氣泡輕質(zhì)土應(yīng)力應(yīng)變特性及耐久性研究

趙運(yùn)會(huì)　劉華強(qiáng)　樊曉一　張玲玲　楊琪

摘要：針對(duì)氣泡含量對(duì)氣泡輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度及凍融循環(huán)對(duì)其抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響問題，通過三軸試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)氣泡輕質(zhì)土的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：隨著氣泡含量的減小，氣泡輕質(zhì)土的破壞峰值逐漸增大；當(dāng)混合料比例一定時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響較弱，氣泡含量對(duì)吸水率影響較小；氣泡輕質(zhì)土粘聚力隨著氣泡含量的增加而減小，內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：氣泡輕質(zhì)土；氣泡含量；抗剪強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U416.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to study the influence of foam content onshear strength， compressive strength and water absorption of foamed cement banking， the mechanical properties of foamed cement banking were studied. The following conclusions were drawn based on a large number of triaxial tests and compressive strength tests：the peak of destruction to foamed cement banking mounts when the foam content drops； when the proportion of mixture is fixed， the effect of freezethaw cycles and foam content on the water absorption is weak； with the increase of foam content， the cohesion diminishes， while the inner friction increases at first and then decreases.

Key words： foamed cement banking； foam content； shear strength； compressive strength

0引言

氣泡輕質(zhì)土是一種新材料，是按照一定比例在原料土中添加固化劑、水和氣泡，經(jīng)過充分混合、攪拌后形成的新型填土。由于該材料的輕質(zhì)性、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、高流動(dòng)性以及固化后的自立性，使其具有施工性、耐久性好和隔熱隔音等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[12]。

綜合研究表明，氣泡輕質(zhì)土的物理力學(xué)特性受多種因素的耦合作用[34]，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，改變氣泡含量，通過三軸壓縮和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究氣泡輕質(zhì)土的應(yīng)力應(yīng)變特性及凍融循環(huán)對(duì)其抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，對(duì)于認(rèn)識(shí)氣泡輕質(zhì)土的力學(xué)性能和變形機(jī)理，以及揭示氣泡輕質(zhì)土的不均勻變形和分析氣泡輕質(zhì)土破壞原因，具有重要意義。

1試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1試驗(yàn)材料

水泥固化劑為P·O42.5普通硅酸鹽水泥；發(fā)泡劑為KC30水泥發(fā)泡劑；原料土為雅安地區(qū)的過濕土；水為自來水。篩分試驗(yàn)表明，土體類別為粉砂土，粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2試驗(yàn)方案

氣泡混合輕質(zhì)土是一種新型材料，對(duì)其物理力學(xué)

特性的研究目前無試驗(yàn)規(guī)程，故參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）進(jìn)行試驗(yàn)。粉砂土質(zhì)量占混合料（粉砂土和水泥）質(zhì)量的比值稱為粉砂土含量，其中粉砂土與水泥的比例為1∶1，不包括氣泡中的含水量。氣泡含量為氣泡的質(zhì)量占混合料質(zhì)量的比值，取4種典型氣泡含量，分別為15%、2%、25%、30%，研究氣泡輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，以及凍融循環(huán)對(duì)其抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，試驗(yàn)方案見表2。經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)氣泡含量不變、齡期相同時(shí)，土樣的容重變化不明顯，氣泡對(duì)土樣的影響不顯著[56]。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的測量精度，設(shè)定每一種粉砂土含量的試件圍壓分別為01、02、04 MPa，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選定不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)的應(yīng)變速率為0.8 mm·min-1。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣施加軸向壓力，試樣高度每減小02%（016 mm）進(jìn)行一次量力環(huán)百分表讀數(shù)，直至讀數(shù)穩(wěn)定、急劇下降或豎向應(yīng)變達(dá)到試樣高度的20%為止。

1.3樣品制備及養(yǎng)護(hù)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)配比稱取各試驗(yàn)原料，先將水泥和粉砂土（烘干至恒重并篩取顆粒粒徑小于5 mm）加入水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌；再將水倒入攪拌機(jī)內(nèi)均勻攪拌；然后將被水稀釋后的發(fā)泡劑用空氣壓縮機(jī)壓縮成氣泡后加入混合料中；達(dá)到規(guī)定體積后，將發(fā)泡混合料裝入模具（直徑為39.1 mm、高為80 mm的圓柱體）中，常溫條件下養(yǎng)護(hù)3 d，脫模后用薄膜密封，在常溫下養(yǎng)護(hù)至28 d齡期進(jìn)行性能測試[710]。

1.4性能測試方法

三軸壓縮試驗(yàn)是一種較完善的測定土體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法。根據(jù)試樣的排水情況，三軸試驗(yàn)可分為不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（UU）、固結(jié)不排水剪試驗(yàn)（CU）和固結(jié)排水剪試驗(yàn)（CD）。本試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水剪（UU）試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/177—2012），采用ZwickZ100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，以2 kN·s-1的速度連續(xù)均勻加載，直到試件被破壞，記錄荷載，計(jì)算抗壓強(qiáng)度。

2不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1氣泡輕質(zhì)混合土應(yīng)力應(yīng)變特性

