泡沫混凝土力學(xué)性能的綜述及其在土木工程中的應(yīng)用

趙烜，曹天宇，蔣濤，李檬，馬紀(jì)元

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

泡沫輕質(zhì)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漿體，然后再與一定比例足夠細(xì)小的穩(wěn)定氣泡群充分混合攪拌形成流體，并最終凝固成型的一種輕型填筑材料[1]。由于制造過程中氣泡群的作用，使得單位體積的泡沫輕質(zhì)混凝土相較于普通混凝土有著自重輕、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)。

隨著路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、新線接入，既有高速鐵路所需的路基幫寬工程逐漸增多，線路沉降和變形難以控制，常規(guī)填土工法會(huì)大幅提高路基荷載，并對(duì)路基產(chǎn)生豎向荷載和側(cè)向壓力，造成鐵路路段差異沉降[2]。泡沫混凝土可以改善鐵路路段目前所遇到的困境。

1 泡沫輕質(zhì)混凝土的土力學(xué)性質(zhì)

1.1 抗壓實(shí)驗(yàn)

為研究泡沫輕質(zhì)混凝土的力學(xué)特性，蘇謙，趙文輝[3]采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)濕密度為400～1 000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣開展單軸壓縮試驗(yàn)（圖1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫輕質(zhì)混凝土在壓縮至破壞的過程中存在四種階段，可以與普通混凝土進(jìn)行橫向類比。這四種階段分別包括調(diào)整階段、彈性階段、脆性階段與屈服階段。其中各項(xiàng)階段的性質(zhì)陳述如下。在應(yīng)力增長(zhǎng)區(qū)間不太大的時(shí)候，由于泡沫混凝土自身在形成過程中存在較大的孔隙[4]，隨著應(yīng)力的增加，這些孔隙首先被壓實(shí)而無直接的點(diǎn)與點(diǎn)接觸傳力，因此泡沫混凝土在這一階段的應(yīng)力增長(zhǎng)極為緩慢而應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快。

圖1 混凝土單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

當(dāng)應(yīng)變到達(dá)一定范圍后，泡沫混凝土中的宏觀孔隙基本被壓實(shí)，調(diào)整階段結(jié)束，之后由泡沫混凝土骨料等主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)壓力，進(jìn)入彈性階段。彈性階段的分析可與普通混凝土的彈性階段進(jìn)行對(duì)比。彈性階段中混凝土內(nèi)部裂縫沒有發(fā)展，應(yīng)力應(yīng)變近似直線（圖2）[5]。此階段試樣承受了所有壓力，應(yīng)力應(yīng)變相對(duì)先前較大，但進(jìn)行的時(shí)間也比較短促。

圖2 混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線四大階段

隨著應(yīng)力的進(jìn)一步提升，泡沫輕質(zhì)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了一些細(xì)微的裂縫，使斜率開始下降，這是由于新舊裂紋合并，導(dǎo)致混凝土的彈性模量下降。

最后的階段為屈服階段，屈服階段有兩種不同的形式，由我國(guó)西南交通大學(xué)的學(xué)者提出。這兩種不同的形式為震蕩屈服和點(diǎn)屈服。震蕩屈服的表現(xiàn)為隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)，應(yīng)力在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)上下波動(dòng)。點(diǎn)屈服的表現(xiàn)為隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)應(yīng)力出現(xiàn)了近似直線的下降。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)這兩種情況進(jìn)行了深入研究，總結(jié)出震蕩屈服是由于表層孔壁壓垮后其余孔壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，破碎面壓實(shí)后這種現(xiàn)象循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)上下波動(dòng)的震蕩模式。而點(diǎn)屈服是由于泡沫輕質(zhì)混凝土所受應(yīng)力超過其斷裂承載力，表面裂縫過大導(dǎo)致應(yīng)力突然下降，隨著應(yīng)變?cè)龃?，次生裂縫開始出現(xiàn)，應(yīng)力由其余部分承受加快破壞，最終呈現(xiàn)應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾蛹铀偎ネ硕炷猎嚇油耆茐牡默F(xiàn)象。并且總結(jié)出屈服模式隨著混凝土濕密度的增加從震蕩屈服向點(diǎn)屈服過渡的規(guī)律。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)

在孔隙結(jié)構(gòu)方面，胡艷麗，楊偉博等學(xué)者在泡沫輕質(zhì)混凝土性能與孔隙關(guān)系研究方面取得了一定進(jìn)展。他們采用固定強(qiáng)度的普通硅酸鹽水泥，輔之一定的添加劑在相同的發(fā)泡劑作用下制取不同水膠比的泡沫輕質(zhì)混凝土。同時(shí)作為另一組對(duì)照試樣，制取了其余條件均相同而密度不同的泡沫混凝土，共分為600 kg/m3（下稱A密度）與800 kg/m3（下稱B密度）。在按照《規(guī)范》規(guī)定的養(yǎng)護(hù)之后進(jìn)行光學(xué)顯微鏡樣本采集分析，后用相關(guān)軟件進(jìn)行擬合，估算其平均孔徑，最后使用質(zhì)量-體積法測(cè)定泡沫混凝土的孔隙率。表1是2種不同密度等級(jí)泡沫輕質(zhì)混凝土的平均孔徑和孔隙率隨水膠比變化的測(cè)試結(jié)果[6]。

表1 泡沫輕質(zhì)混凝土平均孔徑和孔隙率

由表1可知，隨著水膠比的增加，無論是A密度還是B密度的泡沫輕質(zhì)混凝土平均孔徑都得到了增加，兩種密度的泡沫輕質(zhì)混凝土孔隙率都有所下降。橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)在相同水膠比的條件下，B密度的混凝土孔徑要明顯小于A密度的混凝土，即密度越大的泡沫混凝土孔徑越小。橫縱綜合對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)隨著單位水膠比的增加，小密度的混凝土平均孔徑的絕對(duì)增加值不小于大密度的泡沫混凝土，而相對(duì)增加值較之大密度的泡沫混凝土并未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。

