泡沫輕質(zhì)土力學性能與干濕循環(huán)試驗研究

侯智堅, 王愛濤, 公彥昆, 李高波, 蔣紅光, 姚占勇

(1.山東大學 齊魯交通學院，山東 濟南 250002；2.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250098)

隨著我國交通量的日益增長，現(xiàn)有高速公路服務(wù)能力逐漸滿足不了迅速增長的交通量，東南沿海地區(qū)陸續(xù)開展了大規(guī)模既有道路改拓建工程.在道路改擴建工程中，由于新老路基土材料性質(zhì)和地基固結(jié)程度等存在差異，受到上覆荷載的作用，新舊路基易產(chǎn)生較大的差異沉降，從而引發(fā)結(jié)合部位路面開裂甚至是路基失穩(wěn)等病害[1].泡沫輕質(zhì)材料作為一種新型建筑材料，因其具有多孔性、輕質(zhì)性、密度和強度可調(diào)節(jié)性、施工便捷以及硬化后可自立等優(yōu)良特性，用于新路基填筑時能同時減小地基沉降與路基沉降[2].因此，泡沫輕質(zhì)材料被用于解決高速公路拓寬路基差異沉降問題.但是,泡沫輕質(zhì)材料中水泥摻量較高，生產(chǎn)水泥消耗了大量不可再生資源，同時造成了一定的污染.

因此，國內(nèi)外學者采取黏土、粉煤灰與工業(yè)固廢等替代水泥并對泡沫輕質(zhì)材料的工程特性進行了一系列研究.Horpibulsuk等[3]研究了不同配合比輕質(zhì)黏土的強度特性與壓縮特性，進而擬合得到了強度與V/C(孔隙體積與水泥體積之比)的經(jīng)驗公式.Neramitkornburi等[4]對水泥固化黏土-粉煤灰輕質(zhì)材料的容重、流值和強度進行了研究，粉煤灰的摻加量達到一定比例后，對于輕質(zhì)材料和易性與強度均有一定程度的提高.Du等[5]通過吸水試驗與抗壓強度試驗得到地聚合物輕質(zhì)土的吸水性高于水泥基輕質(zhì)土，同時強度約為水泥輕質(zhì)土的2～3.5倍.Suksiripattanapong[6]等采用堿激發(fā)兩種工業(yè)固廢污泥與粉煤灰制備而成地聚合物泡沫輕質(zhì)材料，當堿激發(fā)劑含量為復(fù)合材料的液限時，輕質(zhì)材料的強度最高.Du等[7]對水泥固化鋅污染黏土輕質(zhì)材料的壓縮性能進行了研究，含鋅使材料的屈服應(yīng)力、破壞強度有著明顯的降低，得到Zn含量閾值為0.5%.Neramitkornburi[8]通過干濕循環(huán)試驗對水泥固化黏土-粉煤灰輕質(zhì)材料的水穩(wěn)定性進行評價，發(fā)現(xiàn)粉煤灰替代量大于40%時，材料的流值、泡水強度、干濕循環(huán)后強度均有明顯的提高，導(dǎo)致干濕循環(huán)強度損失的主要原因是黏土顆粒的膨脹與收縮.陳金威等[9]嘗試了在泡沫輕質(zhì)土中分別采用工業(yè)固廢和高嶺土代替部分水泥，試驗發(fā)現(xiàn)摻加粉煤灰和礦粉的泡沫輕質(zhì)土強度相對較高，但摻加量的提高會降低材料的抗壓和抗剪強度.喬歡歡等[10]對比了摻入硅灰和粉煤灰后泡沫輕質(zhì)土的性能，結(jié)果表明硅灰的摻加能夠提高泡沫輕質(zhì)土的強度，但由于吸水率的增加，導(dǎo)致其抗凍性降低；而粉煤灰的摻入不僅提高了抗壓強度，也改善了抗凍性.Bagheri[11]通過研究發(fā)現(xiàn)摻加適量增塑劑可顯著提高泡沫混凝土混合物的穩(wěn)定性.蘇謙等[12]研究了循環(huán)加載對泡沫輕質(zhì)混凝土力學性能的影響，提出應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)有不斷“遷移”的現(xiàn)象.黃振宇等[13]以空心微珠、聚乙烯纖維為主要原材料開發(fā)了一種輕質(zhì)高延性水泥基材料，密度在850～920 kg/m3的條件下抗壓強度達20～33 MPa，軸向應(yīng)變達到8%.

