泡沫輕質土處治路基耐久性能研究

張 強，王 鑫

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市300051；2.天津津質工程技術咨詢有限公司，天津市300092）

泡沫輕質土處治路基耐久性能研究

張 強1，王 鑫2

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市300051；2.天津津質工程技術咨詢有限公司，天津市300092）

通過室內試驗，分析了泡沫輕質土的疲勞特性及不同因素對其耐久性能的影響，并結合實際路面結構受力情況，實測了泡沫輕質土用于路基填筑的使用壽命情況。試驗結果表明：泡沫輕質土具有良好的耐久性，能夠滿足公路工程設計使用年限的要求。

現澆泡沫輕質土；耐久性能；疲勞試驗；耐腐蝕性試驗

0 引言

泡沫輕質土具有良好的輕質性和流動性、低的滲透性及強的隔熱性，在道路工程中得到了廣泛應用[1]。相關研究表明，在合理配比且嚴格控制施工條件下，泡沫輕質土的無側限抗壓強度、回彈模量、剪切強度等力學性能均能滿足道路應用需求[2，3]。但作為路基處治材料，其耐久性能將直接影響道路的耐久性，因此有必要對其進行深入研究。

泡沫輕質土的耐久性反映了其在不同外在因素長期作用下的力學性能穩定性。這些外在因素，通常為循環荷載、干濕交替、凍融交替及腐蝕性物質的化學侵蝕等[4]。

為評價泡沫輕質土的耐久性，以無側限抗壓強度的變化值來定義耐久系數k：

顯然，耐久系數越大，說明泡沫輕質土在某一外在因素作用下的耐久性越好，反之亦然。

1 試驗所用配合比

為了研究泡沫輕質土的耐久性能，本文選取了4種泡沫輕質土的配合比，如表1所示。

表1 試驗所用泡沫輕質土的配合比

2 疲勞試驗

疲勞試驗采用基本配合比A，根據相關試驗方法[5]，加載方式采用三分點加載，這主要是為了保證梁底面能有一段彎矩相等的均勻拉區；另外由于該種材料的極限應變較小，破壞形式為脆性破壞，因此采用應力控制模式。試件A的拉彎強度見表2。不同應力比（y）條件下，試件的疲勞壽命（用荷載循環作用次數N來表示）試驗結果見表3。

表2 試件A的拉彎強度

表3 試件A的疲勞試驗結果

由表3試驗結果，可得到試件A在50%和95%保證率下的疲勞曲線及疲勞方程，如圖1、圖2所示。

圖1 疲勞曲線（50%保證率）

圖2 疲勞曲線（95%保證率）

為了進一步分析泡沫輕質土路基在車輛荷載作用下的疲勞性能，選取典型路面結構（見表4），建立有限元模型進行分析。

分別對100、200、300 kN軸載作用下，路基處理前后的應力、應變進行計算。表5、表6分別為標準荷載作用下，路基不同深度處的應力及應變計算結果。

表4 路面結構及路基處理計算參數

表6 標準荷載作用下路基不同深度處應變對比表

由表5、表6可以看出，在路基頂面下104 cm處，附加壓應變與自重壓應變的比值、附加壓應力與自重壓應力的比值在路基處理后都要比路基未處理時明顯減小，說明對路基進行處理可大大降低其所承受的應力水平。以附加壓應變與自重壓應變的比值及附加壓應力與自重壓應力的比值均小于0.2為基準，確定標準荷載作用下路基工作區深度為1.3～1.5 m。

為了進一步分析路基在重載作用下的應力和應變，對200、300 kN兩種重軸載情況進行計算，表7、表8分別給出了200 kN荷載作用下路基的應力和應變計算結果。

表7 200 kN荷載作用下路基不同深度處應力對比表

表8 200 kN荷載作用下路基不同深度處應變對比表

由表7、表8可以看出，在重載作用下，在路基頂面下104 cm處，附加壓應變與自重壓應變的比值及附加壓應力與自重壓應力的比值在路基處理后都要比路基未處理時明顯減小。考慮重載車輛荷載的敏感性，以附加壓應變與自重壓應變的比值及附加壓應力與自重壓應力的比值均小于0.1為基準，確定200 kN荷載作用下路基工作區深度為1.8～2.0 m。

