泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能研究

摘要：泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能受其組成成分的影響。文章通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，選定不同配合比的泡沫輕質(zhì)土，研究其抗壓、彎拉以及疲勞等力學(xué)性能，得出不同的配合比條件下泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)條件不變，只改變泡沫輕質(zhì)土的配合比，其力學(xué)性能有著很大的變化;在一定范圍內(nèi)增加水泥摻量，泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能也會(huì)增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：泡沫輕質(zhì)土;水泥摻量;配合比;力學(xué)性能;變化規(guī)律

中圖分類(lèi)號(hào)：U416. 211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 2019. 12.01 8

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0061 - 04

0 引言

泡沫輕質(zhì)土是一種常見(jiàn)且應(yīng)用廣泛的輕質(zhì)工程材料，該材料的制作原料包括氣泡機(jī)產(chǎn)生的發(fā)泡劑泡沫、水泥漿、填充料以及外加劑等。這些原材料按照給定的比例混合在一起，會(huì)經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)和變化，包括物質(zhì)之間的化學(xué)作用和物理作用，還有自然養(yǎng)護(hù)。泡沫輕質(zhì)土的優(yōu)勢(shì)明顯，強(qiáng)度好、流動(dòng)性強(qiáng)且具輕質(zhì)性和自立性，就像水泥漿或水泥砂漿與泡沫均勻混合在一起，不僅保溫隔熱，還有環(huán)保功效，且施工方便，是用于代替常規(guī)填土或填充工程材料的不二選擇，因此，在包括道路擴(kuò)建在內(nèi)的諸多工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1 -3]。在實(shí)際的工程施工中，泡沫輕質(zhì)土的性能對(duì)于整個(gè)工程成本的高低、質(zhì)量的好壞以及工期的長(zhǎng)短都有著直接的影響。在泡沫輕質(zhì)土的制作過(guò)程中，固化劑的添加和氣泡、水的添加都要按照特定的比例，且在加入之后要充分?jǐn)嚢瑁_保混合均勻。所添加的固化劑分兩種，一種稱(chēng)之為主劑，一般是水泥，作用在于加強(qiáng)和固結(jié)土骨架;另一種稱(chēng)之為輔劑，一般是粉煤灰或其他細(xì)集料，作用在于降低成本，減少主劑的使用量。泡沫輕質(zhì)土的性能對(duì)于工程建設(shè)尤為重要，但其性能受組成成分和摻量的直接影響，因此研究不同配合比下泡沫輕質(zhì)土的性能意義重大。在本文的研究過(guò)程中，作者選擇室內(nèi)試驗(yàn)法，對(duì)選定的4種不同配合比的泡沫輕質(zhì)土做了力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出了泡沫輕質(zhì)土的性能變化規(guī)律，可作為具體工程施工中的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料

（1）原材料中硅酸鹽水泥的選用要嚴(yán)格符合《普通硅酸鹽水泥》[4]中的標(biāo)準(zhǔn)，選用級(jí)別應(yīng)該在42.5級(jí)及以上，且只有密度大約為3 100 kg/m3的普通硅酸鹽水泥才能用于泡沫輕質(zhì)土。

（2）原材料中粉煤灰的選用要嚴(yán)格符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[5]的標(biāo)準(zhǔn)，即粉煤灰必須為F類(lèi)Ⅱ級(jí)，C類(lèi)的粉煤灰是不允許的，也不能將其作為摻和料用于泡沫輕質(zhì)土。除此之外，密度方面也要求>2 000 kg/m3，這樣的粉煤灰才能用于泡沫輕質(zhì)土。對(duì)于發(fā)泡劑的要求為：外觀透明，適宜常溫使用，不能有刺激性氣味，常溫狀態(tài)下不能產(chǎn)生沉淀，也不能析出異物，而且是合成類(lèi)高分子表面活性劑，不能產(chǎn)生有害物質(zhì)危害環(huán)境。動(dòng)物蛋白類(lèi)一律不允許使用。

（3）按照上述要求選擇好原材料，并依據(jù)兩大規(guī)程檢測(cè)其物理力學(xué)性質(zhì)，將所得材料的各項(xiàng)參數(shù)列入表1中。其中第一大規(guī)程為《公路工程泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[6]附錄A，第二大規(guī)程為《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[7]。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 泡沫輕質(zhì)土的配合比