在這方面國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出了可信的理論依據(jù)，由于水膠比的增大，水分子的含量增多會(huì)降低膠凝材料對(duì)于發(fā)泡劑形成泡沫的包裹能力，最終導(dǎo)致泡沫在幾何空間上由于布朗運(yùn)動(dòng)碰撞時(shí)連接成一體，平均孔徑由此上升。但由于膠凝材料的客觀摩擦力存在，平均孔徑的增加量會(huì)隨著水膠比的進(jìn)一步上升而減小。這個(gè)理論同樣應(yīng)用于相同水膠比不同密度的泡沫混凝土孔徑大小。密度越大的混凝土擁有更多的膠凝材料，因此材料內(nèi)部的摩阻力也相對(duì)更大，阻礙泡沫輕質(zhì)混凝土中大量泡沫相互融合和連通。

2 泡沫輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用

2.1 路基拓寬

李艷，吉軍鵬等對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土在路基拓寬方面進(jìn)行了研究，提出了泡沫輕質(zhì)混凝土在此方面的三大優(yōu)勢(shì)，分別為卸荷減載、減少對(duì)橋臺(tái)的干擾與加速施工。首先在卸荷減載方面，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)性，故可有效降低對(duì)高速公路路基附加應(yīng)力。當(dāng)路基排水條件相同時(shí)，附加應(yīng)力越大，超孔隙水壓力消散耗時(shí)會(huì)越多，固結(jié)沉降的時(shí)間亦會(huì)越長(zhǎng)。此外，高速公路路基還對(duì)填筑高度有限制，使用新型泡沫輕質(zhì)混凝土，可降低超孔隙水壓力，縮短路基固結(jié)沉降時(shí)間，提高填筑高度，加快施工進(jìn)度。其次，在橋臺(tái)干擾方面，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有固化自立性，不會(huì)對(duì)橋臺(tái)與擋墻側(cè)形成過大的壓力，因而有利于橋臺(tái)穩(wěn)定的控制。此外，與常規(guī)土體填料相比，新型泡沫輕質(zhì)混凝土逐層澆筑施工對(duì)側(cè)向結(jié)構(gòu)物作用有很大的不同。對(duì)于常規(guī)土體，隨著填筑高度的增加，填土對(duì)側(cè)向結(jié)構(gòu)物土壓力會(huì)線性增大，可采用朗肯或庫倫理論進(jìn)行土壓力的計(jì)算；而對(duì)于新型泡沫輕質(zhì)混凝土，在填筑高度不斷增加的影響下，下層先澆筑的混凝土并不會(huì)造成側(cè)向結(jié)構(gòu)物土壓力的明顯變化。最后在加速施工方面，新型泡沫輕質(zhì)混凝土有較高的變形模量與很小的壓密沉降，且澆筑無需大型機(jī)械與后期靜置，只需在強(qiáng)度形成后便能投入運(yùn)營(yíng)，故能大幅提升施工速度，縮短施工周期。

2.2 明洞回填

在明洞回填方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)與學(xué)者也在近期有所突破。在廈門海滄隧道工程中，梁紅晶[7]等學(xué)者對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土與C15片石混凝土在工程中的效益進(jìn)行了對(duì)比，論證了泡沫輕質(zhì)混凝土在工程客觀條件允許下取代片石混凝土的可行性與增益。在施工工期上，片石混凝土需要40 d而泡沫輕質(zhì)混凝土只需20 d左右，且無需考慮雨水天氣的影響。在工程造價(jià)方面，泡沫輕質(zhì)混凝土可以單項(xiàng)帶來300萬人民幣的成本節(jié)約，且由于其施工難度低，人員易控制，生產(chǎn)組織方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，后期的運(yùn)營(yíng)也可以規(guī)避許多不確定性因素，從而有效保證工期。

2.3 陡坡減重

李粒生和谷波等利用對(duì)不同初始荷載下RC梁的極限承載力進(jìn)行分析，根據(jù)加固梁的極限破壞分析對(duì)梁的最大鋼筋加同量和正截面承載力的計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，并利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行驗(yàn)證，確定了泡沫輕質(zhì)混凝土在保證強(qiáng)度的條件下，可有效減少結(jié)構(gòu)的自重，這對(duì)于陡坡穩(wěn)定有著重要意義。確定了泡沫輕質(zhì)混凝土是一種新型輕質(zhì)環(huán)保節(jié)能材料，具有質(zhì)輕、流動(dòng)性高、耐久性好、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)以及施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軟土地基路段、臺(tái)背填筑、道路擴(kuò)建、山區(qū)陡峭路段的填筑、加固梁破壞時(shí)，其內(nèi)部縱向受拉鋼筋都屈服，并且梁的破壞模式屬于適筋破壞。

3 結(jié)語

介紹了泡沫輕質(zhì)混凝土的相關(guān)資料，并著重闡述了抗壓強(qiáng)度、孔隙率等力學(xué)知識(shí)及其在交通土建領(lǐng)域的應(yīng)用。在實(shí)際問題中，可采用不同配合比、水膠比、外加劑的泡沫混凝土，必要時(shí)使用不同密度的泡沫輕質(zhì)混凝土疊合，也可以通過實(shí)測(cè)和專家調(diào)查法進(jìn)一步提高泡沫混凝土與其他建材的兼容性。同時(shí)，需要探究不同的配比對(duì)混凝土力學(xué)的影響以尋找處理不同狀態(tài)問題的最優(yōu)方案。