可見，目前對于泡沫輕質(zhì)土的研究主要集中于材料類型和力學特性上，對于以素土為主要原料的泡沫輕質(zhì)土及其干濕循環(huán)下的耐久性研究較少.泡沫輕質(zhì)土作為路基材料，經(jīng)常會受到雨水入滲等的影響，因此，有必要對泡沫輕質(zhì)材料的干濕循環(huán)特性進行研究.本文采用黃泛區(qū)普遍分布的粉質(zhì)黏土制備泡沫輕質(zhì)土，對其物理力學特性和干濕循環(huán)下的性能演化進行評價，在保證長期路用性能的前提下通過減少水泥用量，以降低工程造價.

1 試驗用原材料與配合比

試驗用土取自山東省淄博市濱萊高速公路沿線，土樣的顆粒級配和界限含水率如表1和圖1所示.可見，土體顆粒粒徑全部小于0.075 mm，為細粒土；結(jié)合塑性圖，可判斷該土屬于低液限粉質(zhì)黏土.試驗所用水泥為P·O42.5，其化學成分如表2所示.發(fā)泡劑采用復(fù)合發(fā)泡劑，稀釋倍率為50倍，發(fā)泡倍率為30倍，消泡率為7%，產(chǎn)出泡沫均勻.

表1 試驗土樣物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of test soil sample

圖1 試驗土樣顆分曲線Fig.1 Particle size distribution curve of test soil sample

表2 水泥化學成分

表3 泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計Tab.3 Mix design of foamed lightweight soil

本次試驗?zāi)繕嗣芏葹?00 kg/m3，流值為180±20 mm，改變膠凝材料中的土與水泥的摻量，以干土質(zhì)量/(干土+水泥的總質(zhì)量)=0%，25%，33%，40%四組配比，試驗配合比如表3所示.試驗過程中，將原料土烘干破碎后，過4.75 mm方孔篩，使用水泥攪拌機將水與過篩后的原料土以高轉(zhuǎn)速攪拌3 min，再將水泥加入攪拌3 min；將發(fā)泡劑和水按1∶49的比例混合加入發(fā)泡機中，控制發(fā)泡壓力為0.4 MPa，空氣壓縮產(chǎn)出泡沫，并將泡沫加入漿液中以低轉(zhuǎn)速攪拌3 min，然后測試濕密度及流值；達到目標密度及目標流值后，將泡沫輕質(zhì)土澆入預(yù)先準備的模具中，使用保鮮膜覆蓋進行常溫養(yǎng)護；試件養(yǎng)護48 h后進行脫模，將試件裝入密封袋中養(yǎng)護至設(shè)計齡期，進行各項性能指標測試，如圖2所示.

圖2 不同素土摻量的泡沫輕質(zhì)土試件Fig.2 Foamed lightweight soil samples with different soil contents

2 力學性能

2.1 無側(cè)限抗壓強度

《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)中要求泡沫輕質(zhì)土填筑高速公路路床區(qū)抗壓強度不低于1 MPa，路堤區(qū)抗壓強度不低于0.6 MPa.如圖3所示，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長逐漸增大，且粉質(zhì)黏土摻量的增加不利于抗壓強度的提高.由于泡沫輕質(zhì)土中的強度主要由水泥水化產(chǎn)物提供，隨著粉質(zhì)黏土摻量的增加，泡沫輕質(zhì)土的強度不斷降低.當土體摻量為0%時，泡沫輕質(zhì)土的7 d和28 d抗壓強度分別為2.17 MPa和2.88 MPa，遠高于路床區(qū)不低于1.0 MPa的設(shè)計要求；當土摻量增加為40%時，28 d抗壓強度降低至1.02 MPa.考慮到現(xiàn)場質(zhì)量控制變異性較高，為滿足路床區(qū)的強度設(shè)計要求，粉質(zhì)黏土摻量不應(yīng)超過33%；若泡沫輕質(zhì)土用作路堤土，粉質(zhì)黏土摻量則可放寬至不高于40%.

