质混凝土具有轻质性，故可有效降低对高速公路路基附加应力。当路基排水条件相同时，附加应力越大，超孔隙水压力消散耗时会越多，固结沉降的时间亦会越长。此外，高速公路路基还对填筑高度有限制，使用新型泡沫轻质混凝土，可降低超孔隙水压力，缩短路基固结沉降时间，提高填筑高度，加快施工进度。其次，在桥台干扰方面，新型泡沫轻质混凝土具有固化自立性，不会对桥台与挡墙侧形成过大的压力，因而有利于桥台稳定的控制。此外，与常规土体填料相比，新型泡沫轻质混凝土逐层浇筑施工对侧向结构物作用有很大的不同。对于常规土体，随着填筑高度的增加，填土对侧向结构物土压力会线性增大，可采用朗肯或库伦理论进行土压力的计算；而对于新型泡沫轻质混凝土，在填筑高度不断增加的影响下，下层先浇筑的混凝土并不会造成侧向结构物土压力的明显变化。最后在加速施工方面，新型泡沫轻质混凝土有较高的变形模量与很小的压密沉降，且浇筑无需大型机械与后期静置，只需在强度形成后便能投入运营，故能大幅提升施工速度，缩短施工周期。

2.2 明洞回填

在明洞回填方面，国内企业与学者也在近期有所突破。在厦门海沧隧道工程中，梁红晶[7]等学者对泡沫轻质混凝土与C15片石混凝土在工程中的效益进行了对比，论证了泡沫轻质混凝土在工程客观条件允许下取代片石混凝土的可行性与增益。在施工工期上，片石混凝土需要40 d而泡沫轻质混凝土只需20 d左右，且无需考虑雨水天气的影响。在工程造价方面，泡沫轻质混凝土可以单项带来300万人民币的成本节约，且由于其施工难度低，人员易控制，生产组织方面有着得天独厚的优势，后期的运营也可以规避许多不确定性因素，从而有效保证工期。

2.3 陡坡减重

李粒生和谷波等利用对不同初始荷载下RC梁的极限承载力进行分析，根据加固梁的极限破坏分析对梁的最大钢筋加同量和正截面承载力的计算公式进行推导，并利用有限元软件ABAQUS进行验证，确定了泡沫轻质混凝土在保证强度的条件下，可有效减少结构的自重，这对于陡坡稳定有着重要意义。确定了泡沫轻质混凝土是一种新型轻质环保节能材料，具有质轻、流动性高、耐久性好、强度可调节以及施工简单等特点，可广泛应用于软土地基路段、台背填筑、道路扩建、山区陡峭路段的填筑、加固梁破坏时，其内部纵向受拉钢筋都屈服，并且梁的破坏模式属于适筋破坏。

3 结语

介绍了泡沫轻质混凝土的相关资料，并着重阐述了抗压强度、孔隙率等力学知识及其在交通土建领域的应用。在实际问题中，可采用不同配合比、水胶比、外加剂的泡沫混凝土，必要时使用不同密度的泡沫轻质混凝土叠合，也可以通过实测和专家调查法进一步提高泡沫混凝土与其他建材的兼容性。同时，需要探究不同的配比对混凝土力学的影响以寻找处理不同状态问题的最优方案。