基于疲勞荷載和凍融循環下路面泡沫混凝土的性能研究

楊建宏，葉林杰，谷云秋，匡渝陽，賀鴻飛

（1.中鐵二十三局集團有限公司 四川 成都 610072；2.浙江交工新材料有限公司，浙江 杭州 311400；3.寧波市公路與運輸管理中心，浙江 寧波315040；4.浙江大重建設有限公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

泡沫混凝土具有質輕、保溫效果好、強度較高等特點，近年來被廣泛的應用于路基處理中。而道路在使用過程中會受到循環荷載和凍融循環的共同作用，導致出現裂縫、翻漿、斷板等現象，給交通安全帶來巨大的隱患，影響其使用壽命[1-2]。故此，分析研究路用泡沫混凝土在凍融循環條件下的疲勞力學特性，能夠為泡沫混凝土在道路修建的應用提供參考。相關學者對混凝土在凍融循環和循環荷載分別作用下的力學特性進行了研究。覃麗坤等[3]對于不同水灰比下的混凝土進行了多次凍融循環實驗，結果表明，混凝土的抗壓強度隨著凍融循環次數的增加而顯著降低。胡安妮和任慧韜[4]的研究表明，凍融循環對GFRP 的力學特性有較大影響。管國東等[5]研究了引氣混凝土在不同凍融循環次數下的強度和變形特征，結果表明，凍融循環對素混凝土破壞模式不產生明顯影響。郭寅川等[6]研究了不同疲勞荷載下的路面混凝土的強度衰減規律，得出路面混凝土在荷載作用下由彈性變化為塑性后又呈現出類似彈性的特征。田立宗和逯靜洲[7]通過對混凝土試件先進行凍融循環，再進行疲勞破壞，研究了混凝土的力學特性。郭寅川等[8]研究了路用水泥混凝土在凍融循環與疲勞荷載的耦合作用下孔結構損傷，結果表明，凍融循環對孔結構的損傷更加顯著[9]。

目前，路用泡沫混凝土在凍融循環條件下的疲勞特性研究較少[10]，本文利用循環疲勞試驗和凍融試驗研究了路用泡沫混凝土在上述單一因素和二者耦合作用下力學性能的變化。

1 試驗

1.1 試驗概況

某大橋高速公路全長99.161 km，工程方向右側加寬，即K2190+600～K2191+196.5 左側，泡沫混凝土設計方量28384 m3。施工區域淺部分布著呈松散～稍密狀態粉砂土和粉土，層厚20～30 m；中部土質為低強度的流塑性淤泥土，分布厚度為10～20 m；底部則分布較大厚度的粉質黏土和粉砂土[10]。為保證試驗數據的可靠，試驗材料及試驗方法按照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》進行。試驗材料分別為：P·O42.5水泥，主要性能指標見表1；Ⅰ級粉煤灰，主要性能指標見表2；HT 復合發泡劑。本次試驗選用與實際工程相同配比下的泡沫混凝土，試驗配比見表3。首先按照試驗配比制備路用泡沫混凝土，然后對尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 標準試驗模具刷脫模劑，最終將路用泡沫混凝土注入模具中。常溫養護24 h 脫模，編號后放入恒溫養護箱中[溫度（20±2）℃、相對濕度≥95%]養護28 d，取出后進行相關性能測試。為減少試件中水分對凍融循環的影響，試驗前將試件放置（60±5）℃的恒溫箱中干燥，每4 h 進行稱量，直至前后2 次質量差小于1 g。

表1 水泥的主要性能指標

表2 粉煤灰的主要性能指標

表3 泡沫混凝土的配比

1.2 試驗方案

1.2.1 疲勞荷載的選取

該大橋為雙向八車道，由統計資料知，日均車流量約為3萬輛，單車道日均最大流量約4000 輛，按照0.05 Hz 的現場頻率進行計算，年均振動次數約為146 萬次，其中現場頻率是指每秒鐘振動次數，以設計年限50年為例，折減系數0.02，則疲勞試驗次數為150 萬次。根據JTG B01—2014《公路工程技術標準》、CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》對車輛荷載的計算規定，以A 級車輛荷載為控制標準，具體技術標準見表4。

表4 城-A 級車輛荷載

由表4 計算可知，最大荷載為第4 車軸處，荷載可達到0.67 MPa，經由路面層荷載分散之后，傳遞到路用泡沫混凝土層的荷載為0.082 MPa 左右，再計算路用泡沫混凝土層上部永久荷載約為0.08 MPa，路用泡沫混凝土層位于橋梁路面磨耗層之下，厚度為12.7 cm。

1.2.2 凍融次數和溫度標準

由JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》可知，路用泡沫混凝土路面設計使用壽命為10～15年。依據該地區氣象統計資料可知，該地區的自然凍融循環次數最多約為20次。故此，本次試驗選擇20 次為凍融循環次數的上限值。該地區發生凍融循環天氣時，1月份的平均氣溫為5 ℃，選擇此時的溫度為凍融循環的溫度上限；其凍融循環的溫度下限值，按照路用泡沫混凝的氣候分區進行選擇，查閱相關資料可知，該工程所處的冬溫區和冬冷區的分區溫度為-18 ℃，故此凍融循環試驗的溫度下限值為-18 ℃。

