路基过渡段泡沫混凝土处理性能研究

邓浩亮, 陈志明

(1.湖南省衡永高速公路建设开发有限公司, 湖南 衡阳 421699； 2.湖南路桥建设集团有限责任公司, 湖南 长沙 410004)

公路与桥梁之间的过渡段，往往由于回填自重过大而出现差异沉降，且回填自重的增加还会对桥台产生较大的侧向压力，对桥梁的安全性产生一定影响。泡沫混凝土具有质量轻、稳定性好、变形小等优点，能够很好地应用于过渡段[1]。目前国内外众多学者对泡沫混凝土在路基回填等领域的应用进行了大量研究，并取得了相应成果[2-6]。如严华[7]通过对河北省邢衡高速公路过渡段泡沫混凝土的应用分析，介绍了泡沫混凝土在过渡段应用的优点，并对其应用造价及环保性进行了分析；杜素云等[8]对泡沫混凝土的优点及在路基中应用的可行性进行了分析，并结合实际工程，介绍了绍兴软土地基路基工程中泡沫混凝土的应用。尽管泡沫混凝土在路基工程中的应用技术日益完善，但仍存在强度低、吸水性变化大等不足，因此本文以实际过渡段工程为依托，对采用泡沫混凝土处理后的过渡段性能进行研究，分析其强度及吸水性规律，为以后类似工程处理技术提供参考。

1 泡沫混凝土处理过渡段性能试验方案

1.1 试件制作

为了保证试验结果与实际工程的一致性，采用现场浇筑试验试件的方法。为了保证试验数据可靠性，减少试验过程中的偶然误差，同一批次共制作27个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的方形试验试件和10个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的圆柱形试验试件；其中方形试件用来进行强度试验，圆柱形试件用来进行吸水及失水试验。先将试验模具涂抹脱模剂，然后将现场采用的泡沫混凝土，均匀注入试验模具中，刮平表面静置24 h后进行脱模，并将试件编号放置恒温标准养护箱中养护28 d，如图1所示。该工程过渡段采用泡沫混凝土，原材料为42.5#普通硅酸盐水泥、HT复合发泡剂。其泡沫混凝土设计参数如表1所示。

图1 泡沫混凝土试验试件

表1 1 m3泡沫混凝土的配比及其设计参数设计容重/(kN·m-3)设计流动度/mm水泥/kg水/kg泡沫剂/L28 d 强度设计值/MPa6.0180350210677.1>0.8

1.2 性能测试

为了研究泡沫混凝土对过段处理后的性能，分别对试件进行吸水试验、失水试验及强度试验。

1.2.1吸水试验

为保证试验数据的可靠性，减少误差，选择含水率与质量较为接近的试件进行试验，废弃差距较大的试件，如图2所示。

图2 泡沫混凝土试件选择

首先采用电子天平称量各试样初始质量m0并记录，之后将试验试件全部置于水中进行浸泡，如图3所示。为得到试验试件吸水率随时间变化的规律，分别测量试验试件浸泡t时间后的质量mt，并利用式(1)求得试验试件浸泡t时后的吸水率nt。

nt=mt-m0/m0

(1)

式中：nt为t时刻吸水率；mt为试件浸泡t时间的质量；m0为试验试件初始质量。

图3 浸泡试件

1.2.2 失水试验

待试样吸水饱和质量恒定后，称量饱水试件质量M0，将试样从水中取出，放置于常温室内让其自然失水，记录失水过程中t时刻试样质量Mt，由式(2)可得试验试件失水率Nt。

Nt=M0-Mt/M0

(2)

式中：Nt为t时刻试件失水率；M0为饱水试件质量；Mt为试件t时刻试件质量。

1.2.3 强度试验

本次强度试验采用WD-50KD电子式万能试验机进行测量，该试验机具有测量精度高，对材料测量具有较快反应，可进行多种物理参数测量，试验过程可实现全自动化操作，在本次试验过程采用位移加载控制法，加载速率为0.5 mm/min，试验设备如图4所示。

图4 WD-50KD电子式万能试验机

为获得强度随吸水率变化的规律，将测得吸水率后的试件进行无侧限单轴抗压强度试验；为保证试验精度，每次测量3个试件，并求取平均值。本次试验测量共设置9个试验梯度，制作27个试件。

2 试验结果及分析

2.1 强度性能变化规律

将27个方形试验试件按3个为一组，分别测量其在水中浸泡0～8 d的单轴抗压强度和吸水率，求取每组试验的平均值作为本次试验数据，试验结果如表2所示。依据泡沫混凝土强度试验结果，分别绘制吸水率-时间变化曲线，单轴抗压强度-时间变化曲线及单轴抗压强度-吸水率变化曲线，如图5～图7所示。

表2 泡沫混凝土强度试验结果时间/d质量/g吸水率/%单轴抗压强度/MPa0472.800.002.101823.5574.191.732830.0075.551.393833.8076.351.244834.9876.601.155836.0576.831.106836.1576.850.977836.3476.890.848836.5476.930.81