圖3 不同土摻量泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度Fig.3 Unconfined compressive strength of foamed lightweight soil with different soil contents

2.2 劈裂抗拉強度

對于材料抗拉強度，目前主要有直接測量與間接測量的方法[14-16].本文采用劈裂抗拉試驗來間接測試材料的抗拉強度，試驗方法參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB-T11969-2008).取養(yǎng)護28 d后的不同土體摻量的泡沫輕質(zhì)土試件進行試驗，其結(jié)果如圖4所示.土體摻量由0%增加至40%時，劈裂強度由0.57 MPa降低至0.2 MPa.對試件拉壓比(劈裂抗拉強度fts/28 d抗壓強度qs)進行擬合，如圖5所示，可以得到fts=0.2qs，接下來可根據(jù)此關(guān)系，采用泡沫輕質(zhì)土抗壓強度來估算其劈裂抗拉強度.

圖4 不同土摻量泡沫輕質(zhì)土劈裂抗拉強度Fig.4 Splitting tensile strength of lightweight foamed soil with different soil contents

圖5 劈裂抗拉強度與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系Fig.5 Relationship between splitting compressive strength and unconfined compressive strength

3 耐久性試驗

3.1 軟化系數(shù)

材料的軟化系數(shù)K是指飽水狀態(tài)下的抗壓強度與干燥狀態(tài)下的抗壓強度的比值.軟化系數(shù)的取值范圍一般在0～1.0之間，其值越大，表明材料的抗水性能越好；當材料處于潮濕環(huán)境或要求具備較高的抗侵蝕性能時，其軟化系數(shù)應(yīng)在0.85～0.9之間；材料用于受潮輕或次要建筑，軟化系數(shù)也不宜小于0.7[17].每種摻土量的配合比取6塊養(yǎng)護28 d后的試件，參照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-2002)進行軟化系數(shù)試驗.取養(yǎng)護28 d試件在105～110℃下將試件烘干至恒重，分別稱重記作(M0).待試件冷卻至室溫后，取每種配比下的3個試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗，記為試件的干燥抗壓強度(f0).將剩余試件放入20℃水箱中進行浸水72 h，結(jié)束后測量試樣表干質(zhì)量，記作M1，同時測定泡沫輕質(zhì)土飽和抗壓強度(f1)，則泡沫輕質(zhì)土軟化系數(shù)K可按公式(1)計算.

K=f1/f0

(1)

干燥狀態(tài)、飽水狀態(tài)及自然狀態(tài)抗壓強度如圖6所示.即使在飽水狀態(tài)下，33%土摻量的泡沫輕質(zhì)土仍能滿足路床填筑的強度要求.不同土摻量的軟化系數(shù)如圖7所示，當土摻量小于33%時，軟化系數(shù)基本維持在0.8；當土摻量為40%時，由于水泥水化產(chǎn)物對土的固化作用減弱，泡水72 h后，強度下降較為明顯，軟化系數(shù)降至0.75，仍大于0.7，說明土摻量小于40%的粉質(zhì)黏土基泡沫輕質(zhì)土的抗水性能良好.

圖6 不同飽水狀態(tài)下泡沫輕質(zhì)土抗壓強度Fig.6 Compressive strength of foamed lightweight soil under different water saturation conditions

圖7 不同土摻量泡沫輕質(zhì)土軟化系數(shù)Fig.7 Softening coefficient of foamed lightweight soil with different soil contents

3.2 干濕循環(huán)

干濕循環(huán)試驗參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB-T11969-2008)與Koman[18]改良的方法進行.將養(yǎng)護28 d后試件取出進行稱重，記錄初始質(zhì)量為M0.將試件放入溫度為60 ℃的烘箱內(nèi)，48 h后取出試件，冷卻至室溫后稱重，記試樣的干質(zhì)量為M干n，再將試件在20℃水中浸泡24 h，稱取試樣表干質(zhì)量，記作M濕n，接著進行下一次循環(huán)，共進行10次干濕循環(huán)試驗.分別取第三、五、八、十次干濕循環(huán)結(jié)束后的試樣擦干后測定泡沫輕質(zhì)土抗壓強度，記作fcun.則干濕循環(huán)質(zhì)量變化率和強度比ψ可按照公式(2)～(4)進行計算.

