泡沫轻质土疲劳性能影响因素研究

李晓亮

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原030032）

泡沫轻质土是指通过发泡装置将发泡剂水溶液制成泡沫，再与水泥、掺合料和水充分拌合形成的一种微孔轻质材料，具有轻质、耐久性好和流动性好等优点，目前已在道路拼宽、台背回填及软土地基处理等工程中得到广泛应用[1-6]。泡沫轻质土性能对其实际应用效果有重要影响，因而目前就其性能的研究已引起广大科研工作者的关注。

陈谊等研究了多种因素对泡沫轻质土强度的影响，发现随着水灰比、发泡剂掺量、气泡含有率与外掺料掺量的增加，其抗压强度逐渐下降[7]；陈忠平等对泡沫轻质土的动力特性进行了分析，发现其动弹性模量随密度和应力的增加而增加[8]；陈金威等研究了掺合料对泡沫轻质土强度的影响，发现随着掺合料在胶凝材料中比例的增加，其抗压强度和抗剪强度均逐渐减小，且使用矿粉或粉煤灰作掺合料时泡沫轻质土的强度明显优于使用矿渣和高岭土[9]；李洪亮等对泡沫轻质土的疲劳特性进行了研究，发现随着水泥用量增加其疲劳寿命明显提高[10]；裘友强等基于扫描电镜（SEM）对泡沫轻质土的微观结构进行了分析，发现水固比减小时泡沫轻质土中气孔数量随之减小，且贯通度变浅，结构密度提高[11]；李群等研究了泡沫轻质土在软基处理中的应用效果，发现其较普通土可使路基荷载降低65.9%[5]。

现有研究已涉及泡沫轻质土强度、动力特性、疲劳性能及微观结构特性等，其中对疲劳性能影响因素的研究仍不够深入。为此，本研究改变水固比、粉煤灰用量和水泥用量制备泡沫轻质土小梁试件，进行不同试验频率和应力比条件下疲劳试验，分析其疲劳寿命变化规律。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）水泥

采用早强型普通325硅酸盐水泥，主要技术指标满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）要求，见表1所示。

表1 水泥主要技术指标Table 1 Main technical indicators of cement

（2）粉煤灰

采用电厂产二级粉煤灰作掺合料，主要技术指标满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB /T 1596-2017）要求，见表2。

表2 粉煤灰主要技术指标Table 2 Main technical indicators of fly ash

1.2 疲劳试验

将水泥、掺合料和发泡剂和自来水按一定配比制备100mm×100mm×400mm泡沫轻质土小梁试件，自然养护24h拆模后进行28d标准养护，进而采用万能试验机进行三点加载疲劳试验。试验采用应力控制正弦加载模式，以试件断裂时的加载次数作为疲劳寿命试验结果。

2 材料配比对泡沫轻质土疲劳性能影响

泡沫轻质土材料配比是影响其疲劳性能的关键因素。为此，分别改变水固比、胶凝材料中掺合料比例和水泥用量制备泡沫轻质土试件进行疲劳试验（频率10Hz，应力比0.7），得出疲劳寿命试验结果见表3。

表3 不同配比泡沫轻质土疲劳寿命试验结果Table 3 Fatigue life test results of lightweight foams with different proportions

2.1 水固比对泡沫轻质土疲劳性能影响

为分析水固比对泡沫轻质土疲劳性能的影响，将试件1、2和3的疲劳寿命试验结果绘制于图1。

图1 水固比对泡沫轻质土疲劳寿命的影响Fig. 1 Effect of water / solid ratio on fatigue life of lightweight foamed soil

由图1可知，随着水固比降低，泡沫轻质土疲劳寿命逐渐提高，其中水固比为1:1.7的试件1疲劳寿命为6153次，较水固比为1:1.8和1:1.9的试件2和试件3分别低670次和1500次。分析原因为水固比降低时泡沫轻质土中气泡孔径减小，气孔贯通程度变浅，同时气泡分散更为均匀，内部架空结构降低，此时泡沫轻质土内部结构密实度提高，疲劳性能变好。

2.2 粉煤灰对泡沫轻质土疲劳性能影响

为分析胶凝材料中粉煤灰比例对泡沫轻质土疲劳性能的影响，将试件2、4、5及2、6、7的疲劳寿命试验结果分别绘制于图2和图3。

图2 水泥用量不变时粉煤灰比例对泡沫轻质土疲劳寿命的影响Fig. 2 Influence of fly ash ratio on fatigue life of lightweight foamed soil when cement content is constant

由图2可知，水泥用量不变时随着胶凝材料中粉煤灰比例增加，泡沫轻质土疲劳寿命逐渐增加，其中粉煤灰掺量为10%时的试件6疲劳寿命为6531次，较粉煤灰掺量为20%和30%的试件5和试件2分别低101次和292次。分析原因一方面在于粉煤灰可降低水泥水化过程中的水化热，从而减弱泡沫轻质土硬化过程中因水化热造成的微裂缝损伤，另一方面粉煤灰具有火山灰活性，其水化有利于提高泡沫轻质土密实度，疲劳性能增强。

