氣泡輕質(zhì)土應力應變特性及耐久性研究

趙運會　劉華強　樊曉一　張玲玲　楊琪

摘要：針對氣泡含量對氣泡輕質(zhì)土抗剪強度及凍融循環(huán)對其抗壓強度和吸水率的影響問題，通過三軸試驗和抗壓強度試驗，對氣泡輕質(zhì)土的力學特性進行了研究，得出以下結論：隨著氣泡含量的減小，氣泡輕質(zhì)土的破壞峰值逐漸增大；當混合料比例一定時，凍融循環(huán)對氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響較弱，氣泡含量對吸水率影響較??；氣泡輕質(zhì)土粘聚力隨著氣泡含量的增加而減小，內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

關鍵詞：氣泡輕質(zhì)土；氣泡含量；抗剪強度；抗壓強度

中圖分類號：U416.21文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the influence of foam content onshear strength， compressive strength and water absorption of foamed cement banking， the mechanical properties of foamed cement banking were studied. The following conclusions were drawn based on a large number of triaxial tests and compressive strength tests：the peak of destruction to foamed cement banking mounts when the foam content drops； when the proportion of mixture is fixed， the effect of freezethaw cycles and foam content on the water absorption is weak； with the increase of foam content， the cohesion diminishes， while the inner friction increases at first and then decreases.

Key words： foamed cement banking； foam content； shear strength； compressive strength

0引言

氣泡輕質(zhì)土是一種新材料，是按照一定比例在原料土中添加固化劑、水和氣泡，經(jīng)過充分混合、攪拌后形成的新型填土。由于該材料的輕質(zhì)性、強度可調(diào)節(jié)性、高流動性以及固化后的自立性，使其具有施工性、耐久性好和隔熱隔音等優(yōu)點，在工程實踐中得到廣泛應用[12]。

綜合研究表明，氣泡輕質(zhì)土的物理力學特性受多種因素的耦合作用[34]，本文在已有研究成果的基礎上，改變氣泡含量，通過三軸壓縮和抗壓強度試驗，研究氣泡輕質(zhì)土的應力應變特性及凍融循環(huán)對其抗壓強度和吸水率的影響，對于認識氣泡輕質(zhì)土的力學性能和變形機理，以及揭示氣泡輕質(zhì)土的不均勻變形和分析氣泡輕質(zhì)土破壞原因，具有重要意義。

1試驗準備

1.1試驗材料

水泥固化劑為P·O42.5普通硅酸鹽水泥；發(fā)泡劑為KC30水泥發(fā)泡劑；原料土為雅安地區(qū)的過濕土；水為自來水。篩分試驗表明，土體類別為粉砂土，粒徑級配曲線如圖1所示。土體物理力學參數(shù)見表1。

1.2試驗方案

氣泡混合輕質(zhì)土是一種新型材料，對其物理力學

特性的研究目前無試驗規(guī)程，故參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）進行試驗。粉砂土質(zhì)量占混合料（粉砂土和水泥）質(zhì)量的比值稱為粉砂土含量，其中粉砂土與水泥的比例為1∶1，不包括氣泡中的含水量。氣泡含量為氣泡的質(zhì)量占混合料質(zhì)量的比值，取4種典型氣泡含量，分別為15%、2%、25%、30%，研究氣泡輕質(zhì)土抗剪強度的變化規(guī)律，以及凍融循環(huán)對其抗壓強度和吸水率的影響，試驗方案見表2。經(jīng)過大量的試驗驗證，當氣泡含量不變、齡期相同時，土樣的容重變化不明顯，氣泡對土樣的影響不顯著[56]。根據(jù)試驗設備的測量精度，設定每一種粉砂土含量的試件圍壓分別為01、02、04 MPa，結合經(jīng)驗選定不固結不排水剪試驗的應變速率為0.8 mm·min-1。試驗時，對試樣施加軸向壓力，試樣高度每減小02%（016 mm）進行一次量力環(huán)百分表讀數(shù)，直至讀數(shù)穩(wěn)定、急劇下降或豎向應變達到試樣高度的20%為止。

1.3樣品制備及養(yǎng)護

根據(jù)試驗設計配比稱取各試驗原料，先將水泥和粉砂土（烘干至恒重并篩取顆粒粒徑小于5 mm）加入水泥膠砂攪拌機進行攪拌；再將水倒入攪拌機內(nèi)均勻攪拌；然后將被水稀釋后的發(fā)泡劑用空氣壓縮機壓縮成氣泡后加入混合料中；達到規(guī)定體積后，將發(fā)泡混合料裝入模具（直徑為39.1 mm、高為80 mm的圓柱體）中，常溫條件下養(yǎng)護3 d，脫模后用薄膜密封，在常溫下養(yǎng)護至28 d齡期進行性能測試[710]。

1.4性能測試方法

三軸壓縮試驗是一種較完善的測定土體抗剪強度的試驗方法。根據(jù)試樣的排水情況，三軸試驗可分為不固結不排水剪試驗（UU）、固結不排水剪試驗（CU）和固結排水剪試驗（CD）。本試驗采用不固結不排水剪（UU）試驗，抗壓強度參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術規(guī)程》（CJJ/177—2012），采用ZwickZ100電子萬能材料試驗機，以2 kN·s-1的速度連續(xù)均勻加載，直到試件被破壞，記錄荷載，計算抗壓強度。

