許 欣,劉 鑫,杜 磊,張立業(yè)
(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司,上海 200032;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;3.河海大學(xué)隧道與地下工程研究所,南京 210098)
氣泡混合輕質(zhì)土(foam mixed lightweight soil, FMLS)作為一種新興的巖土工程材料,具有質(zhì)量輕,流動(dòng)性好,保溫隔熱性能優(yōu)良,施工便捷等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于軟基處理、路基置換、高速公路優(yōu)化設(shè)計(jì)和改擴(kuò)建等工程中,具有良好效果[1-4],但在使用過程中往往會遇到因損傷帶來的FMLS強(qiáng)度或耐久性不足的問題,出現(xiàn)路面局部沉降過大,建筑物開裂等現(xiàn)象,對工程質(zhì)量造成較大影響。因此,有必要對氣泡混合輕質(zhì)土因損傷導(dǎo)致的強(qiáng)度或耐久性改變進(jìn)行研究。很多學(xué)者在這一方面開展了許多有益的工作,并取得了一些進(jìn)展。陳金威等[5]分析了同種摻合料不同摻量及不同摻合料同種摻量的泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律;陳誼[6]通過室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了水灰比、發(fā)泡劑及其摻量、氣泡含有率與外摻料等4個(gè)因素作用下的抗壓強(qiáng)度大小;許華等[7]用水泥、堿激發(fā)火山灰膠凝材料和高嶺土制成3種高強(qiáng)耐腐蝕的固化劑,以此固化劑和風(fēng)積沙為摻料研究不同配合比下的氣泡混合輕質(zhì)風(fēng)沙土的強(qiáng)度和耐腐蝕性,為風(fēng)積沙的利用和新型輕質(zhì)土的研制提供了新途徑。上述工作雖對FMLS的強(qiáng)度或耐久性進(jìn)行了研究,但未研究損傷尤其是初始階段損傷對其物理性質(zhì)的影響。目前學(xué)者對混凝土的初始階段損傷研究較多,結(jié)論相對比較成熟。史攀飛等[8]通過單軸壓縮循環(huán)試驗(yàn),研究了不同含氣量這一初始階段損傷對混凝土材料強(qiáng)度的影響;趙冰等[9]通過有限單元分析法研究了初始階段損傷對混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響;徐存東等[10]通過試驗(yàn)和理論分析,研究早期凍融造成的不同程度初始損傷對混凝土試件宏觀性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響作用,建立了損傷演變方程,為后續(xù)相應(yīng)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測提供一定依據(jù);肖詩云等[11]進(jìn)行了混凝土初始階段損傷細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性數(shù)值試驗(yàn)的相關(guān)研究,建立了混凝土初始階段損傷與孔隙率和孔徑之間的關(guān)系,描繪了細(xì)觀尺寸下混凝土的初始階段損傷面。
通過上述分析可知,目前關(guān)于初始階段損傷的研究主要集中在混凝土材料方面,未見對氣泡混合輕質(zhì)土初始階段損傷的相關(guān)研究。筆者通過試驗(yàn)研究和理論分析,基于相似理論提出氣泡混合輕質(zhì)土初始階段損傷的模擬試驗(yàn)原理和方法,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對影響FMLS初始階段損傷的因素進(jìn)行研究,并對結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析,給出各因素的影響的主次順序,得出初始階段損傷對氣泡混合輕質(zhì)土強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究氣泡混合輕質(zhì)土填料的初始階段損傷,對改進(jìn)FMLS的生產(chǎn)和施工工藝,提高工程質(zhì)量都具有重要意義。

