泡沫輕質土疲勞性能影響因素研究

李曉亮

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西太原030032）

泡沫輕質土是指通過發泡裝置將發泡劑水溶液制成泡沫，再與水泥、摻合料和水充分拌合形成的一種微孔輕質材料，具有輕質、耐久性好和流動性好等優點，目前已在道路拼寬、臺背回填及軟土地基處理等工程中得到廣泛應用[1-6]。泡沫輕質土性能對其實際應用效果有重要影響，因而目前就其性能的研究已引起廣大科研工作者的關注。

陳誼等研究了多種因素對泡沫輕質土強度的影響，發現隨著水灰比、發泡劑摻量、氣泡含有率與外摻料摻量的增加，其抗壓強度逐漸下降[7]；陳忠平等對泡沫輕質土的動力特性進行了分析，發現其動彈性模量隨密度和應力的增加而增加[8]；陳金威等研究了摻合料對泡沫輕質土強度的影響，發現隨著摻合料在膠凝材料中比例的增加，其抗壓強度和抗剪強度均逐漸減小，且使用礦粉或粉煤灰作摻合料時泡沫輕質土的強度明顯優于使用礦渣和高嶺土[9]；李洪亮等對泡沫輕質土的疲勞特性進行了研究，發現隨著水泥用量增加其疲勞壽命明顯提高[10]；裘友強等基于掃描電鏡（SEM）對泡沫輕質土的微觀結構進行了分析，發現水固比減小時泡沫輕質土中氣孔數量隨之減小，且貫通度變淺，結構密度提高[11]；李群等研究了泡沫輕質土在軟基處理中的應用效果，發現其較普通土可使路基荷載降低65.9%[5]。

現有研究已涉及泡沫輕質土強度、動力特性、疲勞性能及微觀結構特性等，其中對疲勞性能影響因素的研究仍不夠深入。為此，本研究改變水固比、粉煤灰用量和水泥用量制備泡沫輕質土小梁試件，進行不同試驗頻率和應力比條件下疲勞試驗，分析其疲勞壽命變化規律。

1 試驗概況

1.1 原材料

（1）水泥

采用早強型普通325硅酸鹽水泥，主要技術指標滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）要求，見表1所示。

表1 水泥主要技術指標Table 1 Main technical indicators of cement

（2）粉煤灰

采用電廠產二級粉煤灰作摻合料，主要技術指標滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB /T 1596-2017）要求，見表2。

表2 粉煤灰主要技術指標Table 2 Main technical indicators of fly ash

1.2 疲勞試驗

將水泥、摻合料和發泡劑和自來水按一定配比制備100mm×100mm×400mm泡沫輕質土小梁試件，自然養護24h拆模后進行28d標準養護，進而采用萬能試驗機進行三點加載疲勞試驗。試驗采用應力控制正弦加載模式，以試件斷裂時的加載次數作為疲勞壽命試驗結果。

2 材料配比對泡沫輕質土疲勞性能影響

泡沫輕質土材料配比是影響其疲勞性能的關鍵因素。為此，分別改變水固比、膠凝材料中摻合料比例和水泥用量制備泡沫輕質土試件進行疲勞試驗（頻率10Hz，應力比0.7），得出疲勞壽命試驗結果見表3。

表3 不同配比泡沫輕質土疲勞壽命試驗結果Table 3 Fatigue life test results of lightweight foams with different proportions

2.1 水固比對泡沫輕質土疲勞性能影響

為分析水固比對泡沫輕質土疲勞性能的影響，將試件1、2和3的疲勞壽命試驗結果繪制于圖1。

圖1 水固比對泡沫輕質土疲勞壽命的影響Fig. 1 Effect of water / solid ratio on fatigue life of lightweight foamed soil

由圖1可知，隨著水固比降低，泡沫輕質土疲勞壽命逐漸提高，其中水固比為1:1.7的試件1疲勞壽命為6153次，較水固比為1:1.8和1:1.9的試件2和試件3分別低670次和1500次。分析原因為水固比降低時泡沫輕質土中氣泡孔徑減小，氣孔貫通程度變淺，同時氣泡分散更為均勻，內部架空結構降低，此時泡沫輕質土內部結構密實度提高，疲勞性能變好。

2.2 粉煤灰對泡沫輕質土疲勞性能影響

為分析膠凝材料中粉煤灰比例對泡沫輕質土疲勞性能的影響，將試件2、4、5及2、6、7的疲勞壽命試驗結果分別繪制于圖2和圖3。

圖2 水泥用量不變時粉煤灰比例對泡沫輕質土疲勞壽命的影響Fig. 2 Influence of fly ash ratio on fatigue life of lightweight foamed soil when cement content is constant

由圖2可知，水泥用量不變時隨著膠凝材料中粉煤灰比例增加，泡沫輕質土疲勞壽命逐漸增加，其中粉煤灰摻量為10%時的試件6疲勞壽命為6531次，較粉煤灰摻量為20%和30%的試件5和試件2分別低101次和292次。分析原因一方面在于粉煤灰可降低水泥水化過程中的水化熱，從而減弱泡沫輕質土硬化過程中因水化熱造成的微裂縫損傷，另一方面粉煤灰具有火山灰活性，其水化有利于提高泡沫輕質土密實度，疲勞性能增強。

