泡沫輕質混凝土單軸循環加卸載試驗研究

蘇　謙，趙文輝，王亞威，劉　寶，劉　杰

(1.西南交通大學土木工程學院，成都　610031；2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都　610031)

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泡沫輕質混凝土單軸循環加卸載試驗研究

蘇謙1，2，趙文輝1，2，王亞威1，2，劉寶1，2，劉杰1，2

(1.西南交通大學土木工程學院，成都610031；2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031)

為研究循環加卸載對泡沫輕質混凝土力學性能的影響，采用微機控制電子萬能試驗機對濕密度為700 kg/m3的泡沫輕質混凝土試樣開展3組方案的循環加卸載試驗，重點研究循環加卸載對其應力-應變曲線、峰值強度、彈性模量的影響。研究結果表明：隨著循環加卸載的進行，應力-應變曲線出現不斷遷移的現象，且對于3種試驗方案，第一次循環加卸載引起的遷移值最大，而后，采用加卸載方案1、方案2，遷移值隨著加卸載次數增加而減小，采用加卸載方案3，遷移值隨著加卸載次數的增加先減小后增加；對于3種加卸載方案，峰值強度隨著加載幅值的增加而增大，且隨著循環加卸載次數的增加而增大；對于3種加卸載方案，第1次加卸載對彈性模量影響最大，而后，對于試驗方案1、方案2，彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而增加，而對于試驗方案3，彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而減小。

泡沫輕質混凝土；循環加卸載試驗；應力-應變曲線；峰值強度；彈性模量

1　概述

泡沫輕質混凝土是近些年發展的一種新型材料[1]。它主要由水泥(固化材料)、水與原料土(砂或砂性土或低液限土，可不用)按一定比例充分混合形成漿體，然后再與一定比例的足夠細小的穩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[2]。由于該材料具有自重輕、強度高、流動性好、性能穩定、直立性強、環境影響低等優點[3-4]，在巖土工程中應用較為廣泛，如軟土地基處理[5-6]、路基加寬[7]、橋背回填及沿海地基填充[8-9]等。將泡沫輕質混凝土用于換填土時，考慮施工過程中，由于施工機械碾壓等外加荷載作用下，該材料處于反復加卸載作用下，改變材料的力學特性，進而影響構造物的穩定性和安全性。因此有必要開展循環加卸載試驗對泡沫輕質混凝土力學性能影響的研究。為此，本文采用3種試驗方案對常用濕密度為700 kg/m3的泡沫輕質混凝土開展單軸循環加卸載試驗，研究循環加卸載對應力-應變曲線、峰值強度、彈性模量的影響，為工程建設提供一定的參考依據。

2　材料與試樣制備

制備泡沫輕質混凝土試樣的材料為普通硅酸鹽水泥PO42.5(表1)；發泡劑(FL-1型)(表2)。

表1　PO42.5水泥的化學組成和物理性能

表2　發泡劑的化學組成和物理性能

制備試樣時，按照配比(水泥為415.2 kg/m3，水269.9 kg/m3)分別稱取水泥及水若干，充分攪拌均勻后，加入發泡裝置(圖1)制備的泡沫，攪拌至要求。實驗中要求水泥漿制備的水灰比為0.65，濕密度誤差不超過1%。試樣為圓柱體φ50 mm×100 mm，養護時間為28 d，制備過程見圖2。

圖1　發泡裝置

注：①澆筑→②刮平(養護24 h后)→③拆模、成型→④養護(試樣由保鮮膜包裹，放置在標準養護室內)。圖2　試樣制備過程

3　試驗目的和方法

為了研究循環加卸載條件下，泡沫輕質混凝土的力學性能，采用WDW系列微機控制電子萬能試驗機對試樣進行單軸循環加卸載試驗。結合現場實際工況，加載幅值取無側限抗壓強度的0和1倍(0倍代表輕質混凝土施工后無外力干擾，1倍代表泡沫輕質混凝土出現結構破壞)內3種工況，即采用3種加卸載幅值試驗方案，即幅值分別為無側限抗壓強度的0.25、0.5、0.75倍，其中加卸載幅值與無側限抗壓強度取值見圖3。結合現場施工工藝，土料最優含水狀態時，一般需碾壓6～8次滿足規范要求，同時考慮土料運輸時，機械車輛對泡沫輕質混凝土填料的影響，取循環加卸載極限周期為20次。為分析循環加卸載周期對泡沫輕質混凝土力學性能的影響，對3種試驗方案均進行循環加卸載1、3、5、10、20次。在對比試驗中，試樣采用一次澆筑完成，并且采用同一條件下養護，保證試樣的一致性。