2不固結不排水剪試驗及結果分析

2.1氣泡輕質(zhì)混合土應力應變特性

繪制不同氣泡含量下試樣的應力應變曲線，如圖2所示。

由圖2可知：應力應變曲線具有非線性特征；相同氣泡含量的試樣隨著圍壓增大，曲線形態(tài)由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)化，強度不斷增大；相同圍壓時，隨著氣泡含量的減小，試件的破壞峰值逐漸增大，曲線開始由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)化；試件被破壞后的殘余強度無較大的波動。

當氣泡輕質(zhì)土經(jīng)過彈塑性變形發(fā)生塑性破壞后，完全處于彈塑性變形狀態(tài)，此時塑性變形階段的應力應變曲線近似為一條水平直線，土體處于單純的壓密變形階段，最終土體發(fā)生破壞。土體的變形破壞機制是：在大主應力的作用下，土體在發(fā)生較大的軸向變形的同時，會引起較大的側(cè)向變形，從而在土樣中的某一中性面產(chǎn)生橫向張拉作用力，并形成直立或者傾角較大的縱向裂隙，最終導致土體破壞。

2.2氣泡混合輕質(zhì)土抗剪強度分析

根據(jù)應力應變的關系曲線，選取主應力差為破壞點，若沒有峰值，以應力路徑的密集點或按一定軸向應變（一般取15%，經(jīng)過論證也可根據(jù)實際情況選取破壞應變）的相應主應力差作為破壞強度值。在直角坐標軸上，以法向應力σ為橫坐標，剪應力τ為縱坐標，在平面上繪制莫爾應力圓，并繪制在不同圍壓下所得應力圓的公切線，此公切線即為莫爾破壞應力圓的抗剪強度包絡線，如圖3所示。

圖3不同氣泡含量下試樣的應力圓及抗剪強度包絡線

從圖3可以看出，莫爾應力圓公切線變化趨勢是隨應力的增加而增加，所以氣泡輕質(zhì)土材料基本符合莫爾庫倫破壞準則，可以用τ=σtan φ+c（φ為內(nèi)摩擦角，c為粘聚力）進行線性擬合。通過對不同氣泡含量下的氣泡輕質(zhì)土的試驗結果擬合，得到4種氣泡含量下的抗剪強度包絡線。包絡線的傾角為內(nèi)摩擦角φ，在縱軸上的截距為粘聚力c，計算得到氣泡混合輕質(zhì)土的抗剪強度指標c和φ，結果見表3、圖4。

從圖4可以看出，氣泡輕質(zhì)土粘聚力隨著氣泡含量的增加而減小，內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3凍融循環(huán)對氣泡輕質(zhì)土的影響

3.1凍融循環(huán)對氣泡輕質(zhì)土抗壓強度的影響

圖5為不同氣泡含量下的氣泡輕質(zhì)土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖5可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同氣泡含量的氣泡輕質(zhì)土抗壓強度逐漸減小，氣泡含量越大，抗壓強度下降得越快。當氣泡含量在25%～30%時，凍融循環(huán)1次之后，氣泡輕質(zhì)土的抗壓強度基本保持不變；氣泡含量在15%～20%時，凍融循環(huán)1次之后，其抗壓強度緩慢降低。原因為：氣泡輕質(zhì)土在泡水之后，吸收大量的水分，當試樣在低溫環(huán)境下，氣泡中的水開始凝結，體積增大，使氣泡輕質(zhì)土內(nèi)部結構發(fā)生破壞，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這種破壞進一步發(fā)展，使其力學性能降低。當氣泡輕質(zhì)土中的氣泡含量增多時，試樣內(nèi)部空隙較大，水凝結之后體積增大，對其內(nèi)部結構影響較小，故隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗凍融開裂能力基本不變，抗壓強度基本保持不變。

圖5凍融循環(huán)對氣泡輕質(zhì)土抗壓強度的影響

3.2凍融循環(huán)對氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響

圖6為凍融循環(huán)前后不同氣泡含量下的氣泡輕質(zhì)土吸水率變化曲線。從圖6可以看出，氣泡輕質(zhì)土的吸水率隨著氣泡含量的增加而增加。當混合料比例一定時，凍融循環(huán)次數(shù)對氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響較弱，氣泡含量對其吸水率的影響也較小。凍融循環(huán)對氣泡輕質(zhì)土的內(nèi)部結構雖然產(chǎn)生了破壞，但氣泡破損較少，導致其吸水率基本保持不變。

4結語

本文為了研究不同氣泡含量對氣泡輕質(zhì)土抗剪強度的影響，進行了不固結不排水常規(guī)三軸壓縮試驗及凍融循環(huán)試驗，探討了氣泡含量與氣泡輕質(zhì)土抗剪強度之間的關系及凍融循環(huán)對其抗壓強度和吸水率的影響，得出如下結論。

（1）氣泡輕質(zhì)土在不固結不排水條件下應力應變的變化規(guī)律為：在相同氣泡含量下，隨著圍壓增大，曲線形態(tài)由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)化，強度不斷增大；在相同圍壓下，隨著氣泡含量的減小，試件的破壞峰值逐漸增大，曲線開始由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)化。

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同氣泡含量的氣泡輕質(zhì)土抗壓強度逐漸減小，氣泡含量越大，抗壓強度下降相對越快。當混合料比例一定時，凍融循環(huán)對氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響較弱，氣泡含量對其吸水率的影響也較小。

（3）隨著氣泡含量的增加，氣泡輕質(zhì)土的粘聚力逐漸減小，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

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[責任編輯：杜敏浩]