泡沫輕質(zhì)土處治路基耐久性能研究

張 強(qiáng)，王 鑫

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051；2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢(xún)有限公司，天津市300092）

泡沫輕質(zhì)土處治路基耐久性能研究

張 強(qiáng)1，王 鑫2

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051；2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢(xún)有限公司，天津市300092）

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析了泡沫輕質(zhì)土的疲勞特性及不同因素對(duì)其耐久性能的影響，并結(jié)合實(shí)際路面結(jié)構(gòu)受力情況，實(shí)測(cè)了泡沫輕質(zhì)土用于路基填筑的使用壽命情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：泡沫輕質(zhì)土具有良好的耐久性，能夠滿足公路工程設(shè)計(jì)使用年限的要求。

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土；耐久性能；疲勞試驗(yàn)；耐腐蝕性試驗(yàn)

0 引言

泡沫輕質(zhì)土具有良好的輕質(zhì)性和流動(dòng)性、低的滲透性及強(qiáng)的隔熱性，在道路工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。相關(guān)研究表明，在合理配比且嚴(yán)格控制施工條件下，泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能均能滿足道路應(yīng)用需求[2，3]。但作為路基處治材料，其耐久性能將直接影響道路的耐久性，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

泡沫輕質(zhì)土的耐久性反映了其在不同外在因素長(zhǎng)期作用下的力學(xué)性能穩(wěn)定性。這些外在因素，通常為循環(huán)荷載、干濕交替、凍融交替及腐蝕性物質(zhì)的化學(xué)侵蝕等[4]。

為評(píng)價(jià)泡沫輕質(zhì)土的耐久性，以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化值來(lái)定義耐久系數(shù)k：

顯然，耐久系數(shù)越大，說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土在某一外在因素作用下的耐久性越好，反之亦然。

1 試驗(yàn)所用配合比

為了研究泡沫輕質(zhì)土的耐久性能，本文選取了4種泡沫輕質(zhì)土的配合比，如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用泡沫輕質(zhì)土的配合比

2 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)采用基本配合比A，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)方法[5]，加載方式采用三分點(diǎn)加載，這主要是為了保證梁底面能有一段彎矩相等的均勻拉區(qū)；另外由于該種材料的極限應(yīng)變較小，破壞形式為脆性破壞，因此采用應(yīng)力控制模式。試件A的拉彎強(qiáng)度見(jiàn)表2。不同應(yīng)力比（y）條件下，試件的疲勞壽命（用荷載循環(huán)作用次數(shù)N來(lái)表示）試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試件A的拉彎強(qiáng)度

表3 試件A的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表3試驗(yàn)結(jié)果，可得到試件A在50%和95%保證率下的疲勞曲線及疲勞方程，如圖1、圖2所示。

圖1 疲勞曲線（50%保證率）

圖2 疲勞曲線（95%保證率）

為了進(jìn)一步分析泡沫輕質(zhì)土路基在車(chē)輛荷載作用下的疲勞性能，選取典型路面結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表4），建立有限元模型進(jìn)行分析。

分別對(duì)100、200、300 kN軸載作用下，路基處理前后的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。表5、表6分別為標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，路基不同深度處的應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

表4 路面結(jié)構(gòu)及路基處理計(jì)算參數(shù)

表6 標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下路基不同深度處應(yīng)變對(duì)比表

由表5、表6可以看出，在路基頂面下104 cm處，附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值、附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值在路基處理后都要比路基未處理時(shí)明顯減小，說(shuō)明對(duì)路基進(jìn)行處理可大大降低其所承受的應(yīng)力水平。以附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值均小于0.2為基準(zhǔn)，確定標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下路基工作區(qū)深度為1.3～1.5 m。

為了進(jìn)一步分析路基在重載作用下的應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)200、300 kN兩種重軸載情況進(jìn)行計(jì)算，表7、表8分別給出了200 kN荷載作用下路基的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

表7 200 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)力對(duì)比表

表8 200 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)變對(duì)比表

由表7、表8可以看出，在重載作用下，在路基頂面下104 cm處，附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值在路基處理后都要比路基未處理時(shí)明顯減小?？紤]重載車(chē)輛荷載的敏感性，以附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值均小于0.1為基準(zhǔn)，確定200 kN荷載作用下路基工作區(qū)深度為1.8～2.0 m。

