楊建宏，葉林杰，谷云秋，匡渝陽(yáng)，賀鴻飛

（1.中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川 成都 610072；2.浙江交工新材料有限公司，浙江 杭州 311400；3.寧波市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 寧波315040；4.浙江大重建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

泡沫混凝土具有質(zhì)輕、保溫效果好、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛的應(yīng)用于路基處理中。而道路在使用過(guò)程中會(huì)受到循環(huán)荷載和凍融循環(huán)的共同作用，導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫、翻漿、斷板等現(xiàn)象，給交通安全帶來(lái)巨大的隱患，影響其使用壽命[1-2]。故此，分析研究路用泡沫混凝土在凍融循環(huán)條件下的疲勞力學(xué)特性，能夠?yàn)榕菽炷猎诘缆沸藿ǖ膽?yīng)用提供參考。相關(guān)學(xué)者對(duì)混凝土在凍融循環(huán)和循環(huán)荷載分別作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。覃麗坤等[3]對(duì)于不同水灰比下的混凝土進(jìn)行了多次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而顯著降低。胡安妮和任慧韜[4]的研究表明，凍融循環(huán)對(duì)GFRP 的力學(xué)特性有較大影響。管國(guó)東等[5]研究了引氣混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度和變形特征，結(jié)果表明，凍融循環(huán)對(duì)素混凝土破壞模式不產(chǎn)生明顯影響。郭寅川等[6]研究了不同疲勞荷載下的路面混凝土的強(qiáng)度衰減規(guī)律，得出路面混凝土在荷載作用下由彈性變化為塑性后又呈現(xiàn)出類似彈性的特征。田立宗和逯靜洲[7]通過(guò)對(duì)混凝土試件先進(jìn)行凍融循環(huán)，再進(jìn)行疲勞破壞，研究了混凝土的力學(xué)特性。郭寅川等[8]研究了路用水泥混凝土在凍融循環(huán)與疲勞荷載的耦合作用下孔結(jié)構(gòu)損傷，結(jié)果表明，凍融循環(huán)對(duì)孔結(jié)構(gòu)的損傷更加顯著[9]。

目前，路用泡沫混凝土在凍融循環(huán)條件下的疲勞特性研究較少[10]，本文利用循環(huán)疲勞試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)研究了路用泡沫混凝土在上述單一因素和二者耦合作用下力學(xué)性能的變化。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

某大橋高速公路全長(zhǎng)99.161 km，工程方向右側(cè)加寬，即K2190+600～K2191+196.5 左側(cè)，泡沫混凝土設(shè)計(jì)方量28384 m3。施工區(qū)域淺部分布著呈松散～稍密狀態(tài)粉砂土和粉土，層厚20～30 m；中部土質(zhì)為低強(qiáng)度的流塑性淤泥土，分布厚度為10～20 m；底部則分布較大厚度的粉質(zhì)黏土和粉砂土[10]。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠，試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法按照J(rèn)GJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。試驗(yàn)材料分別為：P·O42.5水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1；Ⅰ級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2；HT 復(fù)合發(fā)泡劑。本次試驗(yàn)選用與實(shí)際工程相同配比下的泡沫混凝土，試驗(yàn)配比見(jiàn)表3。首先按照試驗(yàn)配比制備路用泡沫混凝土，然后對(duì)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)＞咚⒚撃?，最終將路用泡沫混凝土注入模具中。常溫養(yǎng)護(hù)24 h 脫模，編號(hào)后放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱中[溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度≥95%]養(yǎng)護(hù)28 d，取出后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。為減少試件中水分對(duì)凍融循環(huán)的影響，試驗(yàn)前將試件放置（60±5）℃的恒溫箱中干燥，每4 h 進(jìn)行稱量，直至前后2 次質(zhì)量差小于1 g。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

