泡沫轻质土抗冻性试验研究★

李连志，杨士斌，潘 玲，王剑英，周宪伟

(1.黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050； 2.吉黑高速山河至哈尔滨段工程项目办，黑龙江 哈尔滨 150001； 3.黑龙江省公路工程造价管理总站，黑龙江 哈尔滨 150008)

1 概述

泡沫轻质土亦称泡沫混凝土，属水泥基材料，是由发泡剂经稀释后产生的气泡群与水泥、水及可选添加材料按一定配比经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的具有闭孔孔结构的轻质多孔混凝土[1-2]。由于其具有轻质、高强、低渗透性、高耐久性等特点，多用于采空区填充、软基处理、道路加宽、基坑及管线回填等工程中[3-4]。然而在季冻区，尤其是黑龙江省泡沫轻质土暂无工程应用实例，这主要是因为针对泡沫轻质土的冻融破坏机理研究的尚不明确。

戴健对两种配比的泡沫混凝土经过300次冻融循环试验后得出结论，抗压强度在冻融过程中呈现出先减小后增大，而后又继续减小的趋势，最大值位于第150次。在第5次～10次冻融循环过程中，试样的强度变化不大。自第150次冻融开始，每增加一级冻融次数，部分试块均出现微小裂缝。当循环次数达到300时，试样残余强度和抗压强度逐渐下降，此时试样出现大量裂缝，但未发生结构性破坏，基本可满足路用年限要求[5]。冯扣宝对同一配合比的泡沫混凝土进行冻融循环试验，经过6次冻融循环结构就出现了破坏，强度丧失，通过电子显微镜观测统计后认为，冻融破坏过程实质是泡沫混凝土孔壁的冻融破坏过程，也就是孔壁内的水化产物结构由初始的密实状态经冻融循环后转变为疏松状态，同时孔壁裂缝的增多与发展，促使了泡沫混凝土的破坏[6]。这样显著的差异，使泡沫混凝土的冻融破坏机理及冻融环境下的工程应对策略的研究具有实际意义，为泡沫混凝土在季冻区的推广应用提供依据。

本文配制的泡沫轻质土进行了浸水饱和冻融循环试验，并通过冻融循环前后的质量及强度变化，电镜照片比对等，给出了泡沫轻质土冻融破坏机理，并据此提出了泡沫轻质土在季冻区的工程应用对策，具有一定的实用价值。

2 试验方案

2.1 试件制备

目前，泡沫轻质土主要应用于回填工程中，依据工程类型和回填部位的不同，泡沫轻质土的重度可在4 kN/m3～14 kN/m3，对应的强度范围在0.8 MPa～5 MPa[7]，本试验采用表1所列的原材料，针对路基回填用泡沫轻质土分别配制了强度为0.8 MPa，无掺合料和掺加矿粉的两种试件，制备成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，进行冻融循环试验，具体配合比见表2。

表1 原材料

表2 泡沫轻质土配合比

2.2 试验方案及仪器设备

为探究泡沫轻质土冻融循环破坏机理，试验关注浸水饱和后，试件的质量和强度变化。具体如下：

1)测定试件的初始质量及抗压强度；

2)测定试件浸水72 h，饱和后的质量及抗压强度；

3)本次试验冻融循环温度范围设定为-20 ℃～20 ℃，每次循环的时间设定为4 h；

4)每5次冻融循环后，测定试件的质量；

5)冻融至预定循环次数后，测定抗压强度；

6)取压碎后试件表面残片，进行电子显微镜分析冻融前后的孔隙结构变化。

3 试验结果

3.1 质量与强度变化

按照预定试验方案，进行10次冻融循环后部分试件出现严重破损，完全丧失强度，且与是否掺加矿粉无关，如图1所示。

剔除破损严重，完全丧失强度的试件，最终完成50次冻融循环，得出冻融循环与试件的质量和强度的变化关系，如图2，图3所示。

从图4中可以看出，泡沫轻质土经冻融循环后，试件虽然出现了掉角、破损等情况，但是质量变化并无规律可循，强度变化呈现出随着冻融循环次数的增加逐渐减小的趋势，冻融循环前泡沫轻质土在0.5%应变前属弹性变形阶段，进入塑性变形后很快进入破坏阶段，属脆性破坏；50次冻融循环后泡沫轻质土在1%应变前属弹性变形阶段，进入塑性变形阶段后持续达到4%的应变后进入破坏阶段，表现出类似塑性破坏的特点。

3.2 孔隙结构变化

为了顺利观测泡沫轻质土的孔隙结构特征，首先须将被观测试件进行导电处理，本试验采用ETD-2000型离子溅射仪将压碎后试件表面残片进行喷镀金处理，然后采用JEOL JSM-6510A分析型扫描电子显微镜对冻融循环前后进行不同倍率的观测，如图5，图6所示。

图6是泡沫轻质土经20次冻融循环后，同一孔隙不同放大倍率的电镜照片，图6中清晰可见冻融循环后孔隙内部发育出了新的裂隙。

4 破坏机理分析

与混凝土的冻融循环试验不同[8]，泡沫轻质土经冻融循环后质量变化并无规律可循，而抗压强度是随着冻融循环次数的增加急剧降低的，结合质量与抗压强度的变化，加之通过电子显微镜对冻融前后的孔隙结构变化，分析认为泡沫轻质土的冻融破坏主要是物理破坏，破坏特征也从脆性破坏转变为塑性破坏，泡沫轻质土是具有闭孔孔结构的轻质多孔材料，在饱水状态下，表面和部分开放孔隙中充满水，当温度达到负温以下，此部分孔隙水冻结，体积膨胀，使孔壁受压，由于材料自身强度不大，在此压力的作用下出现局部开裂，形成裂隙，增加了孔隙之间的联系，使试件内部原本封闭的孔隙与外部开放孔隙连通，当温度增加至0 ℃以上，水将沿此裂隙向试件内部渗透，当温度再次达到负温以下，孔隙水继续冻结，裂隙继续发育，周而复始，泡沫轻质土由表及里形成大量连通的破裂面，最终发生掉角、剥蚀破坏，强度逐渐降低。同时，泡沫轻质土的制备和浇筑的均匀性与连续性对试件的整体强度影响较大，经历10次冻融循环，部分试件出现严重剥蚀破坏，完全丧失强度，极有可能是因为在试件成型时其内部既有较多的连通孔隙，从而导致在较少的冻融循环次数就出现了破坏的现象。

5 结语

泡沫轻质土在饱水冻融循环后较易破坏，通过对泡沫轻质土冻融破坏机理的分析可见，抑制周围水对泡沫轻质土的渗透，可大大降低泡沫轻质土的抗冻融性。因此，在季冻区路基回填结构设计方面，可通过合理地设计排水沟或布置排水管把融水迅速排除，防止融水渗入是很有必要的；同时在填充体衔接面处应加铺防渗土工膜或防水卷材等隔水材料，防止地下水或融化水渗入泡沫轻质土，对延长泡沫轻质土的使用寿命极为有利。