泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響因素研究

李曉亮

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原030032）

泡沫輕質(zhì)土是指通過發(fā)泡裝置將發(fā)泡劑水溶液制成泡沫，再與水泥、摻合料和水充分拌合形成的一種微孔輕質(zhì)材料，具有輕質(zhì)、耐久性好和流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已在道路拼寬、臺(tái)背回填及軟土地基處理等工程中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。泡沫輕質(zhì)土性能對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果有重要影響，因而目前就其性能的研究已引起廣大科研工作者的關(guān)注。

陳誼等研究了多種因素對(duì)泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著水灰比、發(fā)泡劑摻量、氣泡含有率與外摻料摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度逐漸下降[7]；陳忠平等對(duì)泡沫輕質(zhì)土的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)彈性模量隨密度和應(yīng)力的增加而增加[8]；陳金威等研究了摻合料對(duì)泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著摻合料在膠凝材料中比例的增加，其抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均逐漸減小，且使用礦粉或粉煤灰作摻合料時(shí)泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度明顯優(yōu)于使用礦渣和高嶺土[9]；李洪亮等對(duì)泡沫輕質(zhì)土的疲勞特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著水泥用量增加其疲勞壽命明顯提高[10]；裘友強(qiáng)等基于掃描電鏡（SEM）對(duì)泡沫輕質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)水固比減小時(shí)泡沫輕質(zhì)土中氣孔數(shù)量隨之減小，且貫通度變淺，結(jié)構(gòu)密度提高[11]；李群等研究了泡沫輕質(zhì)土在軟基處理中的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)其較普通土可使路基荷載降低65.9%[5]。

現(xiàn)有研究已涉及泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度、動(dòng)力特性、疲勞性能及微觀結(jié)構(gòu)特性等，其中對(duì)疲勞性能影響因素的研究仍不夠深入。為此，本研究改變水固比、粉煤灰用量和水泥用量制備泡沫輕質(zhì)土小梁試件，進(jìn)行不同試驗(yàn)頻率和應(yīng)力比條件下疲勞試驗(yàn)，分析其疲勞壽命變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

（1）水泥

采用早強(qiáng)型普通325硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）要求，見表1所示。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of cement

（2）粉煤灰

采用電廠產(chǎn)二級(jí)粉煤灰作摻合料，主要技術(shù)指標(biāo)滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB /T 1596-2017）要求，見表2。

表2 粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indicators of fly ash

1.2 疲勞試驗(yàn)

將水泥、摻合料和發(fā)泡劑和自來水按一定配比制備100mm×100mm×400mm泡沫輕質(zhì)土小梁試件，自然養(yǎng)護(hù)24h拆模后進(jìn)行28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制正弦加載模式，以試件斷裂時(shí)的加載次數(shù)作為疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果。

2 材料配比對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響

泡沫輕質(zhì)土材料配比是影響其疲勞性能的關(guān)鍵因素。為此，分別改變水固比、膠凝材料中摻合料比例和水泥用量制備泡沫輕質(zhì)土試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)（頻率10Hz，應(yīng)力比0.7），得出疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同配比泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Fatigue life test results of lightweight foams with different proportions

2.1 水固比對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響

為分析水固比對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能的影響，將試件1、2和3的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果繪制于圖1。

圖1 水固比對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命的影響Fig. 1 Effect of water / solid ratio on fatigue life of lightweight foamed soil

由圖1可知，隨著水固比降低，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命逐漸提高，其中水固比為1:1.7的試件1疲勞壽命為6153次，較水固比為1:1.8和1:1.9的試件2和試件3分別低670次和1500次。分析原因?yàn)樗瘫冉档蜁r(shí)泡沫輕質(zhì)土中氣泡孔徑減小，氣孔貫通程度變淺，同時(shí)氣泡分散更為均勻，內(nèi)部架空結(jié)構(gòu)降低，此時(shí)泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高，疲勞性能變好。

2.2 粉煤灰對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響

為分析膠凝材料中粉煤灰比例對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能的影響，將試件2、4、5及2、6、7的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果分別繪制于圖2和圖3。

圖2 水泥用量不變時(shí)粉煤灰比例對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命的影響Fig. 2 Influence of fly ash ratio on fatigue life of lightweight foamed soil when cement content is constant

由圖2可知，水泥用量不變時(shí)隨著膠凝材料中粉煤灰比例增加，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命逐漸增加，其中粉煤灰摻量為10%時(shí)的試件6疲勞壽命為6531次，較粉煤灰摻量為20%和30%的試件5和試件2分別低101次和292次。分析原因一方面在于粉煤灰可降低水泥水化過程中的水化熱，從而減弱泡沫輕質(zhì)土硬化過程中因水化熱造成的微裂縫損傷，另一方面粉煤灰具有火山灰活性，其水化有利于提高泡沫輕質(zhì)土密實(shí)度，疲勞性能增強(qiáng)。