在決定選用何種配合比的泡沫輕質(zhì)土之前，作者做了大量的試驗(yàn)來(lái)探究。結(jié)合多次的試驗(yàn)結(jié)果，最終選用如下4組不同配合比的泡沫輕質(zhì)土來(lái)進(jìn)一步探究其力學(xué)與疲勞特性。具體配合比見(jiàn)表2。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案中物件的選用完全符合相應(yīng)的技術(shù)要求和作業(yè)規(guī)范。選用規(guī)格為100 rrrn×100 mm×400 rrrn的小梁作為試驗(yàn)試件，一方面用于彎拉強(qiáng)度的測(cè)試，另一方面用于疲勞試驗(yàn)的測(cè)試。另外，選用邊長(zhǎng)為100 mm的立方體作為抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)試件。接下來(lái)選好模型，并按照表1中的配合比澆筑成型后放置24 h。4種配合比的模型在拆模之后均需在選用的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)放置，直到達(dá)到參與試驗(yàn)所需的齡期。

圖1繪制的是該試驗(yàn)方案中采用的試件加載示意圖。由圖1可知試驗(yàn)采用的疲勞試驗(yàn)方法為三分點(diǎn)加載彎曲法，控制模式為應(yīng)力控制模式。其中正弦波參數(shù)設(shè)置為連續(xù)式10 Hz。最后一項(xiàng)為應(yīng)力比，依次選擇0.9、0.8、0.7、0.6、0.5。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗壓性能

運(yùn)用由上述方法選用的材料和試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果匯總于表3，即泡沫輕質(zhì)土在上述配合比下的抗壓強(qiáng)度。

分析表3試驗(yàn)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度同水泥用量之間存在著某種關(guān)系，水泥用量在原有基礎(chǔ)上增加50 kg時(shí)，觀察28 d齡期的泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其在原有的基礎(chǔ)上上升了大約15%。由此可見(jiàn)水泥用量與抗壓強(qiáng)度存在正比關(guān)系。再觀察養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，而且材料的抗壓強(qiáng)度以養(yǎng)護(hù)齡期28 d為分界線(xiàn)，界限之前表現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)速率，界限之后表現(xiàn)出趨于平緩的增長(zhǎng)速率。圖2、圖3繪制了上述兩大因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

3.2 彎拉性能

彎拉強(qiáng)度是一個(gè)比較重要且應(yīng)用較廣的技術(shù)參數(shù)，路基填筑材料的相關(guān)指標(biāo)中就有這個(gè)指標(biāo)要求，疲勞試驗(yàn)也要建立在彎拉強(qiáng)度的基礎(chǔ)之上。在疲勞試驗(yàn)中，試件的齡期統(tǒng)一選擇為90 d，通過(guò)改變?cè)嚰乃嘤昧康贸鲈嚰膹澙瓘?qiáng)度。具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

從理論的角度出發(fā)，水泥本身是一種很好的結(jié)合料，它的結(jié)合會(huì)增加原材料內(nèi)部單位體積的粘結(jié)材料，原材料也會(huì)隨著內(nèi)部連接性的增加而增加自身的強(qiáng)度。通過(guò)上述試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)：第二組試件較第一組增加了50 kg的水泥摻量，其彎拉強(qiáng)度也提升了大約13%，而第三組試件較第二組增加了50 kg的水泥摻量，其彎拉強(qiáng)度也提升了大約13%，第四組在第三組的基礎(chǔ)上也得到了同樣的數(shù)據(jù)。因此，水泥作為泡沫輕質(zhì)土構(gòu)成中的固化劑主劑，對(duì)泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度有著顯著的影響。具體的影響規(guī)律繪制在圖4中。

3.3 疲勞性能

繼續(xù)上述試驗(yàn)，使用循環(huán)荷載，測(cè)出上述各個(gè)配合比下的泡沫輕質(zhì)土所能承受的循環(huán)次數(shù)，并將試驗(yàn)結(jié)果匯總在表5中。

