張 強(qiáng),王 鑫
(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市300051;2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢有限公司,天津市300092)
泡沫輕質(zhì)土處治路基耐久性能研究
張 強(qiáng)1,王 鑫2
(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市300051;2.天津津質(zhì)工程技術(shù)咨詢有限公司,天津市300092)
通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),分析了泡沫輕質(zhì)土的疲勞特性及不同因素對(duì)其耐久性能的影響,并結(jié)合實(shí)際路面結(jié)構(gòu)受力情況,實(shí)測(cè)了泡沫輕質(zhì)土用于路基填筑的使用壽命情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:泡沫輕質(zhì)土具有良好的耐久性,能夠滿足公路工程設(shè)計(jì)使用年限的要求。
現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土;耐久性能;疲勞試驗(yàn);耐腐蝕性試驗(yàn)
泡沫輕質(zhì)土具有良好的輕質(zhì)性和流動(dòng)性、低的滲透性及強(qiáng)的隔熱性,在道路工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。相關(guān)研究表明,在合理配比且嚴(yán)格控制施工條件下,泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能均能滿足道路應(yīng)用需求[2,3]。但作為路基處治材料,其耐久性能將直接影響道路的耐久性,因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。
泡沫輕質(zhì)土的耐久性反映了其在不同外在因素長(zhǎng)期作用下的力學(xué)性能穩(wěn)定性。這些外在因素,通常為循環(huán)荷載、干濕交替、凍融交替及腐蝕性物質(zhì)的化學(xué)侵蝕等[4]。
為評(píng)價(jià)泡沫輕質(zhì)土的耐久性,以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化值來(lái)定義耐久系數(shù)k:
顯然,耐久系數(shù)越大,說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土在某一外在因素作用下的耐久性越好,反之亦然。
為了研究泡沫輕質(zhì)土的耐久性能,本文選取了4種泡沫輕質(zhì)土的配合比,如表1所示。
表1 試驗(yàn)所用泡沫輕質(zhì)土的配合比
疲勞試驗(yàn)采用基本配合比A,根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)方法[5],加載方式采用三分點(diǎn)加載,這主要是為了保證梁底面能有一段彎矩相等的均勻拉區(qū);另外由于該種材料的極限應(yīng)變較小,破壞形式為脆性破壞,因此采用應(yīng)力控制模式。試件A的拉彎強(qiáng)度見(jiàn)表2。不同應(yīng)力比(y)條件下,試件的疲勞壽命(用荷載循環(huán)作用次數(shù)N來(lái)表示)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表2 試件A的拉彎強(qiáng)度
表3 試件A的疲勞試驗(yàn)結(jié)果
由表3試驗(yàn)結(jié)果,可得到試件A在50%和95%保證率下的疲勞曲線及疲勞方程,如圖1、圖2所示。
圖1 疲勞曲線(50%保證率)
圖2 疲勞曲線(95%保證率)
為了進(jìn)一步分析泡沫輕質(zhì)土路基在車輛荷載作用下的疲勞性能,選取典型路面結(jié)構(gòu)(見(jiàn)表4),建立有限元模型進(jìn)行分析。
分別對(duì)100、200、300 kN軸載作用下,路基處理前后的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。表5、表6分別為標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下,路基不同深度處的應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。
表4 路面結(jié)構(gòu)及路基處理計(jì)算參數(shù)
表6 標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下路基不同深度處應(yīng)變對(duì)比表
由表5、表6可以看出,在路基頂面下104 cm處,附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值、附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值在路基處理后都要比路基未處理時(shí)明顯減小,說(shuō)明對(duì)路基進(jìn)行處理可大大降低其所承受的應(yīng)力水平。以附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值均小于0.2為基準(zhǔn),確定標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下路基工作區(qū)深度為1.3~1.5 m。
為了進(jìn)一步分析路基在重載作用下的應(yīng)力和應(yīng)變,對(duì)200、300 kN兩種重軸載情況進(jìn)行計(jì)算,表7、表8分別給出了200 kN荷載作用下路基的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。
表7 200 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)力對(duì)比表
表8 200 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)變對(duì)比表
由表7、表8可以看出,在重載作用下,在路基頂面下104 cm處,附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值在路基處理后都要比路基未處理時(shí)明顯減小??紤]重載車輛荷載的敏感性,以附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值均小于0.1為基準(zhǔn),確定200 kN荷載作用下路基工作區(qū)深度為1.8~2.0 m。
表9、表10分別給出了在300 kN荷載作用下路基的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。