图5 吸水率随时间变化曲线

图6 单轴抗压强度随时间变化曲线

图7 单轴抗压强度随吸水率变化曲线

由图5可知，泡沫混凝土吸水主要发生在浸泡第1天，即泡沫混凝土开始浸泡时，水会迅速占据泡沫混凝土中的孔隙；浸泡1～8 d时，泡沫混凝土的吸水率几乎保持不变。以图5中快速吸水段表示贯通孔隙吸水，平直吸水段表示密闭孔隙吸水，则由图可知贯通孔隙占据全部孔隙的96.43%。贯通孔隙的存在能够使泡沫混凝土在短时间内迅速吸水并达到饱和。

泡沫混凝土单轴抗压强度随着浸泡时间和吸水率的变化趋势大致相同，即泡沫混凝土迅速吸水时，其单轴抗压强度也会随之发生迅速下降。由图6、图7可知，当浸泡试验试件处于快速吸水阶段时，其单轴抗压强度迅速下降了28%～32%。随着浸泡时间增加，泡沫混凝土内部的密闭孔隙逐渐被水浸入，其内部的胶结力在水的作用下逐渐减弱，致使泡沫混凝土的单轴抗压强度随浸入时间的增加缓慢下降，且随着内部孔隙减少，其强度的下降速率逐渐减小；当其内部孔隙逐渐被水填充时，其强度变化趋近于稳定状态。由此可知，泡沫混凝土在富水环境应用时，在快速吸水阶段，泡沫混凝土中存在的大量贯通孔隙会迅速吸水，使其单轴抗压强度迅速下降；随着浸泡时间增加，泡沫混凝土中的密闭裂隙会被水逐渐侵入，其强度保持缓慢下降。

2.2 吸水及失水变化规律

从圆柱试件中选出3个质量最为相近的试件进行吸水及失水试验，依据前期经验，以时间梯度递增测量方式进行长期测量，试验结果如表3、表4所示。依据泡沫混凝土吸水及失水试验结果，绘制吸水及失水过程曲线图，如图8所示。

表3 泡沫混凝土吸水试验结果时间S-07试样S-08试样S-09试样质量/g吸水率/%质量/g吸水率/%质量/g吸水率/%02000.02030.02010.00.25 h208.94.5214.75.8213.86.40.5 h213.86.9222.49.6218.68.81 h220.510.3228.412.522411.41.5 h224.412.2231.614.1226.912.92 h227.513.8233.715.122813.43 h228.614.3235.115.8229.714.36 h23015.0235.616.123114.99 h233.116.6236.716.623215.421 h235.217.6238.117.3234.816.81 d236.618.3238.317.423516.91.5 d238.419.2239.518.0236.717.85.5 d247.623.8248.522.4245.121.96.5 d250.725.4250.923.6246.222.57 d250.425.2250.823.5247.323.0

表4 泡沫混凝土失水试验结果编号时间S-07试样S-08试样S-09试样质量/g失水率/%质量/g失水率/%质量/g失水率/%1 h245.923.0247.421.9243.821.36 h242.321.2243.520.024220.41 d238.119.1238.917.0238.518.72 d233.917.023716.7230.614.73 d230.115.1232.914.7226.112.55 d223.811.9229.413.0222.310.624 d220.910.5219.28.0217.68.3

图8 吸水及失水过程变化曲线图

由图8可知，当泡沫混凝土开始浸水，由于贯通孔隙占据96.43%，会发生迅速吸水，致使泡沫混凝土的容重迅速增加；浸泡24 h后，吸水速率逐渐降低，容重增加速率逐渐减缓，直至试验试件吸水饱和，试件容重增加达到最大。当试件浸水饱和后，自然失水时，其失水速率显著较吸水速率慢，前5 d以大致相同的速率进行失水，之后失水速率几乎为零，此时试件内的水无法完全失去，致使其容重增加9.5%左右。泡沫混凝土具有轻质、环保的优点，在路基工程中常被用来进行回填，由前述可知，当泡沫混凝土的应用环境为富水条件时，由于存在大量的贯通孔隙，会迅速吸水，致使容重增加25%左右，即使随着时间发生失水现象，其容重也会增加9.5%左右，使其难以达到减小自重应力的目的。故此需要依据实际情况对泡沫混凝土的设计参数进行修正，才能更好地应用于实际工程中。

3 结论

泡沫混凝土具有轻质、环保的优点，能够减少路基工程中回填自重过大造成的沉降问题，在路桥过渡段上可以很好地进行实际应用。本文以实际过渡段工程为依托，通过吸水、失水及强度试验，研究泡沫混凝土的性能。主要得出以下结论：

1) 泡沫混凝土由于存在96.43%的贯通裂隙，使其在浸水时，能够快速地进行吸水，并达到饱和状态。

2) 在快速吸水阶段，泡沫混凝土单轴抗压强度降低28%～32%。随着浸泡时间增加，泡沫混凝土内的密闭孔隙逐渐被水浸入，内部胶结力逐渐减弱，其单轴抗压强度发生缓慢下降。

3) 当泡沫混凝土的应用环境为富水条件时，由于大量孔隙存在，会使其迅速吸水导致容重增加，即使随后发生失水，其容重也会增加9.5%左右。故此在实际工程应用时，应根据应用环境对其设计参数进行修正。