分析表5數(shù)據(jù)可知，當(dāng)應(yīng)力比為0.6時(shí)，A4泡沫輕質(zhì)土比A1泡沫輕質(zhì)土多摻了150 kg的水泥，其承受的循環(huán)荷載次數(shù)也是A1泡沫輕質(zhì)土的2倍;但當(dāng)應(yīng)力比為0.9時(shí)，A4泡沫輕質(zhì)土比Al泡沫輕質(zhì)土也多摻了150 kg的水泥，其承受的循環(huán)荷載次數(shù)僅為Al泡沫輕質(zhì)土的1倍。這說(shuō)明了兩點(diǎn)：（1）泡沫輕質(zhì)土中的水泥摻入量直接影響其疲勞性能;（2）泡沫輕質(zhì)土處于低應(yīng)力時(shí)，水泥摻入量對(duì)其疲勞性能的影響更大。該試驗(yàn)結(jié)果可應(yīng)用于實(shí)際的工程中，通過(guò)摻入水泥的多少來(lái)增加材料的強(qiáng)度。同時(shí)在符合工程要求的條件下延長(zhǎng)材料的使用壽命，縮減原材料的使用量，降低工程的整體造價(jià)。

水泥摻量對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律繪制在下頁(yè)圖5中，應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律繪制在下頁(yè)圖6中。

分析圖中的直觀數(shù)據(jù)，并結(jié)合A1泡沫輕質(zhì)土可擬合出其疲勞方程如下：

LgNf=9.93 -9. 155S， R2=0. 978 3

（1）

上述方程式中，泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)力比用S表示;疲勞壽命用Nf表示。

在我國(guó)高速公路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中，所使用的泡沫輕質(zhì)土在應(yīng)力方面要求為0. 13 MPa左右，將這個(gè)數(shù)據(jù)代入上述的疲勞方程中，結(jié)合表5中所列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可求得疲勞壽命的估算值，即Ⅳ，=7. 287×107，也就是說(shuō)，所用泡沫輕質(zhì)土的疲勞壽命符合我國(guó)高速公路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文中，作者借助試驗(yàn)的方法深入分析了泡沫輕質(zhì)土的性能，并對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)作了具體分析，得出下面三個(gè)結(jié)論：

（1）為研究泡沫輕質(zhì)土的抗壓性能，作者設(shè)計(jì)了泡沫輕質(zhì)土的抗壓試驗(yàn)，分析了各個(gè)影響因素對(duì)于泡沫輕質(zhì)土抗壓性能的影響規(guī)律，得出了泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度與水泥摻量比例呈正相關(guān)的結(jié)論。在試驗(yàn)中觀察到，水泥用量在原有基礎(chǔ)上增加50 kg時(shí)，觀察28 d齡期的泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其在原有的基礎(chǔ)上上升了大約15%，且抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，而且材料的抗壓強(qiáng)度以養(yǎng)護(hù)齡期28 d為分界線(xiàn)，界限之前表現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)速率，界限之后表現(xiàn)出趨于平緩的增長(zhǎng)速率。

（2）為研究泡沫輕質(zhì)土的彎拉強(qiáng)度特性，作者設(shè)計(jì)了泡沫輕質(zhì)土的彎拉試驗(yàn)，同樣得出了泡沫輕質(zhì)土的彎拉強(qiáng)度特性與水泥摻量比例呈正相關(guān)的結(jié)論。水泥用量在原有基礎(chǔ)上增加so kg時(shí)，觀察28 d齡期的泡沫輕質(zhì)土的彎拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其在原有的基礎(chǔ)上提升了大約1 3%。

（3）為研究泡沫輕質(zhì)土的彎拉強(qiáng)度特性，作者設(shè)計(jì)了泡沫輕質(zhì)土的疲勞試驗(yàn)，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果列出了疲勞方程。試驗(yàn)中，當(dāng)應(yīng)力比為0.5時(shí)，泡沫輕質(zhì)土在原有基礎(chǔ)上多摻了150 kg的水泥，其承受的循環(huán)荷載次數(shù)提高了3倍。但當(dāng)應(yīng)力比為0.8時(shí)，泡沫輕質(zhì)土在原有基礎(chǔ)上多摻了150 kg的水泥，其承受的循環(huán)荷載次數(shù)提高了2倍。結(jié)合該數(shù)據(jù)所列的疲勞方程能夠應(yīng)用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

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作者簡(jiǎn)介：農(nóng)飛比（1984-）.工程碩士，工程師，主要從事公路水運(yùn)建設(shè)市場(chǎng)管理和質(zhì)量管理工作。