繪制不同氣泡含量下試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。

由圖2可知：應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性特征；相同氣泡含量的試樣隨著圍壓增大，曲線形態(tài)由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)化，強(qiáng)度不斷增大；相同圍壓時(shí)，隨著氣泡含量的減小，試件的破壞峰值逐漸增大，曲線開始由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)化；試件被破壞后的殘余強(qiáng)度無較大的波動(dòng)。

當(dāng)氣泡輕質(zhì)土經(jīng)過彈塑性變形發(fā)生塑性破壞后，完全處于彈塑性變形狀態(tài)，此時(shí)塑性變形階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線近似為一條水平直線，土體處于單純的壓密變形階段，最終土體發(fā)生破壞。土體的變形破壞機(jī)制是：在大主應(yīng)力的作用下，土體在發(fā)生較大的軸向變形的同時(shí)，會(huì)引起較大的側(cè)向變形，從而在土樣中的某一中性面產(chǎn)生橫向張拉作用力，并形成直立或者傾角較大的縱向裂隙，最終導(dǎo)致土體破壞。

2.2氣泡混合輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度分析

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系曲線，選取主應(yīng)力差為破壞點(diǎn)，若沒有峰值，以應(yīng)力路徑的密集點(diǎn)或按一定軸向應(yīng)變（一般取15%，經(jīng)過論證也可根據(jù)實(shí)際情況選取破壞應(yīng)變）的相應(yīng)主應(yīng)力差作為破壞強(qiáng)度值。在直角坐標(biāo)軸上，以法向應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)，在平面上繪制莫爾應(yīng)力圓，并繪制在不同圍壓下所得應(yīng)力圓的公切線，此公切線即為莫爾破壞應(yīng)力圓的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖3所示。

圖3不同氣泡含量下試樣的應(yīng)力圓及抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

從圖3可以看出，莫爾應(yīng)力圓公切線變化趨勢(shì)是隨應(yīng)力的增加而增加，所以氣泡輕質(zhì)土材料基本符合莫爾庫倫破壞準(zhǔn)則，可以用τ=σtan φ+c（φ為內(nèi)摩擦角，c為粘聚力）進(jìn)行線性擬合。通過對(duì)不同氣泡含量下的氣泡輕質(zhì)土的試驗(yàn)結(jié)果擬合，得到4種氣泡含量下的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。包絡(luò)線的傾角為內(nèi)摩擦角φ，在縱軸上的截距為粘聚力c，計(jì)算得到氣泡混合輕質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，結(jié)果見表3、圖4。

從圖4可以看出，氣泡輕質(zhì)土粘聚力隨著氣泡含量的增加而減小，內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土的影響

3.1凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為不同氣泡含量下的氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖5可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同氣泡含量的氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度逐漸減小，氣泡含量越大，抗壓強(qiáng)度下降得越快。當(dāng)氣泡含量在25%～30%時(shí)，凍融循環(huán)1次之后，氣泡輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度基本保持不變；氣泡含量在15%～20%時(shí)，凍融循環(huán)1次之后，其抗壓強(qiáng)度緩慢降低。原因?yàn)椋簹馀葺p質(zhì)土在泡水之后，吸收大量的水分，當(dāng)試樣在低溫環(huán)境下，氣泡中的水開始凝結(jié)，體積增大，使氣泡輕質(zhì)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這種破壞進(jìn)一步發(fā)展，使其力學(xué)性能降低。當(dāng)氣泡輕質(zhì)土中的氣泡含量增多時(shí)，試樣內(nèi)部空隙較大，水凝結(jié)之后體積增大，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較小，故隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗凍融開裂能力基本不變，抗壓強(qiáng)度基本保持不變。

圖5凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響

3.2凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響

圖6為凍融循環(huán)前后不同氣泡含量下的氣泡輕質(zhì)土吸水率變化曲線。從圖6可以看出，氣泡輕質(zhì)土的吸水率隨著氣泡含量的增加而增加。當(dāng)混合料比例一定時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響較弱，氣泡含量對(duì)其吸水率的影響也較小。凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然產(chǎn)生了破壞，但氣泡破損較少，導(dǎo)致其吸水率基本保持不變。

4結(jié)語

本文為了研究不同氣泡含量對(duì)氣泡輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了不固結(jié)不排水常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)及凍融循環(huán)試驗(yàn)，探討了氣泡含量與氣泡輕質(zhì)土抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系及凍融循環(huán)對(duì)其抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，得出如下結(jié)論。

（1）氣泡輕質(zhì)土在不固結(jié)不排水條件下應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律為：在相同氣泡含量下，隨著圍壓增大，曲線形態(tài)由軟化型向硬化型轉(zhuǎn)化，強(qiáng)度不斷增大；在相同圍壓下，隨著氣泡含量的減小，試件的破壞峰值逐漸增大，曲線開始由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)化。

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同氣泡含量的氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度逐漸減小，氣泡含量越大，抗壓強(qiáng)度下降相對(duì)越快。當(dāng)混合料比例一定時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)氣泡輕質(zhì)土吸水率的影響較弱，氣泡含量對(duì)其吸水率的影響也較小。

（3）隨著氣泡含量的增加，氣泡輕質(zhì)土的粘聚力逐漸減小，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]