圖1 建設(shè)工程項(xiàng)目的全壽命周期階段圖Fig.1 Life cycle phase diagram of construction project
初始階段損傷定義為在FMLS整個(gè)生產(chǎn)階段初期(投入運(yùn)營前),因材料配合比、施工工藝等因素導(dǎo)致的對后期質(zhì)量產(chǎn)生重要影響的損傷。在文獻(xiàn)[12]中,將FMLS的生產(chǎn)階段初期劃分為設(shè)計(jì)階段、施工階段、動(dòng)用前準(zhǔn)備階段,如圖1所示。在此階段產(chǎn)生的損傷為初始階段損傷,產(chǎn)生初始階段損傷的因素稱為初始階段損傷影響因素,而將那些受施工工藝以及環(huán)境等因素的限制不可避免地對FMLS造成初始階段損傷的因素稱為關(guān)鍵因素。
設(shè)計(jì)階段中影響初始階段損傷的因素包括材料和配合比,可以通過現(xiàn)有規(guī)范的要求以及現(xiàn)場實(shí)際需求進(jìn)行對比優(yōu)選,得到滿足規(guī)范及現(xiàn)場設(shè)計(jì)要求的FMLS配合比。但是水膠比以及氣泡摻量對FMLS的物理力學(xué)性質(zhì),尤其是強(qiáng)度來說至關(guān)重要,所以需要考慮設(shè)計(jì)階段水膠比以及氣泡含量對FMLS初始階段損傷的影響。
施工階段中主要考慮發(fā)泡設(shè)備對FMLS初始階段損傷的影響,施工現(xiàn)場一般選用物理發(fā)泡并且按照規(guī)范中的要求選取攪拌設(shè)備和泵送設(shè)備,可以將本階段可能產(chǎn)生的初始階段損傷降到最低。然而由于受到施工工藝的限制,現(xiàn)有的施工工藝以及規(guī)范無法對澆筑均勻性和澆筑厚度進(jìn)行有效的控制,并且澆筑過程必然會產(chǎn)生施工澆筑間隔的齡期選擇和澆筑邊界的設(shè)置,所以以上4個(gè)方面也是影響FMLS形成初始階段損傷的重要因素即關(guān)鍵影響因素。為便于展開研究工作將澆筑均勻性澆筑厚度稱為“充填工藝”,該工藝主要影響FMLS的內(nèi)部密度均勻性,繼而影響內(nèi)部強(qiáng)度的分布。將施工澆筑齡期、澆筑邊界設(shè)置稱為“界面工藝”,該工藝將影響FMLS交界面的強(qiáng)度。
通過以上的分析可知,影響FMLS初始階段形成損傷的關(guān)鍵因素為設(shè)計(jì)階段的水膠比以及泡沫含量、施工階段的界面工藝(施工澆筑齡期、澆筑邊界設(shè)置)和充填工藝(澆筑均勻性、澆筑厚度)。將針對上述因素,設(shè)計(jì)模擬初始階段損傷的試驗(yàn)方法,對這些影響因素主次順序進(jìn)行研究。
室內(nèi)試驗(yàn)為了更好地反映現(xiàn)場施工的相關(guān)情況,還需要確定相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)。與試驗(yàn)有關(guān)的參數(shù)如下。
室內(nèi)試驗(yàn)輕質(zhì)土配合比取自施工現(xiàn)場,施工時(shí)間間隔為T,和施工現(xiàn)場相同,重度為γ,體現(xiàn)在“充填工藝”中密度隨深度變化,取平均重度;厚度為h,體現(xiàn)在“充填工藝”中,試驗(yàn)一般分兩層澆筑;彈性模量為E,泊松比為ν,所加載荷為P,可模擬現(xiàn)場的車輛荷載,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為σ。
這些物理量的關(guān)系可寫成一般形式:
σ=f(T,γ,h,E,ν,P)
(1)
式(1)中:物理量的個(gè)數(shù)為7,進(jìn)行量綱分析有:
[σ]=[Ta,γb,hc,Ed,νe,Pf]
(2)
式(2)中:a、b、c、d、e、f均為待指定常數(shù)。式(1)中各物理量的量綱為[σ]=[FL-2],[T]=[T],[γ]=[FL-3],[h]=[L],[E]=[FL-2],[ν]=[F0L0],[P]=[F]。其中F為單位力,L為單位長度。
將上述物理量綱代入式(2)中,由相似理論[13]進(jìn)行推導(dǎo),得:
其中π1、π2、π3、π4為各物理量的相似判據(jù)。
原模型用下標(biāo)p表示,縮尺模型下標(biāo)用m表示,由上述理論推導(dǎo),得到試驗(yàn)的各物理量取值如表1所示。

表1 物理量相似常數(shù)取值Table 1 Values of physical similarity constants
試驗(yàn)使用南京江寧中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的海螺牌42.5R普通硅酸鹽水泥。水泥密度為3.12 kg/m3,比表面積為256.0 m2/kg,其基本物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示,主要化合物含量如表3所示。發(fā)泡劑選取華泰工程有限公司生產(chǎn)的復(fù)合型蛋白泡沫液,其具有良好的親水性,易溶于水,用水?dāng)嚢韬蟪释该魅芤海l(fā)泡倍率高,發(fā)泡后的泡沫質(zhì)量良好并且穩(wěn)定,泡沫液由動(dòng)植物蛋白復(fù)合加工而成,對人和環(huán)境均無毒副作用。

