現澆泡沫輕質土力學性能的試驗研究

馮 煒 ，雷學通 ，王新岐 ,2

（1.天津市市政工程設計研究院,天津市 300051；2.天津市基礎設施耐久性企業重點實驗室，天津市 300051）

0 前言

現澆泡沫輕質土是指用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經物理化學作用形成的一種輕質材料[1-2]。

作為一種新型的路基填料，有必要對其力學強度及影響因素進行研究，了解力學性能和特性，分析其作為路基填料的路用性能。

1 試驗所用配合比

為了研究現澆泡沫輕質土的各項力學性能，本文制定了五種配合比，各配合比有不同的水泥質量與原料土質量比，并采用不同劑量的發泡劑。各配合比組成及容重見表1。

表1 試驗所用現澆泡沫輕質土配合比

2 無側限抗壓強度及影響因素

無側限抗壓強度是現澆泡沫輕質土力學性能最基本的評價指標[3-4]，主要圍繞以下因素開展試驗：

（1）原料土和氣泡含有率對無側限抗壓強度的影響；

（2）固化材料對無側限抗壓強度的影響；

（3）養生環境對無側限抗壓強度的影響；

（4）養生溫度與齡期對無側限抗壓強度的影響。

2.1 原料土、氣泡含有率對抗壓強度的影響

為了判斷原料土、氣泡含有率對無側限抗壓強度的影響，采用普通硅酸鹽水泥，分別固定六組配合比中河砂和水泥的比例（分別為5、4、3、2、1、0），只改變氣泡的含有率，觀測無側限抗壓強度的變化情況，結果見圖1。

圖1 氣泡含有率與無側限抗壓強度關系

由試驗結果可得如下結論：

（1）隨著氣泡含有率的增加，現澆泡沫輕質土的無側限抗壓強度會逐漸降低；

（2）在氣泡含有率相同的情況下，河砂與水泥的比例越大無側限抗壓強度就越低；

（3）對于普通硅酸鹽水泥，氣泡含有率大于70%后，其無側限抗壓強度即低于0.4MPa，工程上已經很少采用。

選取三組配合比P1、P2及P3，其中，P1配合比砂與水泥的質量比5，P2為3，P3為0，為純水泥性現澆泡沫輕質土。三種配合比采用相同的氣泡含有率，其無側限壓縮破壞試驗的應力應變曲線見圖2。

圖2 不同砂與水泥比的無側限壓縮破壞試驗應力-應變曲線

可以看出，含砂量多的P1曲線表現為脆性破壞；不含砂的P3曲線表現為塑性破壞；P2的破壞形式則介于P1和P3之間。這提示我們，配合比不僅影響現澆泡沫輕質土的強度，同時也控制了其壓縮破壞特性。隨著含砂量的增加，現澆泡沫輕質土的無側限壓縮破壞形式由塑性變為脆性，其強度越大，變形能力則越弱。

2.2 固化材料種類對無側限抗壓強度的影響

現澆泡沫輕質土是一種功能性水泥基復合材料，其主要固化材料為水泥。而水泥種類的不同和水泥標號的不同必然會對其強度造成影響。

2.2.1 水泥材料種類對無側限抗壓強度的影響

為了比較水泥種類對無側限抗壓強度的影響，在不改變配合比和其他原材料的情況下，水泥材料分別采用相同標號的高爐礦渣水泥和普通硅酸鹽水泥，分別比較它們的1周和4周強度，試驗結果見圖3。結果表明，在其他條件相同的情況下，采用高爐礦渣水泥比采用普通硅酸鹽水泥的無側限抗壓強度高。

2.2.2 水泥標號對無側限抗壓強度的影響

為了研究水泥固化材料的標號對現澆泡沫輕質土無側限抗壓強度的影響，采用配合比E進行試驗。試驗在不改變配合比和其他原材料的情況下進行，水泥分別采用標號為32.5R、42.5R、52.5R的普通硅酸鹽水泥，分別比較不同標號試件養護28 d后的強度。

圖4 不同水泥標號現澆泡沫輕質土無側限抗壓強度

試驗結果見圖4。試驗結果表明，在其他配合比及材料保持不變的情況下，現澆泡沫輕質土的無側限抗壓強度隨著水泥固化材料標號的增加而增加。當水泥標號由32.5R增加到42.5R時，現澆泡沫輕質土的無側限抗壓強度增加了9.7%，而水泥標號由42.5R增加到52.5R時，無側限抗壓強度增加了3.4%，其增加幅度有所減小。

3 CBR和回彈模量試驗

CBR和回彈模量是路基填料承載力的重要指標。其中CBR是表征路基填料抵抗局部荷載壓入變形能力的一種強度指標，回彈模量表征其作為路基土填料時的整體承載能力。

3.1 CBR試驗

本次試驗采用了A和E兩種不同配比對現澆泡沫輕質土CBR值進行試驗。其中A配合比的原料土采用風積砂，水泥標號為32.5R，E配合比沒有摻入原料土，水泥標號為32.5R。CBR試驗結果見表2。