图3 胶凝材料用量不变时粉煤灰比例对泡沫轻质土疲劳寿命的影响Fig. 3 Influence of fly ash ratio on the fatigue life of lightweight foamed soil when the amount of cementing material is constant

由图3可知，胶凝材料用量不变时随着胶凝材料中粉煤灰比例增加，泡沫轻质土疲劳寿命逐渐降低，其中粉煤灰掺量为10%时的试件6疲劳寿命为7814次，较粉煤灰掺量为20%和30%的试件7和试件2分别高492次和991次。分析原因在于胶凝材料用量不变时增加粉煤灰比例会造成水泥用量降低，而水泥对泡沫轻质土疲劳性能的贡献优于粉煤灰。

2.3 水泥用量对泡沫轻质土疲劳性能影响

为分析水泥用量对泡沫轻质土疲劳性能的影响，将试件1、2、8、9和10的疲劳寿命试验结果绘制于图4。

图4 不同水固比下水泥用量对泡沫轻质土疲劳寿命的影响Fig. 4 Effect of cement content on fatigue life of lightweight foamed soil under different ratios of water to solid

由图4可知，随着水泥用量提高，泡沫轻质土疲劳寿命逐渐增加，尤其水固比较低时表现明显，其中水固比为1:1.7时，每立方米水泥用量为350kg的试件8疲劳寿命为7355次，较每立方米水泥用量为300kg的试件1增加了19.5%，而水固比为1:1.8时，每立方米水泥用量为350kg和400kg的试件9和试件10疲劳寿命分别为8054次和10215次，较每立方米水泥用量为300kg的试件2分别增加了24.8%和49.7%。分析原因为水泥用量增加时其水化产物增多，形成的泡沫轻质土内部结构更为致密，气孔孔壁的强度也随之增加，因而疲劳性能更好。

3 试验条件对泡沫轻质土疲劳性能影响

3.1 频率对泡沫轻质土疲劳性能影响

频率可表征车速快慢，故可通过改变试验频率模拟不同车速对泡沫轻质土的作用。为此，采用表3中试件1配比制备泡沫轻质土进行5Hz、10Hz、15Hz和20Hz频率条件下的疲劳试验，应力比0.7，结果如图5所示。

图5 频率对泡沫轻质土疲劳寿命的影响Fig. 5 Eff ect of frequency on fatigue life of foamed lightweight soil

由图5可知，泡沫轻质土疲劳寿命随试验频率的增加而增加，其中频率为5Hz时泡沫轻质土疲劳寿命为5867次，较频率为10Hz、15Hz和20Hz时的6153次、6876次和7123次分别低286次、1009次和1256次。同时，进行相关分析发现，疲劳寿命与频率呈明显的线性正相关关系，R2值达到0.96。分析原因为，频率增加时，荷载对试件作用时间减短，对泡沫轻质土造成的结构损伤降低的缘故。

3.2 应力比对泡沫轻质土疲劳性能影响

应力比可表征车辆荷载作用大小，故可通过改变应力比模拟不同轴载汽车对泡沫轻质土的作用。为此，采用表3中试件1配比制备泡沫轻质土进行0.5、0.6、0.7、0.8和0.9应力比条件下的疲劳试验，频率10Hz，结果见表4。

表4 应力比对泡沫轻质土疲劳寿命的影响Table 4 Eff ect of stress ratio on fatigue life of foamed lightweight soil

由表4可知，随着应力比增大，泡沫轻质土疲劳寿命迅速降低，其中应力比由0.5增加至0.6时，疲劳寿命降低117120次，而应力比达到0.9时，疲劳寿命仅有38次，因此进行泡沫轻质土配合比设计时应严格根据交通轴载情况确定合适的材料配比，保证强度适宜，同时还应对汽车超载情况进行严格控制。

将疲劳寿命取对数与应力比进行回归分析发现（如图6所示），疲劳寿命的对数随应力比的增加呈线性降低趋势，R2值达0.9765，与普通混凝土材料的疲劳特征类似。

图6 应力比对泡沫轻质土疲劳寿命的影响Fig. 6 Effect of stress ratio on fatigue life of lightweight foamed soil

4 结论

（1）随着水固比降低和水泥用量增加，泡沫轻质土疲劳寿命逐渐增加，其中水固比越低，增加水泥用量对其疲劳寿命的提高作用越明显。

（2）水泥用量不变时，增加粉煤灰用量能提高泡沫轻质土疲劳寿命，而胶凝材料掺用量不变时，增加粉煤灰用量会使疲劳寿命降低。

（3）试验频率增加时，泡沫轻质土疲劳寿命逐渐增加，且疲劳寿命与频率呈明显的线性相关关系，R2值达0.96；应力比增加时，泡沫轻质土疲劳寿命逐渐降低，且应力比与疲劳寿命的对数呈明显的线性相关关系，R2值达 0.9765。