表2 普通硅酸鹽水泥的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of the 42.5R ordinary portland cement

表3 水泥主要化合物含量Table 3 Main compound content of cement
無初始階段損傷的FMLS試樣的制樣過程如下。
(1)制備水泥漿液與泡沫群。按照配合比將所稱量好的水倒入水泥中,并不斷攪拌至均勻,時(shí)間不少于5 min。將泡沫液和水按照1∶40的質(zhì)量比攪拌配置發(fā)泡混合溶液,發(fā)泡后控制泡沫密度在48~52 kg/m3。
(2)水泥漿液與泡沫群的混合攪拌。將泡沫倒入水泥漿液中攪拌,保證水泥漿與泡沫的均勻混合,充分?jǐn)嚢钑r(shí)間一般為5~10 min,一般當(dāng)混合漿液攪拌過程中顏色均勻無明顯的顏色變化時(shí),即認(rèn)為FMLS漿液處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足澆筑要求。
(3)澆筑。澆筑時(shí)使用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具澆筑,一聯(lián)3個(gè)為一組,每組3個(gè)平行試樣。澆筑前應(yīng)使用凡士林等油性試劑進(jìn)行刷模,然后將漿液倒入模具中,輕微振搗即可完成澆筑。
(4)養(yǎng)護(hù)。澆筑完成后使用塑料薄膜封蓋,在20(±2) ℃、98%(±2%)的恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)48 h后進(jìn)行脫模,編號后繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。
針對FMLS初始階段損傷室內(nèi)模擬的特點(diǎn),為了更好地模擬現(xiàn)場進(jìn)行FMLS澆筑時(shí)的實(shí)際情況,在室內(nèi)制樣時(shí),將界面工藝和填充工藝做如下處理。
(1)界面工藝。FMLS現(xiàn)場施工時(shí)采用分層澆筑,相鄰兩層之間設(shè)計(jì)有一定的澆筑時(shí)間間隔,所以在兩次相鄰澆筑層之間,存在因受施工工藝限制而導(dǎo)致的橫向接縫。因此,在室內(nèi)模擬制樣時(shí),為模擬澆筑層間的橫向接縫,試驗(yàn)時(shí)先澆筑模具的1/2(5 cm)后采用保鮮膜封蓋養(yǎng)護(hù)。待達(dá)到設(shè)計(jì)澆筑時(shí)間間隔后,再澆筑1/2高度試樣。澆筑完成后繼續(xù)用保鮮膜封蓋養(yǎng)護(hù)48 h,最后脫模養(yǎng)護(hù)。模擬試樣如圖2所示。

圖2 界面工藝室內(nèi)模擬試樣Fig.2 Simulation sample of interface process room
(2)充填工藝。在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)將室內(nèi)模擬試樣倒置后,即可模擬現(xiàn)場的密度沿深度變化情況。并且通過控制攪拌時(shí)間間隔來控制密度分層的程度。攪拌時(shí)間間隔越長,消泡越多,漿液密度越大,進(jìn)而澆筑后模型的密度分層程度越大。在進(jìn)行室內(nèi)模擬制樣時(shí),將澆筑分為3次進(jìn)行,澆筑中途澆筑時(shí)間間隔為2次,針對攪拌時(shí)間3個(gè)水平分別為1、3、5 min。首先將攪拌均勻的FMLS漿液倒入制樣盒內(nèi)至1/3高度,然后將剩余的漿液按照攪拌時(shí)間間隔水平繼續(xù)攪拌對應(yīng)時(shí)間后倒入制樣盒內(nèi)至2/3高度,最后將剩余漿液繼續(xù)按照攪拌時(shí)間間隔水平攪拌對應(yīng)時(shí)間后倒入制樣盒內(nèi)至充滿。最后將試樣養(yǎng)護(hù)脫模并倒置即可模擬現(xiàn)場實(shí)況進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。上述的1、3、5 min即為“充填工藝”的3個(gè)水平。模擬試樣如圖3所示。