圖3 膠凝材料用量不變時粉煤灰比例對泡沫輕質土疲勞壽命的影響Fig. 3 Influence of fly ash ratio on the fatigue life of lightweight foamed soil when the amount of cementing material is constant

由圖3可知，膠凝材料用量不變時隨著膠凝材料中粉煤灰比例增加，泡沫輕質土疲勞壽命逐漸降低，其中粉煤灰摻量為10%時的試件6疲勞壽命為7814次，較粉煤灰摻量為20%和30%的試件7和試件2分別高492次和991次。分析原因在于膠凝材料用量不變時增加粉煤灰比例會造成水泥用量降低，而水泥對泡沫輕質土疲勞性能的貢獻優于粉煤灰。

2.3 水泥用量對泡沫輕質土疲勞性能影響

為分析水泥用量對泡沫輕質土疲勞性能的影響，將試件1、2、8、9和10的疲勞壽命試驗結果繪制于圖4。

圖4 不同水固比下水泥用量對泡沫輕質土疲勞壽命的影響Fig. 4 Effect of cement content on fatigue life of lightweight foamed soil under different ratios of water to solid

由圖4可知，隨著水泥用量提高，泡沫輕質土疲勞壽命逐漸增加，尤其水固比較低時表現明顯，其中水固比為1:1.7時，每立方米水泥用量為350kg的試件8疲勞壽命為7355次，較每立方米水泥用量為300kg的試件1增加了19.5%，而水固比為1:1.8時，每立方米水泥用量為350kg和400kg的試件9和試件10疲勞壽命分別為8054次和10215次，較每立方米水泥用量為300kg的試件2分別增加了24.8%和49.7%。分析原因為水泥用量增加時其水化產物增多，形成的泡沫輕質土內部結構更為致密，氣孔孔壁的強度也隨之增加，因而疲勞性能更好。

3 試驗條件對泡沫輕質土疲勞性能影響

3.1 頻率對泡沫輕質土疲勞性能影響

頻率可表征車速快慢，故可通過改變試驗頻率模擬不同車速對泡沫輕質土的作用。為此，采用表3中試件1配比制備泡沫輕質土進行5Hz、10Hz、15Hz和20Hz頻率條件下的疲勞試驗，應力比0.7，結果如圖5所示。

圖5 頻率對泡沫輕質土疲勞壽命的影響Fig. 5 Eff ect of frequency on fatigue life of foamed lightweight soil

由圖5可知，泡沫輕質土疲勞壽命隨試驗頻率的增加而增加，其中頻率為5Hz時泡沫輕質土疲勞壽命為5867次，較頻率為10Hz、15Hz和20Hz時的6153次、6876次和7123次分別低286次、1009次和1256次。同時，進行相關分析發現，疲勞壽命與頻率呈明顯的線性正相關關系，R2值達到0.96。分析原因為，頻率增加時，荷載對試件作用時間減短，對泡沫輕質土造成的結構損傷降低的緣故。

3.2 應力比對泡沫輕質土疲勞性能影響

應力比可表征車輛荷載作用大小，故可通過改變應力比模擬不同軸載汽車對泡沫輕質土的作用。為此，采用表3中試件1配比制備泡沫輕質土進行0.5、0.6、0.7、0.8和0.9應力比條件下的疲勞試驗，頻率10Hz，結果見表4。

表4 應力比對泡沫輕質土疲勞壽命的影響Table 4 Eff ect of stress ratio on fatigue life of foamed lightweight soil

由表4可知，隨著應力比增大，泡沫輕質土疲勞壽命迅速降低，其中應力比由0.5增加至0.6時，疲勞壽命降低117120次，而應力比達到0.9時，疲勞壽命僅有38次，因此進行泡沫輕質土配合比設計時應嚴格根據交通軸載情況確定合適的材料配比，保證強度適宜，同時還應對汽車超載情況進行嚴格控制。

將疲勞壽命取對數與應力比進行回歸分析發現（如圖6所示），疲勞壽命的對數隨應力比的增加呈線性降低趨勢，R2值達0.9765，與普通混凝土材料的疲勞特征類似。

圖6 應力比對泡沫輕質土疲勞壽命的影響Fig. 6 Effect of stress ratio on fatigue life of lightweight foamed soil

4 結論

（1）隨著水固比降低和水泥用量增加，泡沫輕質土疲勞壽命逐漸增加，其中水固比越低，增加水泥用量對其疲勞壽命的提高作用越明顯。

（2）水泥用量不變時，增加粉煤灰用量能提高泡沫輕質土疲勞壽命，而膠凝材料摻用量不變時，增加粉煤灰用量會使疲勞壽命降低。

（3）試驗頻率增加時，泡沫輕質土疲勞壽命逐漸增加，且疲勞壽命與頻率呈明顯的線性相關關系，R2值達0.96；應力比增加時，泡沫輕質土疲勞壽命逐漸降低，且應力比與疲勞壽命的對數呈明顯的線性相關關系，R2值達 0.9765。