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        氣泡混合輕質(zhì)土抗凍穩(wěn)定性研究

        2022-08-15 06:55:02張紅彥
        交通世界 2022年20期
        關(guān)鍵詞:輕質(zhì)凍融循環(huán)吸水率

        張紅彥

        (山西交院試驗檢測有限公司,山西 太原 030006)

        0 引言

        因剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)銜接、新老路基交替、人工壓實控制不足產(chǎn)生的路基、填土差異沉降導(dǎo)致的橋臺跳車、路基沉陷、擋墻失穩(wěn)等問題一直是公路建設(shè)領(lǐng)域關(guān)注的重點,相關(guān)技術(shù)、工藝不斷改進。近年來,新材料、新工藝的發(fā)展也為上述問題的解決開辟了新的方向,氣泡混合輕質(zhì)土的應(yīng)用便是其中之一。

        氣泡混合輕質(zhì)土作為一種通過人工引入穩(wěn)定泡沫群的調(diào)配混凝土,依靠其輕質(zhì)性、性狀的可調(diào)性、良好的施工性吸引著不少研究者不斷將其應(yīng)用范圍進行拓展。得益于近年來工程機械的發(fā)展,其制備方式也由工廠集中生產(chǎn)向現(xiàn)場制備轉(zhuǎn)變,已有許多應(yīng)用于路基填筑、橋臺回填、舊路改造的案例[1]。目前,氣泡混合輕質(zhì)土在山區(qū)公路建設(shè)中多作為路基加強體應(yīng)用。在實際應(yīng)用中,氣泡輕質(zhì)混合土除需滿足應(yīng)力條件、承受各類工程荷載作用外,還需考慮耐久性問題,即受到應(yīng)用環(huán)境中各類自然因素的應(yīng)力作用后的客觀表現(xiàn)。在北方地區(qū),凍融穩(wěn)定性是最重要的耐久性指標(biāo),分析氣泡混合輕質(zhì)土的凍融穩(wěn)定性對其推廣應(yīng)用具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

        但目前關(guān)于凍融破壞對氣泡混合輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)與性能的影響研究較少,相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也比較欠缺。周云東等通過室內(nèi)試驗研究了凍融循環(huán)對氣泡混合輕質(zhì)土體積、密度及氣孔結(jié)構(gòu)等物理特性的影響[2];趙愛莉等著眼于公路采空區(qū)治理,分析了氣泡輕質(zhì)土試樣在浸水和凍融循環(huán)條件下密度和無側(cè)限抗壓強度的變化幅度和規(guī)律[3];章燦林等探討了凍融循環(huán)和酸堿腐蝕對氣泡輕質(zhì)土耐久性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響[4];劉楷等重點分析了干濕循環(huán)和硫酸鈉長期浸泡環(huán)境下氣泡混合輕質(zhì)土的強度和質(zhì)量變化[5];劉勇等通過調(diào)整配合比組分,分析了干濕、凍融循環(huán)后其抗壓強度變化情況[6]。綜上可知,針對氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性方面的研究較少,多集中于干濕循環(huán)下的強度分析?;诖?,本文以吸水率、凍融循環(huán)下的強度表現(xiàn)為切入點,探討原料土、粉煤灰、泡沫摻量對氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性能的影響。

        1 試驗方法

        1.1 試驗材料

        以表1 所示配合比為試驗基準(zhǔn)配比,通過以原料土、粉煤灰等量替代水泥、調(diào)整泡沫摻量,分析不同因素下氣泡混合輕質(zhì)土的凍融穩(wěn)定性。其中,水泥為P·O42.5 級硅酸鹽水泥,砂為河砂(細度模數(shù)為3.0),原料土為粉質(zhì)黏土(IP=15.97),粉煤灰為Ⅱ級,泡沫密度為46kg/m3。

        表1 氣泡輕質(zhì)土基準(zhǔn)配比

        1.2 分析指標(biāo)