圖3 充填工藝室內(nèi)模擬試樣Fig.3 Simulation sample of filling process laboratory
從初始階段損傷的模擬試驗(yàn)方法分析可知,F(xiàn)MLS初始階段損傷的關(guān)鍵影響因素為水膠比、氣泡含量、界面工藝和充填工藝。通過室內(nèi)界面工藝以及充填工藝的試樣模擬,以室內(nèi)模擬試樣的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為控制變量,分別針對水膠比、氣泡含量、界面工藝和水膠比、氣泡含量、充填工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),分析初始階段損傷關(guān)鍵因素對FMLS無側(cè)向抗壓強(qiáng)度的影響順序關(guān)系。
2.3.1 試驗(yàn)因素水平
根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177—2012)[14],試驗(yàn)試樣的濕容重為7 kN/m3,水膠比為0.58,氣泡含量為700 L/m3,以此為基準(zhǔn)組進(jìn)行浮動(dòng),然后結(jié)合南京浦口某FMLS填筑路堤公路項(xiàng)目施工水膠比為0.7,以此作為水膠比的浮動(dòng)上限。因此水膠比的水平取值為0.58、0.61、0.7;氣泡含量以700 L/m3作為基準(zhǔn),不設(shè)上下限,即作上下浮動(dòng),所以氣泡含量的水平取值為600、700、800 L/m3;在室內(nèi)試驗(yàn)工藝模擬時(shí)已考慮工藝因素的水平影響,所以界面工藝澆筑時(shí)間間隔水平為4、8、16 h;充填工藝攪拌時(shí)間水平為1、3、5 min。
2.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)選擇四因素三水平的規(guī)格化正交表L9(34),對多于因素作空白列設(shè)置。兩組正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 施工工藝選取的正交試驗(yàn)因素水平Table 4 The level of orthogonal test factors selected for construction process
由正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行室內(nèi)初始階段損傷模擬試驗(yàn)制樣,并根據(jù)相似比計(jì)算結(jié)果模擬現(xiàn)場車輛荷載,養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn),兩個(gè)正交試驗(yàn)共進(jìn)行18組,每個(gè)正交試驗(yàn)進(jìn)行9組試驗(yàn),每組試驗(yàn)制備3個(gè)平行試塊,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)取其平均值,并記錄界面工藝初始階段損傷和充填工藝初始階段損傷的強(qiáng)度平均值。
通過28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),對比界面初始階段損傷與充填初始階段損傷試樣的強(qiáng)度變化。表5所示為由于兩種工藝所造成的初始階段損傷的試樣28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。
由表5可見,界面工藝初始階段損傷模擬試驗(yàn)中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度皆大于1 MPa,其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大和最小出現(xiàn)在D1組和D9組,強(qiáng)度極差為1.343 MPa,對應(yīng)強(qiáng)度變化率為57.2%;充填工藝所造成的初始階段損傷的試樣28 d抗壓強(qiáng)度也皆大于1 MPa,每組平均抗壓強(qiáng)度最大值和最小值分別出現(xiàn)在D4組和D8組,極差為1.184 MPa,對應(yīng)的強(qiáng)度變化率為46.9%。

表5 初始階段損傷正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal test results of initial damage
對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析可以直觀地得到各因素的影響作用的主次順序。界面工藝的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果如表6所示。

表6 界面工藝28 d抗壓強(qiáng)度極差分析Table 6 Range analysis of 28 days compressive strength of interfacial process
注:Kjm為第j個(gè)因素第m個(gè)水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和(因素序號j=A、B、C;水平序號m=1、2、3);kjm為Kjm的平均值;Rj為極差,Rj=max(kjm)-min(kjm)。
由極差分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):RB>RA>RC,即水膠比、泡沫量和界面工藝3個(gè)初始階段損傷因素對FMLS抗壓強(qiáng)度影響的主次因素為:泡沫含量>水膠比>界面工藝。可見泡沫含量是影響FMLS初始階段損傷強(qiáng)度特性的主要因素,泡沫含量極差RB與另兩個(gè)相差較大,然后水膠比次之,界面工藝初始階段損傷對FMLS強(qiáng)度的初始階段損傷影響小于配合比。
充填工藝的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果如表7所示,表中符號含義同表6。
極差分析表明RB>RC>RA,說明與界面工藝初始階段損傷對強(qiáng)度的影響小于配合比的結(jié)論不同,充填工藝初始階段損傷對強(qiáng)度的影響介于泡沫含量與水膠比之間,即:泡沫量>充填工藝>水膠比。泡沫含量初始階段損傷極差RB大于水膠比的極差RA和充填工藝初始階段損傷RC,并且差距較大,RA與RC較為接近,但RC略大于RA。