表9、表10分別給出了在300 kN荷載作用下路基的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

同樣以附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值均小于0.1為基準(zhǔn)，確定 300 kN荷載作用下路基工作區(qū)深度為2.3～2.5 m。

當(dāng)泡沫輕質(zhì)土距離路基頂面的厚度大于25 cm時(shí)，汽車(chē)等外部荷載（輪胎接地壓強(qiáng) P0為0.70 MPa）所引起的輕質(zhì)土表面的附加應(yīng)力不超過(guò)總應(yīng)力的1/5（0.14 MPa），現(xiàn)按0.14 MPa考慮，輕質(zhì)土強(qiáng)度取疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度均值0.88 MPa，則應(yīng)力比y=0.16。按95%保證率下的疲勞方程，可計(jì)算出在此應(yīng)力比下泡沫輕質(zhì)土的疲勞壽命N≈1029次。顯然，對(duì)于一般公路工程的使用年限來(lái)說(shuō)，這一疲勞壽命是完全足夠的。

表9 300 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)力對(duì)比表

表10 300 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)變對(duì)比表

3 干濕循環(huán)對(duì)泡沫輕質(zhì)土性能的影響

對(duì)表1中4種配合比的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d后，在50℃恒溫箱中放置2 d，然后在水中完全浸泡1 d，此為1次干濕循環(huán)。分別測(cè)試試件經(jīng)歷干濕循環(huán)1、5、10次后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及耐久系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11所示。

由表11可知，在試驗(yàn)初期，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約降低10%～20%，此后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)作用下，泡沫輕質(zhì)土的耐久系數(shù)均在0.9左右，說(shuō)明該種材料具有較好的耐久性。另外，泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其配合比有很大關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，必須根據(jù)工程條件合理進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并嚴(yán)加控制。

表11 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

4 凍融循環(huán)對(duì)泡沫輕質(zhì)土性能的影響

為了明確凍融循環(huán)對(duì)泡沫輕質(zhì)土性能的影響，仍然采用A、B、C、D這4種配合比進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d的試件凍結(jié)（-24℃下24 h），然后在恒溫恒濕箱（21℃下24 h）中融解作為1次凍融循環(huán)，共進(jìn)行10次凍融循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表12所示。

由表12可知，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后所有配合比試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所降低，經(jīng)歷第1次凍融循環(huán)后的降幅較大，隨后趨于平緩。試驗(yàn)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)試件表面有破壞現(xiàn)象,說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土的抗凍融性能較好。

5 耐腐蝕性試驗(yàn)

耐腐蝕試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。由表13可知，泡沫輕質(zhì)土的耐堿腐蝕性能較耐酸腐蝕性能好。實(shí)際上，泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度主要由其孔隙骨架提供，其耐酸、耐堿性能與普通混凝土類(lèi)似，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)疲勞試驗(yàn)，確定了泡沫輕質(zhì)土的疲勞方程，并計(jì)算了泡沫輕質(zhì)土在0.16應(yīng)力水平下，95%保證率的疲勞壽命約為1029次，說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土能夠滿足公路設(shè)計(jì)要求。

表12 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

表13 耐腐蝕試驗(yàn)

（2）干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)初期試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低，大約為10%～20%，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。試件的耐久系數(shù)約為0.9，說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土具有較好的耐久性能。

（3）凍融循環(huán)試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低，在經(jīng)歷第1次凍融循環(huán)后降幅較大，隨后趨于平緩，耐久系數(shù)在0.9左右，且試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)試件表面有破壞現(xiàn)象，說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土的抗凍融性能較好。

（4）泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度主要由其孔隙骨架提供，其耐堿腐蝕性能較好，與普通混凝土類(lèi)似。

[1]張怡偉,封棟杰,王新岐.泡沫輕質(zhì)土處治軟基性能研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2015(6):57-60,65.

[2]馮煒,雷學(xué)通,王新岐.現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].城市道橋與防洪,2015(5):205-207,216,230.

[3]李洪亮,孫吉書(shū),李鴻運(yùn),等.泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)與疲勞特性分析[J].低溫建筑技術(shù),2016(10):97-98,111.

[4]劉潔,李洪亮.泡沫輕質(zhì)土穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2016(6):54-55.

[5]JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

U414.1

A

1009-7716（2017）09-0200-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.061

2017-04-26

張強(qiáng)(1989-),男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，助理工程師，從事道路工程研究工作。