圖3 膠凝材料用量不變時(shí)粉煤灰比例對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命的影響Fig. 3 Influence of fly ash ratio on the fatigue life of lightweight foamed soil when the amount of cementing material is constant

由圖3可知，膠凝材料用量不變時(shí)隨著膠凝材料中粉煤灰比例增加，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命逐漸降低，其中粉煤灰摻量為10%時(shí)的試件6疲勞壽命為7814次，較粉煤灰摻量為20%和30%的試件7和試件2分別高492次和991次。分析原因在于膠凝材料用量不變時(shí)增加粉煤灰比例會(huì)造成水泥用量降低，而水泥對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能的貢獻(xiàn)優(yōu)于粉煤灰。

2.3 水泥用量對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響

為分析水泥用量對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能的影響，將試件1、2、8、9和10的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果繪制于圖4。

圖4 不同水固比下水泥用量對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命的影響Fig. 4 Effect of cement content on fatigue life of lightweight foamed soil under different ratios of water to solid

由圖4可知，隨著水泥用量提高，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命逐漸增加，尤其水固比較低時(shí)表現(xiàn)明顯，其中水固比為1:1.7時(shí)，每立方米水泥用量為350kg的試件8疲勞壽命為7355次，較每立方米水泥用量為300kg的試件1增加了19.5%，而水固比為1:1.8時(shí)，每立方米水泥用量為350kg和400kg的試件9和試件10疲勞壽命分別為8054次和10215次，較每立方米水泥用量為300kg的試件2分別增加了24.8%和49.7%。分析原因?yàn)樗嘤昧吭黾訒r(shí)其水化產(chǎn)物增多，形成的泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，氣孔孔壁的強(qiáng)度也隨之增加，因而疲勞性能更好。

3 試驗(yàn)條件對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響

3.1 頻率對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響

頻率可表征車速快慢，故可通過改變?cè)囼?yàn)頻率模擬不同車速對(duì)泡沫輕質(zhì)土的作用。為此，采用表3中試件1配比制備泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行5Hz、10Hz、15Hz和20Hz頻率條件下的疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比0.7，結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻率對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命的影響Fig. 5 Eff ect of frequency on fatigue life of foamed lightweight soil

由圖5可知，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命隨試驗(yàn)頻率的增加而增加，其中頻率為5Hz時(shí)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命為5867次，較頻率為10Hz、15Hz和20Hz時(shí)的6153次、6876次和7123次分別低286次、1009次和1256次。同時(shí)，進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，疲勞壽命與頻率呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，R2值達(dá)到0.96。分析原因?yàn)?，頻率增加時(shí)，荷載對(duì)試件作用時(shí)間減短，對(duì)泡沫輕質(zhì)土造成的結(jié)構(gòu)損傷降低的緣故。

3.2 應(yīng)力比對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞性能影響

應(yīng)力比可表征車輛荷載作用大小，故可通過改變應(yīng)力比模擬不同軸載汽車對(duì)泡沫輕質(zhì)土的作用。為此，采用表3中試件1配比制備泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行0.5、0.6、0.7、0.8和0.9應(yīng)力比條件下的疲勞試驗(yàn)，頻率10Hz，結(jié)果見表4。

表4 應(yīng)力比對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命的影響Table 4 Eff ect of stress ratio on fatigue life of foamed lightweight soil

由表4可知，隨著應(yīng)力比增大，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命迅速降低，其中應(yīng)力比由0.5增加至0.6時(shí)，疲勞壽命降低117120次，而應(yīng)力比達(dá)到0.9時(shí)，疲勞壽命僅有38次，因此進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)交通軸載情況確定合適的材料配比，保證強(qiáng)度適宜，同時(shí)還應(yīng)對(duì)汽車超載情況進(jìn)行嚴(yán)格控制。

將疲勞壽命取對(duì)數(shù)與應(yīng)力比進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)（如圖6所示），疲勞壽命的對(duì)數(shù)隨應(yīng)力比的增加呈線性降低趨勢(shì)，R2值達(dá)0.9765，與普通混凝土材料的疲勞特征類似。

圖6 應(yīng)力比對(duì)泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命的影響Fig. 6 Effect of stress ratio on fatigue life of lightweight foamed soil

4 結(jié)論

（1）隨著水固比降低和水泥用量增加，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命逐漸增加，其中水固比越低，增加水泥用量對(duì)其疲勞壽命的提高作用越明顯。

（2）水泥用量不變時(shí)，增加粉煤灰用量能提高泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命，而膠凝材料摻用量不變時(shí)，增加粉煤灰用量會(huì)使疲勞壽命降低。

（3）試驗(yàn)頻率增加時(shí)，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命逐漸增加，且疲勞壽命與頻率呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系，R2值達(dá)0.96；應(yīng)力比增加時(shí)，泡沫輕質(zhì)土疲勞壽命逐漸降低，且應(yīng)力比與疲勞壽命的對(duì)數(shù)呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系，R2值達(dá) 0.9765。