表7 充填工藝28 d抗壓強(qiáng)度極差分析Table 7 Analysis of the range of compressive strength of the filling process for 28days
判斷極差分析合理與否需要使用方差分析從理論上進(jìn)行驗(yàn)證。正交實(shí)驗(yàn)在不同影響因素條件下進(jìn)行試驗(yàn),控制變量的結(jié)果也隨之改變,這種改變一方面是由于系統(tǒng)誤差造成的,另一方面主要是由因素水平變化導(dǎo)致。通過方差分析可以檢驗(yàn)因素水平的變化對控制變量帶來的影響是否顯著,即如果控制變量的變化隨因素水平的變化在誤差范圍內(nèi),則說明該因素對于控制變量的影響不顯著,反之則說明具有顯著影響。顯著性水平按照表8判別。

表8 顯著性的判斷標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Criteria for significance
由數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識[15],計(jì)算得到的界面工藝抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果如表9所示。從表9中可以看出,泡沫含量初始階段損傷對FMLS強(qiáng)度影響顯著,水膠比對FMLS強(qiáng)度比較顯著,界面工藝對FMLS強(qiáng)度有一定影響。因此,由方差分析可知這3個(gè)因素對28 d強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋号菽?水膠比>界面工藝,這與極差分析結(jié)論一致。這說明極差分析結(jié)果正確,極差分析結(jié)果得已驗(yàn)證。
充填工藝抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果如表10所示。從表10中可以看出,泡沫含量初始階段損傷對FMLS強(qiáng)度影響特別顯著,充填工藝對強(qiáng)度比較顯著,水膠比對強(qiáng)度有一定影響。因此,由方差分析可知這3個(gè)因素對28 d強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋号菽?充填工藝>水膠比。這一結(jié)論與極差分析相一致,極差分析結(jié)果得已驗(yàn)證。

表9 界面工藝抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果Table 9 Variance analysis results of compressive strength of interfacial process

表10 充填工藝抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果Table 10 Variance analysis results of compressive strength of filling process
為了更清楚地了解各種因素水平對試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律,以因素水平為橫坐標(biāo),試驗(yàn)指標(biāo)kjm為縱坐標(biāo),得到因素水平與指標(biāo)之間的關(guān)系如圖4所示。從圖4可見,在界面工藝初始階段損傷中,試樣的28 d強(qiáng)度隨水膠比和泡沫含量的增加呈降低趨勢,隨界面工藝澆筑間隔的增加強(qiáng)度略有增大,增大幅度為0.1 MPa左右;在充填工藝初始階段損傷中,試樣的28 d強(qiáng)度隨泡沫含量成下降趨勢,隨水膠比增大先增大后減小,但整體呈下降趨勢,隨充填工藝攪拌時(shí)間的增加先增大后減小。

圖4 初始階段損傷28 d強(qiáng)度與影響因素關(guān)系Fig.4 Relationship between the initial damage strength for 28 days and the influencing factors
經(jīng)過室內(nèi)模擬試驗(yàn)和對結(jié)果的分析,研究了泡沫混合輕質(zhì)土的初始階段損傷對試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律,結(jié)論如下。
(1)FMLS初始階段形成損傷的關(guān)鍵因素為設(shè)計(jì)階段的水膠比以及泡沫含量、施工階段的界面工藝(施工澆筑齡期、澆筑邊界設(shè)置)和充填工藝(澆筑均勻性、澆筑厚度)。
(2)基于相似理論給出了相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù),建立了室內(nèi)模擬FMLS初始階段損傷的試驗(yàn)方法。
(3)開展28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),獲取了界面工藝和充填工藝引起的初始階段損傷對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。
(4)綜合界面工藝和充填工藝中的結(jié)論認(rèn)為對FMLS的抗壓強(qiáng)度主次影響因素順序?yàn)榕菽?充填工藝>水膠比>界面工藝,在FMLS生產(chǎn)施工時(shí),可以通過改變泡沫含量來較大幅度改善FMLS的力學(xué)性質(zhì)。