1.2.3 試驗工況

本次試驗主要分為2種工況，第1種為試件無凍融循環條件下進行疲勞荷載試驗；第2種為試件在多次凍融循環后再進行疲勞荷載試驗。疲勞荷載試驗采用SD300 型電液伺服動靜萬能試驗機對試件分別進行10 萬次、40 萬次、60 萬次、80 萬次、120 萬次和180 萬次循環荷載；依據凍融循環次數和溫度選擇標準，利用快速凍融循環試驗機，對試驗試件進行凍融循環試驗，以-18～5 ℃的溫度范圍，分別隨試驗試件進行0、5、20 次凍融循環。由GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》可知，其規定普通混凝土疲勞試驗的上限應力取0.66fe，下限應力取0.10fe，疲勞加載示意如圖1所示。

（1）第1種工況具體實驗流程為：采用電液伺服動靜萬能試驗機，參數為：頻率6 Hz，幅值3.5 kN，均值-5.5 kN，對試件分別進行10 萬～180 萬次的正弦波荷載的疲勞加載，對試驗試件的破壞過程及裂縫擴展情況進行觀察分析，并記錄試件裂隙擴展時的荷載循環次數。按照試驗方案對試件完成循環加載后，測試試件的無側限單軸抗壓強度及質量變化。第1種工況共7 組試件，每組3 個，以3 個試件的抗壓強度的平均值作為標準值。

圖1 疲勞試驗加載示意

（2）第2種工況具體實驗流程為：首先對試樣分別進行多次凍融循環，凍融試驗結束后對試樣進行養護4 h，然后按照工況1 進行疲勞荷載試驗，之后進行抗壓強度測試和質量分析。第2 工況試驗共14 組試件，每組3 個。

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度分析

對試件按照試驗方案，分別完成循環加載試驗和凍融循環試驗，然后進行無側限單軸抗壓強度試驗，加載速率設置為1.250 mm/min。試驗現場照片如圖2、圖3所示。

圖2 無側限試驗現場照片

圖3 不同凍融循環次數下試件的形態變化

在凍融循環和疲勞荷載作用下試件的無側限抗壓強度變化如圖4所示，其中S1 代表無凍融循環，S2 代表凍融循環5次，S3 代表凍融循環20 次（下同）。

圖4 不同工況下試件的無側限抗壓強度變化

由圖4 可知，未進行凍融循環時，泡沫混凝土的無側限抗壓強度隨著循環荷載次數的增加逐漸降低。在40 萬次循環荷載內泡沫混凝土的無側限抗壓強度下降明顯；在40 萬～120萬次循環荷載時泡沫混凝土的無側限抗壓強度衰減比較緩慢；在120 萬次以后隨著循環荷載次數的增加，無側限抗壓強度明顯下降，直至循環荷載180 萬次時，泡沫混凝土的無側限抗壓強度下降到原來的60%，最小值為1.07 MPa。這是由于疲勞荷載使微裂縫萌生并逐漸擴展，強度隨之劣化。

同時，在同樣的循環荷載次數下，試樣經過凍融循環后抗壓強度要明顯低于未經凍融循環的。隨著凍融循環次數的增加，試樣的無側限抗壓強度也有所降低，但是下降幅度不明顯，表明凍融循環對泡沫混凝土試件存在影響。

總體來說，無論是單一的循環荷載作用還是凍融循環與荷載耦合作用下，泡沫混凝土的無側限強度都隨著疲勞荷載次數的增加而逐漸降低。

2.2 試件的質量變化

試件的質量變化一定程度上反應了試件的損傷狀態，在凍融循環和疲勞荷載作用下試件的質量變化如圖5所示。

圖5 不同工況下試件的質量變化

由圖5 可知，路用泡沫混凝土試件在不同凍融循環次數下，試件的質量都隨著循環荷載次數的增加而減小，其中無凍融循環時試件的質量變化幅度較??；循環荷載次數相同的情況下，隨著凍融循環次數的增加，路用泡沫混凝土試件的質量先增大后減小，且質量變化的幅度在加載前期變化較小，后期變化較大。這是由于混凝土內部存在的縫隙和疲勞荷載引起的裂縫導致試件在凍融循環中含水率增加，進而使混凝土質量有所增大；隨著疲勞荷載的繼續增加，試件出現逐漸剝落和損傷程度增加的現象，導致質量減小。

2.3 相對動彈性模量變化

在凍融循環和疲勞荷載作用下試件的相對動彈性模量變化如圖6所示。

圖6 不同工況下試件的相對動彈性模量變化

由圖6 可知，當對路用跑混凝土進行循環荷載作用后，其相對動彈性模量均呈下降趨勢；當泡沫混凝土未進行循環加載時，其相對動彈性模量隨凍融循環次數的增加下降速度較為緩慢，而隨著循環荷載作用次數的增加，加快了其相對動彈性模量的下降速度，循環荷載作用后的泡沫混凝土會存在初始損傷，這導致泡沫混凝土的抗凍性能降低。

3 結論

（1）對泡沫混凝土進行疲勞加載時，隨著循環荷載次數的增加，無側限抗壓強度在循環前期下降明顯，然后緩慢衰減，在180 萬次循環荷載時無側限抗壓強度為原強度的60%。

（2）無論是單一的循環荷載作用還是凍融循環與荷載耦合作用下，泡沫混凝土的無側限抗壓強度均隨循環加載次數的增加而降低；凍融循環后泡沫混凝土的無側限抗壓強度要明顯低于未經凍融循環的。

（3）經歷不同凍融循環次數作用后，隨著循環荷載次數的增加，試件質量呈減小趨勢；對泡沫混凝土不進行凍融循環時，質量變化幅度較小，而經歷凍融循環后試件的質量顯著降低。

（4）疲勞荷載后再進行凍融循環試驗可知，初始疲勞荷載使泡沫混凝土的相對動彈性模量降低速度加快，這是因為循環加載使得泡沫混凝土產生初始損傷，進而降低了泡沫混凝土的抗凍性。