氣泡混合土抗凍融循環性能試驗研究

萬 江 ，余紅印，于 浩，陳明新，羅小剛，沈 君，李欽棟，程 寅

（1.新疆交通建設集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830016；2.交通運輸部科學研究院，北京 100029；3.新疆交投建設管理有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830049）

0 引言

我國是世界上第三大凍土分布國家，多年凍土與季節性凍土地區面積占國土總面積的75%，主要分布于我國大小興安嶺、松嫩平原北部、青藏高原、橫斷山、祁連山、昆侖山，并零星分布于季節凍土區內一些高山上。凍土中水分的存在使其對溫度的變化十分敏感，溫度的改變對其物理力學性質也有著相當重要的影響[1-3]。

在道路工程建設中，凍土中的固結水分隨著氣溫升高逐漸融化，會導致凍土的承載力下降，外部荷載超過凍土地基承載能力時，就會引起地基沉降，造成熱融沉陷、路基翻漿、滑塌等路基病害[4-7]。

目前，我國針對凍土路基病害的處治方法主要遵循保護凍土的原則，通常采用的措施是將保溫材料鋪設于路基，增大熱阻以減緩導熱作用，從而對路基保溫。但目前較常使用的聚苯乙烯（EPS）保溫板、聚胺酯（PU）保溫板、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）保溫板等傳統保溫材料常存在厚度有限、抗壓抗折強度低、耐久性差等問題，難以達到預期的處理效果[8-10]。

氣泡混合土是用膠凝材料、水與原料土按一定比例充分混合形成漿體，然后再與細小穩定的氣泡群充分混合攪拌形成流體，最終凝固成型的一種輕型填筑材料[11-14]。氣泡混合土具有低導熱性、良好的保溫性、輕質高強性、強度可調等特點，將其用作保溫材料填筑保溫路基成為凍土路基病害處理的有效方法[15-20]。

目前已有不少學者對氣泡混合土抗凍融性能進行了研究。何國杰[21]對12 組不同配比的氣泡混合輕質土進行了單軸抗壓強度試驗，并根據其凍融破壞特點分析了氣泡混合輕質土的抗凍融破壞機理。其研究表明，氣泡混合輕質土在經歷凍融循環后仍具有較好的力學性能，凍融循環次數對其影響較大。何國杰等[22]還利用自制的復配型發泡劑制備了一批氣泡混合輕質土試件，并進行了凍融循環試驗，結果表明：隨著凍融循環周期增加，強度下降幅度減小，趨于平緩，證明在季凍區（凍融循環環境中）使用氣泡混合輕質土是可行的。此外，章燦林等[23]考察了凍融循環作用對氣泡輕質土微觀結構的影響，并通過改變原料土的含量，研究不同原料土含量的氣泡輕質土在凍融影響下的耐久性。

要實現氣泡混合土路基在凍土地區的大規模應用，要求氣泡混合土材料本身具有很好的抗凍融循環性能。目前常用的以水泥作為膠凝材料制備的氣泡混合土的抗凍性不佳，這主要是由于水泥水化產物本身的抗凍性能差。因此，尋求抗凍性能更好的膠凝材料配合比，以及提高氣泡混合土抗凍性能的方法，對促進氣泡混合土路基在凍土地區大規模應用，有效解決凍土路基病害問題具有重要意義。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 水泥

本試驗制備氣泡混合土所用的水泥為新疆天山水泥股份有限公司生產的42.5R 普通硅酸鹽水泥，其物理力學性質如表1所示，化學組成如表2所示。

表1 水泥的物理力學性能

表2 水泥的化學組成

1.1.2 礦粉

本試驗采用河北省靈壽縣生產的S95級礦粉，其化學組成如表3所示。

表3 礦粉的化學組成

1.1.3 水玻璃

本試驗所用水玻璃為濟南清海化工有限公司生產的鈉水玻璃，其模數為2.0，波美度為40°Bé。

1.1.4 風積沙

本試驗以取自新疆庫爾勒市焉耆縣的風積沙作為輕質土的主要集料，進行輕質土性能試驗。新疆焉耆的風積沙顆粒粒徑較大，多為粗沙和中沙，不均勻系數為3.46，曲率系數為1.31。

1.1.5 發泡劑

本試驗采用江蘇南京生產的動物蛋白型發泡劑，發泡倍數為20倍，試驗配比取發泡劑∶穩泡劑=3∶1，之后再按1∶40 稀釋使用。

1.1.6 玻璃纖維

本試驗所用玻璃纖維為安徽五河維佳公司生產的長度為3mm 的玻璃纖維短切絲，其技術指標如表4所示。

表4 玻璃纖維技術指標

1.2 試驗方法

1.2.1 氣泡混合土配合比設計方法

本次試驗按照《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJ/T 177—2012）[24]中的規定進行配合比設計，考慮滿足抗壓強度、容重、流動度等性能要求，并且結合實驗室一系列的配比試驗，得出試驗配合比。具體設計參數按下列公式確定：