表2 配合比A、E兩種現澆泡沫輕質土CBR試驗結果

可以看出，現澆泡沫輕質土的CBR值遠大于規范要求。其作為一種輕質材料，雖然有大量的氣泡和空隙，但由于水泥材料自身形成的強度與膠結力的存在，使其整體剛度較高，抵抗局部荷載壓入的能力也較強。

3.2 回彈模量試驗

試件采用A、B、C、D四種配比進行分析，所用原料分別為32.5R水泥、風積砂，試件尺寸均為φ50×80 mm，養護齡期為28 d。試驗結果見表3。

表3 不同配合比現澆泡沫輕質土的回彈模量試驗（采用風積砂及32.5R水泥）

將各配合比現澆泡沫輕質土的回彈模量與其無側限抗壓強度進行線性擬合，結果見圖5。

圖5 回彈模量與無側限抗壓強度的關系

可以看出，現澆泡沫輕質土作為水泥基材料，相對于普通路基土，具有較大的回彈模量。不同配合比泡沫輕質的回彈模量與無側限抗壓強度具有一定的線形關系，回彈模量越大，其對應的無側限抗壓強度也越大。

4 剪切強度和特性研究

為研究現澆泡沫輕質土的剪切強度和剪切特性，采用直接剪切試驗測定其抗剪強度。本文采用未摻加原料土的E配合比，按照直接剪切試驗的試件形狀和大小成型、養生后，在0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa和0.20 MPa的垂直應力下進行直接剪切試驗，不同垂直應力下，最大剪應力及對應的水平位移見表4。

表4 不同垂直應力下的最大剪應力及對應水平位移

可以看出，在剪應力達到最大值之后，隨著水平位移的繼續增加，剪切應力不會立即消失，而是逐漸減小。當最大剪切應力出現之后的剪應力為殘留摩擦抵抗力，水平位移為最大剪切應力發生時的2倍對應的殘留摩擦抵抗力結果見表5。

表5 殘留摩擦抵抗力

從試驗結果可以看出，現澆泡沫輕質土試件垂直應力與最大剪應力并不存在正相關的關系，而是隨著垂直應力的增加，最大剪應力先增大后降低。現澆泡沫輕質土內部是多孔隙結構，在剪切面形成后，面上的孔隙之間在垂直的壓力下會產生一定的嵌擠作用，加上材料之間的摩擦力，使其具有較大的殘留摩擦抵抗力。所以在實際使用時，即使有裂縫發生，由于在垂直應力作用下，有最大剪應力70%以上的摩擦抵抗力存在，現澆泡沫輕質土仍具有一定抗剪能力，不至于發生急劇的變形。

5 結論

綜上所述，本文通過現澆泡沫輕質土力學性能試驗，對其力學特性進行了系統研究，得到主要結論如下：

（1）隨著氣泡含有率的增加，現澆泡沫輕質土的無側限抗壓強度會逐漸降低；在氣泡含有率相同的情況下，砂與水泥的比例越大無側限抗壓強度就越低。

（2）采用河砂的強度較采用風積砂的強度要高；用低液限粘土替代砂，輕質土的強度大幅降低，表明低液限粘土作為原料土的性能較差；采用高爐礦渣水泥比采用普通硅酸鹽水泥的無側限抗壓強度高；現澆泡沫輕質土的無側限抗壓強度隨著水泥固化材料標號的增加而增加，但增加的幅度逐漸減小。

（3）浸水養生和室外養生均會降低現澆泡沫輕質土的強度，現澆泡沫輕質土的抗壓強度在一定范圍內隨其養生溫度的升高而增大，隨養生齡期的增加而增大。

（4）現澆泡沫輕質土的CBR值及回彈模量均可滿足規范要求，其強度也較高。

（5）現澆泡沫輕質土的抗剪強度較高，并且現澆泡沫輕質土在垂直壓力作用下，剪切破壞形成破裂面后，仍能夠具有一定抗剪能力，防止自身發生急劇變形。

通過本次研究，對現澆泡沫輕質土的力學性能和特性有了較深入了解，為現澆泡沫輕質土的實際應用提供了參考和依據。

[1]項小偉.泡沫混凝土在道路拓寬工程中的應用[J].科技創新與應用,2013(31):190-191.

[2]董慶宇.泡沫混凝土在公路工程施工中的應用[J].科技傳播,2013(9):203-204.

[3]何國杰,丁振洲,鄭穎人.氣泡混合輕質土的研制及其性能[J].地下空間與工程學報,2009(1):18-22.

[4]陳忠平,王樹林.氣泡混合輕質土及其應用綜述[J].中外公路,2003(5):38.