圖3　加卸載幅值與無側限抗壓強度取值

4　試驗成果和分析

結合泡沫輕質混凝土單軸壓縮和單軸循環加卸載試驗結果，對該材料的循環加卸載應力-應變曲線、峰值強度和彈性模量變化進行分析。

4.1循環加卸載應力-應變曲線

對濕密度為700 kg/m3的泡沫輕質混凝土試樣開展無側限抗壓強度實驗，其應力-應變曲線如圖4所示。

圖4　泡沫輕質混凝土應力-應變曲線

由圖4可知，應力-應變曲線主要分為：調整階段、彈性階段、脆性階段、屈服階段。工程實際中，工程機械碾壓或堆卸載對泡沫輕質混凝土材料的附加應力主要集中在彈性階段或脆性階段。分別采用3種試驗方案對泡沫輕質混凝土試樣進行循環加卸載單軸壓縮試驗，取循環加卸載10次，應力-應變曲線如圖5所示。

圖5　泡沫輕質混凝土單軸循環加卸載應力-應變曲線

從圖5可知，經歷過3種加卸載方案后，試樣峰值強度應力-應變曲線應力均出現跌落現象，表現出明顯的脆性破壞特性。隨著循環加卸載的不斷進行，3種試驗方案加卸載應力-應變曲線均出現內凹形曲線，應力-應變回滯環有不斷向前“遷移”的現象，且遷移值隨著循環加卸載幅值的增加而改變。遷移值與加卸載次數關系曲線如圖6所示。其中3種加卸載方案，2～10次加卸載引起的遷移值見主坐標，1次加卸載引起的遷移值見次坐標。其中遷移值計算如下，即

(1)

式中，Δsi為第i次加卸載引起的遷移值；si為第i次加卸載卸載后豎向位移；si-1第i-1次加卸載卸載后豎向位移。

圖6　遷移值與加卸載次數關系曲線

從圖6可知，3種試驗方案第1次循環加卸載引起的遷移值最大，分別為0.264、0.379 5、0.417 4 mm。經歷1次加卸載后，采用加卸載方案1、方案2，遷移值隨著加卸載次數增加而減小；而采用加卸載方案3，遷移值隨著加卸載次數的增加先減小后增加；對3種試驗方案對比分析，遷移值隨著加卸載幅值的增加而增加。分析原因：首次加卸載時，試樣表面的缺陷被壓平及內部缺陷被壓實，遷移值較大。對于試驗方案1、方案2，其循環加卸載幅值處于彈性階段，第1次循環加卸載后，仍有部分缺陷未被壓實，則隨著循環加卸載次數的增加，試樣內部缺陷逐漸被壓實且伴隨微裂紋的擴展(主要從峰值強度分析可知)；而對于試驗方案3，第1次循環加卸載后，試樣內部缺陷幾乎被壓實，則隨著循環加卸載次數的增加，試樣內部微裂紋擴展逐漸增加，表現為遷移值累計值逐漸增加，且當循環加卸載次數達到8次后，微裂紋逐漸貫通發展為宏觀裂紋遷移值隨著加卸載次數的增加而增加。

4.2峰值強度分析

對經歷3種加卸載不同次數后試樣進行單軸壓縮試驗，測試其抗壓強度，即峰值強度。得到峰值強度與循環加卸載次數關系曲線，見圖7。

圖7　峰值強度與循環加卸載次數關系曲線

從圖7可知，對于3種加卸載方案，試樣經歷相同加卸載次數后，峰值強度降低程度隨著加載幅值的增加而增大；峰值強度降低程度隨著循環加卸載次數的增加而增大，對于試驗方案1，經歷1、20次循環加卸載，其峰值強度分別為3.835、3.689 MPa，分別為無側限抗壓強度的95.70%、92.05%；而對于試驗方案2、方案3，其峰值強度分別為無側限抗壓強度的91.12%、83.20%和85.19%、64.73%。說明第一次循環加卸載對峰值強度影響較大，且前5次循環加卸載次數對試驗方案1、方案2峰值強度影響較大，而經歷5次循環加卸載后，循環加卸載對峰值強度影響較小；而對于試驗方案3，隨著循環加卸載次數的增加，峰值強度均減小。

4.3彈性模量分析

本文結合泡沫輕質混凝土應力-應變曲線及文獻[10-12]中的公式，采用加載峰值和0.1倍無側抗壓強度對應的應力增量與軸向應變增量的比值作為泡沫輕質混凝土的彈性模量，即

(2)