式（1）～式（2）中：ρw為氣泡混合土的設計容重（kg/m3）；Rc為每立方米氣泡混合土中膠凝材料的質量（kg/m3）；Rs為每立方米氣泡混合土中集料的質量（kg/m3）；Rw為每立方米氣泡混合土中水的質量（kg/m3）；Rf為每立方米氣泡混合土中泡沫的質量（kg/m3）；Rx為每立方米氣泡混合土中外加劑的質量（kg/m3）；ρf為標準泡沫容重（kg/m3）；ρc為水泥容重（kg/m3）；ρs為集料容重（kg/m3）；ρx為外加劑容重（kg/m3）。

1.2.2 氣泡混合土試件的制備和養護

本試驗中，氣泡混合土試件制備和養護的詳細步驟如下。

第一步：按照設計配合比稱量各材料組分后放入發泡機的攪拌鍋中，先慢速攪拌2min，使各材料組分混合均勻。需要注意的是，應當首先將纖維與膠凝材料粉體、風積沙拌和均勻，再與水玻璃和水拌和均勻。由于纖維的長度較短，容易與膠凝材料干粉和風積沙拌和均勻，因此，纖維在氣泡混合土試件中的分散程度較好。

第二步：將鍋壁四周漿體刮入鍋內，再快速攪拌1min。

第三步：攪拌均勻的氣泡混合土漿料從發泡機出料后，裝滿100mm×100mm×100mm 立方體試模并略高于試模頂面，采用保鮮膜覆蓋。

第四步：試件成型后24h 拆模，拆模前應先沿試模頂面刮平，然后將試件放入標準養護箱中（溫度為20℃±2℃、相對濕度≥95%）養護至規定齡期，再進行無側限抗壓強度測試。

1.2.3 無側限抗壓強度測試方法

按照《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》（DB33/T 996—2015）[25]的規定進行氣泡混合土試件的無側限抗壓強度測試。將試件置于試驗機的承壓板上，使承壓板的中心與試件中心重合。啟動試驗機，以（10±1）mm/min 的速度加載。記錄破壞荷載P1，精確至10N。

試件的抗壓強度按式（3）計算。抗壓強度取3個試件的算數平均值，精確至0.01MPa。

式（3）中：σ為試件的抗壓強度（MPa）；P1為試件的破壞荷載（N）；S為試件的受壓面積（mm2）。

1.2.4 抗凍性試驗方法

有關氣泡混合土抗凍性的試驗方法，目前我國尚無明確的標準規范，但混凝土材料的抗凍性試驗方法較為成熟，可以作為參考。本文參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）[26]中的“慢凍法”進行氣泡混合土凍融循環試驗，具體試驗方法如下：

在養護齡期為24d時，將試件從標養室取出，然后放入（20±2）℃的水中浸泡至飽和，浸泡時間為4d，隨后取出稱重并放入冷凍室內進行抗凍試驗。冷凍室的溫度控制在-20～-18℃，一次循環冷凍時間不小于4h，冷凍結束后取出試件，并立即放入一定深度的溫度為18～20℃的水中融化，融化時間也不小于4h。融化完成后即可進入下一次循環。每完成25 次循環對試件的外觀進行檢查，如有破損應稱重測量，并進行抗壓強度試驗，直到試件的抗壓強度損失率超過25%或質量損失率超過5%時停止試驗。

試件完成規定凍融循環次數后的質量損失率按式（4）計算，并取3個試件的平均值作為本組試驗的質量損失率結果。

式（4）中：ΔMn為n次循環后試件的質量損失率（%）；M0為浸水飽和后凍融循環前試件的質量（g）；Mn為n次凍融循環后試件的質量（g）。

試件完成規定凍融循環次數后的抗壓強度損失率按式（5）計算，并以3個試件的平均值作為本組試驗的強度損失率結果。

式中：Δfn為n次循環后試件的強度損失率（%）；f0為浸水飽和后凍融循環前試件的強度（MPa）；fn為n次凍融循環后試件的抗壓強度（MPa）。

1.3 試驗方案

本試驗選取容重分別為800kg/m3,1 050kg/m3和1 200kg/m3的3組氣泡混合土配合比試件（A-1,B-1,C-1），以容重作為配合比設計的控制指標，以保證漿料的和易性和水灰比滿足規范要求。分別測試試件經過不同凍融循環次數后的質量和無側限抗壓強度，計算試件的質量損失率和強度損失率，得到氣泡混合土試件的抗凍融循環性能；另外，向3 組氣泡混合土試件中摻加質量百分比為0.4%的玻璃纖維（A-2,B-2,C-2），同樣測得試件的質量損失率和強度損失率，分析玻璃纖維對氣泡混合土試件抗凍性能的影響。各試件的配合比如表6所示。