(2)

(3)

(4)

圖8和圖9分別為泡沫輕質(zhì)土干循環(huán)中的質(zhì)量損失率與濕循環(huán)中的質(zhì)量增加率.不同土摻量的泡沫輕質(zhì)土由于吸水水化，經(jīng)過前3次干濕循環(huán)后，干質(zhì)量有所增加；土摻量小于33%的試件干濕循環(huán)次數(shù)達到5次后，試件干質(zhì)量損失率基本達到穩(wěn)定，在15%～19%之間浮動，而40%土摻量的試件不斷減小，直到第8次干濕循環(huán)達到穩(wěn)定，質(zhì)量損失率最終達到25%.隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，不同土摻量的泡沫輕質(zhì)土濕質(zhì)量不斷增大；10次干濕循環(huán)過后，當土摻量從0%增加至40%時，試件的濕質(zhì)量增加率從6.45%降至4%.

圖8 干濕循環(huán)下干質(zhì)量損失率Fig.8 Dry mass decrease rate of dry wet cycle

圖9 干濕循環(huán)下濕質(zhì)量增加率Fig.9 Wet mass increase rate of dry wet cycle

圖10給出了不同配合比泡沫輕質(zhì)土的強度比隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.可見，干濕循環(huán)對泡沫輕質(zhì)土的強度具有明顯的衰減作用，尤其是前3次干濕循環(huán)作用.10次干濕循環(huán)過后，摻土量為0、25%、33%、40%的強度比分別為0.83、0.81、0.80、0.77，可見土的摻入量越高，泡沫輕質(zhì)土強度受干濕循環(huán)影響越明顯；33%土摻量的試件強度由1.73 MPa降低至1.39 MPa，強度損失了19.8%，仍能作為路床區(qū)填料土，40%土摻量的泡沫輕質(zhì)土試件強度由1.02 MPa降低至0.78 MPa，強度損失了23.5%，仍能作為路堤區(qū)填料土.基于無側(cè)限抗壓強度和干濕循環(huán)試驗，同時考慮現(xiàn)場施工變異性與經(jīng)濟性，推薦泡沫輕質(zhì)土作為路床區(qū)填料土摻量為25%～33%，推薦作為路堤區(qū)填料土摻量為33%～40%.

圖10 不同摻土量泡沫輕質(zhì)土隨干濕循環(huán)強度比Fig.10 Dry-wet cycling strength ratio of light weight soil with different amounts of soil

4 結(jié)論

(1)當土摻量由0%增加至40%時，28 d抗壓強度qs和劈裂抗拉強度fts分別為2.88～1.02 MPa和0.57～0.2 MPa，且兩者具有很好的線性關(guān)系，即fts=0.2qs.

(2)干濕循環(huán)過程中泡沫輕質(zhì)土的干質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)出先增加后降低，最后趨于穩(wěn)定；而泡沫輕質(zhì)土濕質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)增加不斷增大.當土摻量由0%增加至40%時，10次干濕循環(huán)后，質(zhì)量損失率與質(zhì)量增加率分別為15.51%～25%和6.45%～4%.

(3)前三次干濕循環(huán)產(chǎn)生的強度衰減較大，強度比降至0.83～0.86，隨后強度衰減變緩；10次干濕循環(huán)過后，土摻量為0、25%、33%、40%的泡沫輕質(zhì)土強度比分別為0.83、0.81、0.80、0.77，抗壓強度分別為2.40 MPa、1.81 MPa、1.39 MPa、0.78 MPa.

(4)基于無側(cè)限抗壓強度和干濕循環(huán)耐久性試驗，提出泡沫輕質(zhì)土作為路床區(qū)填料建議土摻量小于33%，而作為路堤區(qū)填料建議土摻量為33%～40%.