同樣以附加壓應(yīng)變與自重壓應(yīng)變的比值及附加壓應(yīng)力與自重壓應(yīng)力的比值均小于0.1為基準(zhǔn),確定 300 kN荷載作用下路基工作區(qū)深度為2.3~2.5 m。
當(dāng)泡沫輕質(zhì)土距離路基頂面的厚度大于25 cm時(shí),汽車等外部荷載(輪胎接地壓強(qiáng) P0為0.70 MPa)所引起的輕質(zhì)土表面的附加應(yīng)力不超過(guò)總應(yīng)力的1/5(0.14 MPa),現(xiàn)按0.14 MPa考慮,輕質(zhì)土強(qiáng)度取疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度均值0.88 MPa,則應(yīng)力比y=0.16。按95%保證率下的疲勞方程,可計(jì)算出在此應(yīng)力比下泡沫輕質(zhì)土的疲勞壽命N≈1029次。顯然,對(duì)于一般公路工程的使用年限來(lái)說(shuō),這一疲勞壽命是完全足夠的。
表9 300 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)力對(duì)比表
表10 300 kN荷載作用下路基不同深度處應(yīng)變對(duì)比表
對(duì)表1中4種配合比的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件:試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d后,在50℃恒溫箱中放置2 d,然后在水中完全浸泡1 d,此為1次干濕循環(huán)。分別測(cè)試試件經(jīng)歷干濕循環(huán)1、5、10次后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及耐久系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11所示。
由表11可知,在試驗(yàn)初期,試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約降低10%~20%,此后,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)作用下,泡沫輕質(zhì)土的耐久系數(shù)均在0.9左右,說(shuō)明該種材料具有較好的耐久性。另外,泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其配合比有很大關(guān)系,在實(shí)際應(yīng)用中,必須根據(jù)工程條件合理進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),并嚴(yán)加控制。
表11 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果
為了明確凍融循環(huán)對(duì)泡沫輕質(zhì)土性能的影響,仍然采用A、B、C、D這4種配合比進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件:將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d的試件凍結(jié)(-24℃下24 h),然后在恒溫恒濕箱(21℃下24 h)中融解作為1次凍融循環(huán),共進(jìn)行10次凍融循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表12所示。
由表12可知,經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后所有配合比試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所降低,經(jīng)歷第1次凍融循環(huán)后的降幅較大,隨后趨于平緩。試驗(yàn)過(guò)程中,未發(fā)現(xiàn)試件表面有破壞現(xiàn)象,說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土的抗凍融性能較好。
耐腐蝕試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。由表13可知,泡沫輕質(zhì)土的耐堿腐蝕性能較耐酸腐蝕性能好。實(shí)際上,泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度主要由其孔隙骨架提供,其耐酸、耐堿性能與普通混凝土類似,能夠滿足工程應(yīng)用要求。
(1)通過(guò)疲勞試驗(yàn),確定了泡沫輕質(zhì)土的疲勞方程,并計(jì)算了泡沫輕質(zhì)土在0.16應(yīng)力水平下,95%保證率的疲勞壽命約為1029次,說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土能夠滿足公路設(shè)計(jì)要求。
表12 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果
表13 耐腐蝕試驗(yàn)
(2)干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)初期試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低,大約為10%~20%,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。試件的耐久系數(shù)約為0.9,說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土具有較好的耐久性能。
(3)凍融循環(huán)試驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)凍融循環(huán),試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低,在經(jīng)歷第1次凍融循環(huán)后降幅較大,隨后趨于平緩,耐久系數(shù)在0.9左右,且試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)試件表面有破壞現(xiàn)象,說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土的抗凍融性能較好。
(4)泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度主要由其孔隙骨架提供,其耐堿腐蝕性能較好,與普通混凝土類似。
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U414.1
A
1009-7716(2017)09-0200-04
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.061
2017-04-26
張強(qiáng)(1989-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,碩士,助理工程師,從事道路工程研究工作。