表3 泡沫混凝土的配比

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 疲勞荷載的選取

該大橋?yàn)殡p向八車道，由統(tǒng)計(jì)資料知，日均車流量約為3萬(wàn)輛，單車道日均最大流量約4000 輛，按照0.05 Hz 的現(xiàn)場(chǎng)頻率進(jìn)行計(jì)算，年均振動(dòng)次數(shù)約為146 萬(wàn)次，其中現(xiàn)場(chǎng)頻率是指每秒鐘振動(dòng)次數(shù)，以設(shè)計(jì)年限50年為例，折減系數(shù)0.02，則疲勞試驗(yàn)次數(shù)為150 萬(wàn)次。根據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)車輛荷載的計(jì)算規(guī)定，以A 級(jí)車輛荷載為控制標(biāo)準(zhǔn)，具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 城-A 級(jí)車輛荷載

由表4 計(jì)算可知，最大荷載為第4 車軸處，荷載可達(dá)到0.67 MPa，經(jīng)由路面層荷載分散之后，傳遞到路用泡沫混凝土層的荷載為0.082 MPa 左右，再計(jì)算路用泡沫混凝土層上部永久荷載約為0.08 MPa，路用泡沫混凝土層位于橋梁路面磨耗層之下，厚度為12.7 cm。

1.2.2 凍融次數(shù)和溫度標(biāo)準(zhǔn)

由JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》可知，路用泡沫混凝土路面設(shè)計(jì)使用壽命為10～15年。依據(jù)該地區(qū)氣象統(tǒng)計(jì)資料可知，該地區(qū)的自然凍融循環(huán)次數(shù)最多約為20次。故此，本次試驗(yàn)選擇20 次為凍融循環(huán)次數(shù)的上限值。該地區(qū)發(fā)生凍融循環(huán)天氣時(shí)，1月份的平均氣溫為5 ℃，選擇此時(shí)的溫度為凍融循環(huán)的溫度上限；其凍融循環(huán)的溫度下限值，按照路用泡沫混凝的氣候分區(qū)進(jìn)行選擇，查閱相關(guān)資料可知，該工程所處的冬溫區(qū)和冬冷區(qū)的分區(qū)溫度為-18 ℃，故此凍融循環(huán)試驗(yàn)的溫度下限值為-18 ℃。

1.2.3 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)主要分為2種工況，第1種為試件無(wú)凍融循環(huán)條件下進(jìn)行疲勞荷載試驗(yàn)；第2種為試件在多次凍融循環(huán)后再進(jìn)行疲勞荷載試驗(yàn)。疲勞荷載試驗(yàn)采用SD300 型電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件分別進(jìn)行10 萬(wàn)次、40 萬(wàn)次、60 萬(wàn)次、80 萬(wàn)次、120 萬(wàn)次和180 萬(wàn)次循環(huán)荷載；依據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)和溫度選擇標(biāo)準(zhǔn)，利用快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，以-18～5 ℃的溫度范圍，分別隨試驗(yàn)試件進(jìn)行0、5、20 次凍融循環(huán)。由GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》可知，其規(guī)定普通混凝土疲勞試驗(yàn)的上限應(yīng)力取0.66fe，下限應(yīng)力取0.10fe，疲勞加載示意如圖1所示。

（1）第1種工況具體實(shí)驗(yàn)流程為：采用電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，參數(shù)為：頻率6 Hz，幅值3.5 kN，均值-5.5 kN，對(duì)試件分別進(jìn)行10 萬(wàn)～180 萬(wàn)次的正弦波荷載的疲勞加載，對(duì)試驗(yàn)試件的破壞過(guò)程及裂縫擴(kuò)展情況進(jìn)行觀察分析，并記錄試件裂隙擴(kuò)展時(shí)的荷載循環(huán)次數(shù)。按照試驗(yàn)方案對(duì)試件完成循環(huán)加載后，測(cè)試試件的無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量變化。第1種工況共7 組試件，每組3 個(gè)，以3 個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 疲勞試驗(yàn)加載示意

（2）第2種工況具體實(shí)驗(yàn)流程為：首先對(duì)試樣分別進(jìn)行多次凍融循環(huán)，凍融試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)4 h，然后按照工況1 進(jìn)行疲勞荷載試驗(yàn)，之后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試和質(zhì)量分析。第2 工況試驗(yàn)共14 組試件，每組3 個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

