气泡轻质土应力应变特性及耐久性研究

赵运会　刘华强　樊晓一　张玲玲　杨琪

摘要：针对气泡含量对气泡轻质土抗剪强度及冻融循环对其抗压强度和吸水率的影响问题，通过三轴试验和抗压强度试验，对气泡轻质土的力学特性进行了研究，得出以下结论：随着气泡含量的减小，气泡轻质土的破坏峰值逐渐增大；当混合料比例一定时，冻融循环对气泡轻质土吸水率的影响较弱，气泡含量对吸水率影响较小；气泡轻质土粘聚力随着气泡含量的增加而减小，内摩擦角则呈现先增大后减小的趋势。

关键词：气泡轻质土；气泡含量；抗剪强度；抗压强度

中图分类号：U416.21文献标志码：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

气泡轻质土是一种新材料，是按照一定比例在原料土中添加固化剂、水和气泡，经过充分混合、搅拌后形成的新型填土。由于该材料的轻质性、强度可调节性、高流动性以及固化后的自立性，使其具有施工性、耐久性好和隔热隔音等优点，在工程实践中得到广泛应用[12]。

综合研究表明，气泡轻质土的物理力学特性受多种因素的耦合作用[34]，本文在已有研究成果的基础上，改变气泡含量，通过三轴压缩和抗压强度试验，研究气泡轻质土的应力应变特性及冻融循环对其抗压强度和吸水率的影响，对于认识气泡轻质土的力学性能和变形机理，以及揭示气泡轻质土的不均匀变形和分析气泡轻质土破坏原因，具有重要意义。

1试验准备

1.1试验材料

水泥固化剂为P·O42.5普通硅酸盐水泥；发泡剂为KC30水泥发泡剂；原料土为雅安地区的过湿土；水为自来水。筛分试验表明，土体类别为粉砂土，粒径级配曲线如图1所示。土体物理力学参数见表1。

1.2试验方案

气泡混合轻质土是一种新型材料，对其物理力学

特性的研究目前无试验规程，故参照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）进行试验。粉砂土质量占混合料（粉砂土和水泥）质量的比值称为粉砂土含量，其中粉砂土与水泥的比例为1∶1，不包括气泡中的含水量。气泡含量为气泡的质量占混合料质量的比值，取4种典型气泡含量，分别为15%、2%、25%、30%，研究气泡轻质土抗剪强度的变化规律，以及冻融循环对其抗压强度和吸水率的影响，试验方案见表2。经过大量的试验验证，当气泡含量不变、龄期相同时，土样的容重变化不明显，气泡对土样的影响不显著[56]。根据试验设备的测量精度，设定每一种粉砂土含量的试件围压分别为01、02、04 MPa，结合经验选定不固结不排水剪试验的应变速率为0.8 mm·min-1。试验时，对试样施加轴向压力，试样高度每减小02%（016 mm）进行一次量力环百分表读数，直至读数稳定、急剧下降或竖向应变达到试样高度的20%为止。

1.3样品制备及养护

根据试验设计配比称取各试验原料，先将水泥和粉砂土（烘干至恒重并筛取颗粒粒径小于5 mm）加入水泥胶砂搅拌机进行搅拌；再将水倒入搅拌机内均匀搅拌；然后将被水稀释后的发泡剂用空气压缩机压缩成气泡后加入混合料中；达到规定体积后，将发泡混合料装入模具（直径为39.1 mm、高为80 mm的圆柱体）中，常温条件下养护3 d，脱模后用薄膜密封，在常温下养护至28 d龄期进行性能测试[710]。

1.4性能测试方法

三轴压缩试验是一种较完善的测定土体抗剪强度的试验方法。根据试样的排水情况，三轴试验可分为不固结不排水剪试验（UU）、固结不排水剪试验（CU）和固结排水剪试验（CD）。本试验采用不固结不排水剪（UU）试验，抗压强度参照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJ/177—2012），采用ZwickZ100电子万能材料试验机，以2 kN·s-1的速度连续均匀加载，直到试件被破坏，记录荷载，计算抗压强度。

2不固结不排水剪试验及结果分析

2.1气泡轻质混合土应力应变特性

绘制不同气泡含量下试样的应力应变曲线，如图2所示。

由图2可知：应力应变曲线具有非线性特征；相同气泡含量的试样随着围压增大，曲线形态由软化型向硬化型转化，强度不断增大；相同围压时，随着气泡含量的减小，试件的破坏峰值逐渐增大，曲线开始由硬化型向软化型转化；试件被破坏后的残余强度无较大的波动。