式中，Δσ為應力增量；Δε為軸向應變增量；σmax、εmax為加載峰值時對應的應力和應變；σ0.1max、ε0.1max為0.1倍無側抗壓強度對應的應力和應變。對循環加卸載次數為20的彈性模量進行分析，得到彈性模量與循環加卸載次數的關系曲線，見圖8。

圖8　彈性模量與循環加卸載次數關系曲線

從圖8可以看出，對于3種試樣加卸載方案，第一次加卸載對彈性模量影響最大，分別增加23.40%、20.08%、26.00%。而后，對于試驗方案1、方案2，彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而增加，但增加效果不明顯，試樣經歷20次循環加卸載后相對于1次循環加卸載彈性模量分別增加了6.92%、6.31%；而對于試驗方案3，彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而減小，試樣經歷20次循環加卸載后相對于1次循環加卸載彈性模量減小約5.68%。分析原因：第1次循環加卸載后，試樣內部缺陷被壓密和釋放中，有一部分缺陷在卸載完成后沒有完全釋放，則在加載過程中試樣彈性模量有明顯增大現象，且循環加卸載幅值越大，彈性模量增加越大；對于試驗方案1、方案2，第1周循環加卸載后，試樣彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而緩慢增加，說明循環加卸載幅在彈性范圍內，第一周循環加卸載后仍有部分缺陷沒有被壓密，隨后加卸載這部分缺陷逐漸被壓密；但對于試驗方案3，則出現彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而緩慢減小的現象，說明循環加卸載幅值超出彈性范圍，循環加卸載作用下，試樣內部微裂紋將在每次循環加卸載過程中發生新的斷裂擴展，導致試樣的損傷逐漸累積，主要表現為彈性模量逐漸減小。

5　結論

鑒于循環加卸載對泡沫輕質混凝土力學性能研究的成果較少，本文采用微機控制電子萬能試驗機對濕密度為700 kg/m3的泡沫輕質混凝土試樣進行了單軸循環加卸載試驗，重點研究了循環加卸載對其應力-應變曲線、峰值強度、彈性模量的影響，得出了如下結論。

(1)隨著循環加卸載的不斷進行，出現內凹形曲線，應力-應變回滯環有不斷向前“遷移”的現象，且3種試驗方案第一次循環加卸載引起的遷移值最大，經歷1次加卸載后，采用加卸載方案1、方案2，遷移值隨著加卸載次數增加而減小；而采用加卸載方案3，隨著加卸載次數的增加，遷移值先減小后增加。

(2)對于3種加卸載方案，試樣經歷相同加卸載次數后，峰值強度降低程度隨著加載幅值的增加而增大；峰值強度降低程度隨著循環加卸載次數的增加而增大。

(3)對于3種試樣加卸載方案，第一次加卸載對彈性模量影響最大，而后，對于試驗方案1、方案2，彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而增加，而對于試驗方案3，彈性模量隨著循環加卸載次數的增加而減小。

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Experiment of Foamed Lightweight Concrete under Uniaxial Cyclic Loading and Unloading Conditions

SU Qian1，2, ZHAO Wen-hui1，2, WAGN Ya-wei1，2, LIU Bao1，2， LIU Jie1，2

(1.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

In this paper， computer-controlled electronic universal testing machine is used to study the effect of cyclic loading and unloading on foamed lightweight concrete mechanical properties. Loading and unloading experiments are performed on the foamed lightweight concrete with the wet density of 700 kg/m3to study the influence of loading and unloading on such mechanical properties of foamed lightweight concrete as stress-strain behavior， peak strength and elastic modulus. The results show that the stress-strain curves of the foamed lightweight concrete continue migration with the progresses of cyclic loading and unloading. For the three experiment programs， the migration values of the first loading and unloading are the largest. After that， the migration values decrease with the increase of the number of loading and unloading for experiment program1 and 2. But for program3， the migration values first decrease and then increase with the increase of the number of loading and unloading. For the three experiment programs， the peak strength increases with the increase of load amplitude and also increases with the increase of the number of loading and unloading. The first loading and unloading experiment has the biggest impact on the elastic modulus for the three experiment programs. After that， the elastic modulus increases for the experiment program1， 2 and decreases for the experiment program3 with the increase of the number of loading and unloading.

Foamed lightweight concrete; Loading and unloading experiment; Stress-strain curve; Peak strength; Elastic modulus

2015-12-14；

2015-12-26

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2014G003-E)；教育部新世紀人才計劃項目(NCET-12-0941)

蘇謙(1972—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為土工設計理論與新結構，E-mail:suqian@126.com。

1004-2954(2016)08-0021-04

TU528.2

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.005