對(duì)試件按照試驗(yàn)方案，分別完成循環(huán)加載試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，然后進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率設(shè)置為1.250 mm/min。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2、圖3所示。

圖2 無(wú)側(cè)限試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的形態(tài)變化

在凍融循環(huán)和疲勞荷載作用下試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化如圖4所示，其中S1 代表無(wú)凍融循環(huán)，S2 代表凍融循環(huán)5次，S3 代表凍融循環(huán)20 次（下同）。

圖4 不同工況下試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化

由圖4 可知，未進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加逐漸降低。在40 萬(wàn)次循環(huán)荷載內(nèi)泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降明顯；在40 萬(wàn)～120萬(wàn)次循環(huán)荷載時(shí)泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減比較緩慢；在120 萬(wàn)次以后隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯下降，直至循環(huán)荷載180 萬(wàn)次時(shí)，泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降到原來(lái)的60%，最小值為1.07 MPa。這是由于疲勞荷載使微裂縫萌生并逐漸擴(kuò)展，強(qiáng)度隨之劣化。

同時(shí)，在同樣的循環(huán)荷載次數(shù)下，試樣經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度要明顯低于未經(jīng)凍融循環(huán)的。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有所降低，但是下降幅度不明顯，表明凍融循環(huán)對(duì)泡沫混凝土試件存在影響。

總體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是單一的循環(huán)荷載作用還是凍融循環(huán)與荷載耦合作用下，泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度都隨著疲勞荷載次數(shù)的增加而逐漸降低。

2.2 試件的質(zhì)量變化

試件的質(zhì)量變化一定程度上反應(yīng)了試件的損傷狀態(tài)，在凍融循環(huán)和疲勞荷載作用下試件的質(zhì)量變化如圖5所示。

圖5 不同工況下試件的質(zhì)量變化

由圖5 可知，路用泡沫混凝土試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，試件的質(zhì)量都隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加而減小，其中無(wú)凍融循環(huán)時(shí)試件的質(zhì)量變化幅度較?。谎h(huán)荷載次數(shù)相同的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，路用泡沫混凝土試件的質(zhì)量先增大后減小，且質(zhì)量變化的幅度在加載前期變化較小，后期變化較大。這是由于混凝土內(nèi)部存在的縫隙和疲勞荷載引起的裂縫導(dǎo)致試件在凍融循環(huán)中含水率增加，進(jìn)而使混凝土質(zhì)量有所增大；隨著疲勞荷載的繼續(xù)增加，試件出現(xiàn)逐漸剝落和損傷程度增加的現(xiàn)象，導(dǎo)致質(zhì)量減小。

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

在凍融循環(huán)和疲勞荷載作用下試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化如圖6所示。

圖6 不同工況下試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

由圖6 可知，當(dāng)對(duì)路用跑混凝土進(jìn)行循環(huán)荷載作用后，其相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈下降趨勢(shì)；當(dāng)泡沫混凝土未進(jìn)行循環(huán)加載時(shí)，其相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加下降速度較為緩慢，而隨著循環(huán)荷載作用次數(shù)的增加，加快了其相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降速度，循環(huán)荷載作用后的泡沫混凝土?xí)嬖诔跏紦p傷，這導(dǎo)致泡沫混凝土的抗凍性能降低。

3 結(jié)論

（1）對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行疲勞加載時(shí)，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在循環(huán)前期下降明顯，然后緩慢衰減，在180 萬(wàn)次循環(huán)荷載時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為原強(qiáng)度的60%。

（2）無(wú)論是單一的循環(huán)荷載作用還是凍融循環(huán)與荷載耦合作用下，泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而降低；凍融循環(huán)后泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要明顯低于未經(jīng)凍融循環(huán)的。

（3）經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，試件質(zhì)量呈減小趨勢(shì)；對(duì)泡沫混凝土不進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，質(zhì)量變化幅度較小，而經(jīng)歷凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量顯著降低。

（4）疲勞荷載后再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)可知，初始疲勞荷載使泡沫混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量降低速度加快，這是因?yàn)檠h(huán)加載使得泡沫混凝土產(chǎn)生初始損傷，進(jìn)而降低了泡沫混凝土的抗凍性。