当气泡轻质土经过弹塑性变形发生塑性破坏后，完全处于弹塑性变形状态，此时塑性变形阶段的应力应变曲线近似为一条水平直线，土体处于单纯的压密变形阶段，最终土体发生破坏。土体的变形破坏机制是：在大主应力的作用下，土体在发生较大的轴向变形的同时，会引起较大的侧向变形，从而在土样中的某一中性面产生横向张拉作用力，并形成直立或者倾角较大的纵向裂隙，最终导致土体破坏。

2.2气泡混合轻质土抗剪强度分析

根据应力应变的关系曲线，选取主应力差为破坏点，若没有峰值，以应力路径的密集点或按一定轴向应变（一般取15%，经过论证也可根据实际情况选取破坏应变）的相应主应力差作为破坏强度值。在直角坐标轴上，以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标，在平面上绘制莫尔应力圆，并绘制在不同围压下所得应力圆的公切线，此公切线即为莫尔破坏应力圆的抗剪强度包络线，如图3所示。

图3不同气泡含量下试样的应力圆及抗剪强度包络线

从图3可以看出，莫尔应力圆公切线变化趋势是随应力的增加而增加，所以气泡轻质土材料基本符合莫尔库伦破坏准则，可以用τ=σtan φ+c（φ为内摩擦角，c为粘聚力）进行线性拟合。通过对不同气泡含量下的气泡轻质土的试验结果拟合，得到4种气泡含量下的抗剪强度包络线。包络线的倾角为内摩擦角φ，在纵轴上的截距为粘聚力c，计算得到气泡混合轻质土的抗剪强度指标c和φ，结果见表3、图4。

从图4可以看出，气泡轻质土粘聚力随着气泡含量的增加而减小，内摩擦角则呈现先增大后减小的趋势。

3冻融循环对气泡轻质土的影响

3.1冻融循环对气泡轻质土抗压强度的影响

图5为不同气泡含量下的气泡轻质土抗压强度随冻融循环次数的变化曲线。从图5可以看出，随着冻融循环次数的增加，不同气泡含量的气泡轻质土抗压强度逐渐减小，气泡含量越大，抗压强度下降得越快。当气泡含量在25%～30%时，冻融循环1次之后，气泡轻质土的抗压强度基本保持不变；气泡含量在15%～20%时，冻融循环1次之后，其抗压强度缓慢降低。原因为：气泡轻质土在泡水之后，吸收大量的水分，当试样在低温环境下，气泡中的水开始凝结，体积增大，使气泡轻质土内部结构发生破坏，随着冻融循环次数的增加，这种破坏进一步发展，使其力学性能降低。当气泡轻质土中的气泡含量增多时，试样内部空隙较大，水凝结之后体积增大，对其内部结构影响较小，故随着冻融循环次数的增加，抗冻融开裂能力基本不变，抗压强度基本保持不变。

图5冻融循环对气泡轻质土抗压强度的影响

3.2冻融循环对气泡轻质土吸水率的影响

图6为冻融循环前后不同气泡含量下的气泡轻质土吸水率变化曲线。从图6可以看出，气泡轻质土的吸水率随着气泡含量的增加而增加。当混合料比例一定时，冻融循环次数对气泡轻质土吸水率的影响较弱，气泡含量对其吸水率的影响也较小。冻融循环对气泡轻质土的内部结构虽然产生了破坏，但气泡破损较少，导致其吸水率基本保持不变。

4结语

本文为了研究不同气泡含量对气泡轻质土抗剪强度的影响，进行了不固结不排水常规三轴压缩试验及冻融循环试验，探讨了气泡含量与气泡轻质土抗剪强度之间的关系及冻融循环对其抗压强度和吸水率的影响，得出如下结论。

（1）气泡轻质土在不固结不排水条件下应力应变的变化规律为：在相同气泡含量下，随着围压增大，曲线形态由软化型向硬化型转化，强度不断增大；在相同围压下，随着气泡含量的减小，试件的破坏峰值逐渐增大，曲线开始由硬化型向软化型转化。

（2）随着冻融循环次数的增加，不同气泡含量的气泡轻质土抗压强度逐渐减小，气泡含量越大，抗压强度下降相对越快。当混合料比例一定时，冻融循环对气泡轻质土吸水率的影响较弱，气泡含量对其吸水率的影响也较小。

（3）随着气泡含量的增加，气泡轻质土的粘聚力逐渐减小，而内摩擦角则呈现先增大后减小的趋势。

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[责任编辑：杜敏浩]