表6 氣泡混合土凍融循環試驗配合比

2 試驗結果分析

經過凍融循環試驗得到氣泡混合土試件的質量損失率和強度損失率隨凍融循環次數的變化規律，如圖1和圖2所示。

圖1 氣泡混合土試件質量損失率隨凍融次數的變化規律

圖2 氣泡混合土試件強度損失率隨凍融次數的變化規律

2.1 氣泡混合土的抗凍性能隨容重的變化規律

對比不同容重氣泡混合土試件的抗壓強度和質量隨凍融循環次數的變化規律，可以看出：

（1）不同容重氣泡混合土試件的抗壓強度均隨著凍融循環次數的增加而逐漸降低，且前期抗壓強度衰減較為緩慢，后期隨凍融次數的增加抗壓強度衰減較快，并存在一個臨界次數，在凍融循環低于該次數時，抗壓強度損失不明顯，超過臨界循環次數后，抗壓強度開始顯著降低。容重為800kg/m3的氣泡混合土在3 次凍融循環內，抗壓強度未明顯降低，超過3 次凍融循環后，抗壓強度開始顯著降低，15 次凍融循環之后抗壓強度迅速降低，質量損失嚴重。容重為1 050kg/m3的氣泡混合土在10次凍融循環以內，抗壓強度降低并不明顯，隨著凍融次數的增加，凍融對氣泡混合土抗壓強度的影響越來越大。容重為1 200kg/m3的氣泡混合土在前50次凍融循環中，抗壓強度未明顯降低，超過50次凍融循環后，抗壓強度開始明顯降低。

氣泡混合土在水中浸泡后放入凍融試驗機之前孔隙中充滿水。經過1 次凍融循環，氣泡混合土中的孔隙水經過1次凍脹-融化的過程。孔隙水凍結產生的凍脹力對試件產生破壞作用，當凍融循環次數較少時，孔隙水產生的凍脹力對氣泡混合土試件的破壞作用也較小，氣泡混合土試件的強度下降不明顯；但當凍融循環次數逐漸增多時，孔隙水產生的凍脹力對試件反復作用，對試件的破壞作用也逐漸加劇，試件強度顯著下降；同時，孔隙水凍脹力對氣泡混合土試件造成的凍脹破壞也會導致新的孔隙或裂隙產生，試件中的孔隙水隨著凍融循環次數的增加越來越多，這些新增加的孔隙水經過凍融循環也對試件產生凍脹破壞作用，從而加速了氣泡混合土試件的破壞過程。以上作用導致氣泡混合土試件強度損失隨著凍融循環次數增加而逐漸加劇。

（2）隨著凍融循環次數的增加，不同容重的氣泡混合土的質量均出現先增大后減小的現象，且容重越小，質量對凍融越敏感，表現為凍融前期質量增大，后期質量損失快，損失率高。如容重為800kg/m3的常規試件經10 次凍融循環后，質量增大11.6%，而100 次凍融循環后，質量損失率高達9.8%；容重為1 050kg/m3的常規試件經10次凍融循環后，質量增大5.2%，而100 次凍融循環后，質量損失率達6.3%；容重為1 200kg/m3的試件經過50次凍融循環后，質量最多增加1.5%。

凍融循環開始前，氣泡混合土在水中浸泡可能并不能完全飽和。因此在凍融循環前期，氣泡混合土試件仍然能夠不斷吸水，飽和度逐漸增大，導致試件質量有所增加。之后，隨著凍融循環次數的增加，試件孔隙率增大，導致試件的吸水率變大，質量繼續增加。雖然多次凍融循環后試件表層逐漸脫落，且融化過程中伴隨著內部物質的析出，會造成一定的質量損失，但損失的質量仍小于因吸水率增大而增加的質量。但是，隨著凍融次數的繼續增加，因試件飽和度增大和孔隙率增大而增加的質量逐漸減小，而試件破壞嚴重，表層出現大量脫落，損失的質量大于增加的質量，所以整體質量逐漸減小。

在反復的凍融循環過程中，試件內部孔隙中的水分結冰后體積膨脹，而氣泡混合土的氣孔壁強度是有限的，隨著凍融次數的增加，氣孔壁受到破壞，原來封閉的孔隙變成連通孔，導致試件的吸水率變大，整體質量有所增加。雖然多次凍融循環后試件表層逐漸脫落，且融化過程會造成一定的質量損失，但損失的質量仍小于因吸水率增大而增加的質量，所以試件的總質量仍是增加的。但是，在凍融后期，隨著凍融次數的不斷增加，飽和度增幅減小，而試件破壞嚴重，表層出現大量脫落，損失的質量大于增加的質量，所以整體質量逐漸減小。