表9、表10分別給出了在300 kN荷載作用下路基的應力和應變計算結果。

同樣以附加壓應變與自重壓應變的比值及附加壓應力與自重壓應力的比值均小于0.1為基準，確定 300 kN荷載作用下路基工作區深度為2.3～2.5 m。

當泡沫輕質土距離路基頂面的厚度大于25 cm時，汽車等外部荷載（輪胎接地壓強 P0為0.70 MPa）所引起的輕質土表面的附加應力不超過總應力的1/5（0.14 MPa），現按0.14 MPa考慮，輕質土強度取疲勞試驗的強度均值0.88 MPa，則應力比y=0.16。按95%保證率下的疲勞方程，可計算出在此應力比下泡沫輕質土的疲勞壽命N≈1029次。顯然，對于一般公路工程的使用年限來說，這一疲勞壽命是完全足夠的。

表9 300 kN荷載作用下路基不同深度處應力對比表

表10 300 kN荷載作用下路基不同深度處應變對比表

3 干濕循環對泡沫輕質土性能的影響

對表1中4種配合比的泡沫輕質土進行干濕循環試驗。試驗條件：試件標準養生28 d后，在50℃恒溫箱中放置2 d，然后在水中完全浸泡1 d，此為1次干濕循環。分別測試試件經歷干濕循環1、5、10次后的無側限抗壓強度及耐久系數。試驗結果見表11所示。

由表11可知，在試驗初期，試件的無側限抗壓強度大約降低10%～20%，此后，隨著循環次數的增加，試件的無側限抗壓強度趨于穩定。干濕循環作用下，泡沫輕質土的耐久系數均在0.9左右，說明該種材料具有較好的耐久性。另外，泡沫輕質土的無側限抗壓強度與其配合比有很大關系，在實際應用中，必須根據工程條件合理進行配合比設計，并嚴加控制。

表11 干濕循環試驗結果

4 凍融循環對泡沫輕質土性能的影響

為了明確凍融循環對泡沫輕質土性能的影響，仍然采用A、B、C、D這4種配合比進行凍融循環試驗。試驗條件：將標準養生28 d的試件凍結（-24℃下24 h），然后在恒溫恒濕箱（21℃下24 h）中融解作為1次凍融循環，共進行10次凍融循環試驗。結果見表12所示。

由表12可知，經過凍融循環后所有配合比試件的無側限抗壓強度均有所降低，經歷第1次凍融循環后的降幅較大，隨后趨于平緩。試驗過程中，未發現試件表面有破壞現象,說明泡沫輕質土的抗凍融性能較好。

5 耐腐蝕性試驗

耐腐蝕試驗項目、試驗條件及試驗結果見表13。由表13可知，泡沫輕質土的耐堿腐蝕性能較耐酸腐蝕性能好。實際上，泡沫輕質土的強度主要由其孔隙骨架提供，其耐酸、耐堿性能與普通混凝土類似，能夠滿足工程應用要求。

6 結語

（1）通過疲勞試驗，確定了泡沫輕質土的疲勞方程，并計算了泡沫輕質土在0.16應力水平下，95%保證率的疲勞壽命約為1029次，說明泡沫輕質土能夠滿足公路設計要求。

表12 凍融循環試驗結果

表13 耐腐蝕試驗

（2）干濕循環試驗結果表明，試驗初期試件的無側限抗壓強度有所降低，大約為10%～20%，隨著干濕循環次數的增加，試件的無側限抗壓強度趨于穩定。試件的耐久系數約為0.9，說明泡沫輕質土具有較好的耐久性能。

（3）凍融循環試驗表明，經過凍融循環，試件的無側限抗壓強度有所降低，在經歷第1次凍融循環后降幅較大，隨后趨于平緩，耐久系數在0.9左右，且試驗過程中未發現試件表面有破壞現象，說明泡沫輕質土的抗凍融性能較好。

（4）泡沫輕質土的強度主要由其孔隙骨架提供，其耐堿腐蝕性能較好，與普通混凝土類似。

[1]張怡偉,封棟杰,王新岐.泡沫輕質土處治軟基性能研究[J].筑路機械與施工機械化,2015(6):57-60,65.

[2]馮煒,雷學通,王新岐.現澆泡沫輕質土力學性能的試驗研究[J].城市道橋與防洪,2015(5):205-207,216,230.

[3]李洪亮,孫吉書,李鴻運,等.泡沫輕質土的力學與疲勞特性分析[J].低溫建筑技術,2016(10):97-98,111.

[4]劉潔,李洪亮.泡沫輕質土穩定性的試驗研究[J].公路交通科技(應用技術版),2016(6):54-55.

[5]JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].

U414.1

A

1009-7716（2017）09-0200-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.061

2017-04-26

張強(1989-),男，內蒙古呼和浩特人，碩士，助理工程師，從事道路工程研究工作。