綜合上述分析可以看出：氣泡混合土的抗凍能力隨著容重的增大而提高，表現為容重越大，所能經受的凍融循環次數越多，抗壓強度和質量損失率越低。

2.2 纖維對氣泡混合土抗凍性能的影響

對比圖1和圖2中3種容重下摻加玻璃纖維和未摻加纖維的試件的試驗結果可以看出：摻加玻璃纖維能顯著提升氣泡混合土的抗凍性，在相同凍融次數下，各組玻璃纖維氣泡混合土試件的抗壓強度損失率和質量損失率明顯較未摻纖維的普通氣泡混合土試件小，且抗壓強度和質量損失的速度明顯降低。對于容重為800kg/m3的未摻加玻璃纖維的氣泡混合土，試件經50次凍融循環后抗壓強度損失率為7.8%，質量損失率為-2.6%，而摻加玻璃纖維的試件經50次凍融循環后抗壓強度損失率為3.6%，質量損失率為-1.6%；容重為1 050kg/m3的未摻加玻璃纖維的氣泡混合土試件，經50 次凍融循環后抗壓強度損失率為4.1%，質量損失率為0.4%，而摻加玻璃纖維的試件經50次凍融循環后抗壓強度損失率為1.8%，質量損失率僅為-1.3%；容重為1 200kg/m3的未摻加玻璃纖維的氣泡混合土試件，經50次凍融循環后抗壓強度損失率為2.9%，質量損失率為1.5%，而摻加纖維的試件經50次凍融循環后抗壓強度損失率為1.1%，質量損失率為0.9%。綜合上述試驗數據可以得出：不同容重的氣泡混合土試件摻入纖維后，經過50次凍融循環后，試件的抗壓強度損失減少50%以上，質量損失減少40%以上。

分析其原因為：首先，玻璃纖維具有良好的阻裂增韌作用，能夠有效限制氣泡混合土早期裂縫的形成和發展，避免了連通孔隙的形成，提高了其密實度；其次，玻璃纖維對毛細孔具有擠壓和阻斷作用，使得水分遷移困難，試件的飽水度降低，水在氣泡混合土中的結冰量減少，從而減小了受凍時土體內部產生的凍脹力，有利于提高氣泡混合土抵抗凍融破壞的能力；另外，在孔隙水結冰過程中玻璃纖維也能分擔一部分凍脹力，使得孔壁在冰脹壓力作用下不易被破壞，孔壁與玻璃纖維的黏結力強，試件表面不易發生脫落，具有良好的抗剝落效果。

3 結論

（1） 不同容重的氣泡混合土的抗壓強度隨著凍融循環次數的增加而逐漸降低，且前期降低較為緩慢，后期隨凍融次數的增加衰減較快，并存在一個臨界凍融循環次數，當凍融循環次數低于該臨界值時，強度損失不明顯，超過后抗壓強度才開始明顯降低。容重為800kg/m3的氣泡混合土在超過3次凍融循環后，抗壓強度開始顯著降低，15 次凍融循環之后抗壓強度迅速降低；容重為1 050kg/m3的氣泡混合土在10 次凍融循環后，抗壓強度開始顯著降低；而容重1 200kg/m3的氣泡混合土在經過50次循環后，抗壓強度開始明顯降低。

（2）隨著凍融循環次數的增加，氣泡混合土的質量呈現出先增大后減小的趨勢，且容重越小，質量對凍融越敏感，表現為凍融前期質量增大，后期質量損失快、損失率高。容重為800kg/m3的常規試件經10 次凍融循環后，質量增大11.6%，而經過100次凍融循環后，質量損失率高達9.8%；容重為1 050kg/m3的常規試件經10 次凍融循環后，質量增大5.2%，而經過100 次凍融循環后，質量損失6.3%；容重為1 200kg/m3的試件經過50次凍融循環后，質量最多增加1.5%。

（3）氣泡混合土的抗凍能力隨著容重的增大而提高，表現為容重越大，所能經受的凍融循環次數越多，抗壓強度損失率和質量損失率越低。

（4）玻璃纖維能顯著提高氣泡混合土的抗凍性能，其抗壓強度損失率和質量損失率明顯較未摻纖維的普通氣泡混合土要小，且抗壓強度損失和質量損失的速度明顯降低。不同容重的氣泡混合土試件摻入纖維后，經過50次凍融循環后，試件的抗壓強度損失減少50%以上，質量損失減少40%以上。

（5）氣泡混合土的抗凍性能除了與容重有關外，還與氣泡混合土的配合比、氣泡摻入量等因素有關，需要作進一步研究。此外，本文僅選用了特定摻量的玻璃纖維用以增強氣泡混合土的抗凍性，今后可以進一步研究不同的纖維種類、纖維摻量、纖維長度在提高氣泡混合土抗凍性方面的效果。