        以吸水率、凍融抗壓強度為指標(biāo)分析氣泡混合輕質(zhì)土的凍融穩(wěn)定性。氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強度試驗參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177—2012),采用100mm 立方塊,每組3 塊。凍融循環(huán)為養(yǎng)護后于15~20℃水中浸泡2d,在-20~-15℃下凍結(jié)4h,取出后在15~20℃水中溶解4h,此為一個凍融循環(huán),規(guī)定的循環(huán)次數(shù)后,記錄試件質(zhì)量損失和破壞情況,測定抗壓強度。吸水率試驗根據(jù)《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)進行,試驗前將3 塊試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥,質(zhì)量恒定后冷卻至室溫,分3次飽和后求得。

        2 試驗結(jié)果及分析

        2.1 原料土對氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性的影響

        圖1為以不同量原料土替代水泥后,氣泡混合輕質(zhì)土試件經(jīng)養(yǎng)護28d后的吸水率、不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強度變化情況示意圖。由圖1可以看出,隨著原料土替代比例的增加,氣泡混合輕質(zhì)土吸水率呈上升趨勢,各凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強度均呈下降趨勢,且隨著原料土摻量增大,吸水率、抗壓強度變化速率呈增大趨勢。原料土摻量由0%提高至10%時,平均吸水率增加5.3%,各凍融循環(huán)次數(shù)下強度平均下降20%;原料土摻量由10%提高至20%時,平均吸水率增加7.2%,各凍融循環(huán)次數(shù)下強度平均下降33%。由凍融循環(huán)次數(shù)分析,經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)后抗壓強度平均損失6.54%,最大損失為14.38%;10 次凍融循環(huán)后,抗壓強度平均損失15.62%,最大損失為36.99%。可見,氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大,且變化速率呈增大趨勢。由此說明,在氣泡混合輕質(zhì)土中以原料土替代水泥時存在一個合理值,超過該閾值時,氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性明顯降低,這主要有兩方面的原因:一方面,過量原料土的摻入影響水泥的水化反應(yīng),黏土顆粒同水泥存在競爭吸水,干擾膠凝材料水化程度,影響水泥漿體骨架的整體性,降低氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強度;另一方面,氣泡混合輕質(zhì)土的吸水率隨原料土的增加而增大,說明原料土的加入增加了漿體內(nèi)孔隙的連通性,降低了氣泡混合輕質(zhì)土的封閉性、整體性,導(dǎo)致凍融循環(huán)后氣泡混合輕質(zhì)土試件強度降低。

        圖1 原料土摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強度、吸水率的影響

        2.2 粉煤灰對氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性的影響

        圖2為以不同量粉煤灰替代水泥后,氣泡混合輕質(zhì)土試件經(jīng)養(yǎng)護28d后的吸水率、不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強度變化情況示意圖。由圖2可知,隨著粉煤灰替代比例的增加,氣泡混合輕質(zhì)土吸水率呈先降低后上升的趨勢,替代量為25%時吸水率最小,相較不摻時降低13.9%,替代量為50%時,吸水率同不摻時基本一致。各凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強度隨著粉煤灰替代比例的增加呈先增大后減小的趨勢,替代量為37.5%時,強度達到最高,各凍融循環(huán)下強度平均增長6%,替代量由37.5%提高至50%時,各凍融循環(huán)下強度平均下降15%。由凍融循環(huán)次數(shù)分析,經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)后抗壓強度平均損失3.81%,最大損失為6.75%;經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后,抗壓強度平均損失7.95%,最大損失為15.87%。可見,氣泡輕質(zhì)土抗壓強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大,但衰減速率基本不變。說明相較于水泥,顆粒更細的粉煤灰更利于保持泡沫群的獨立、穩(wěn)定,更利于保持氣泡混合輕質(zhì)土的整體性,因為同為膠凝材料,粉煤灰的摻入使得水泥水化進程相對溫和,減少了水化熱對泡沫的干擾,降低了氣泡相互干擾、融通、消滅的概率,氣泡混合輕質(zhì)土含水率隨著粉煤灰替代量的增加而降低便說明了這點;粉煤灰通過火山灰效應(yīng),與水泥水化生成的氫氧化鈣二次水化,進一步提高了后期氣泡混合輕質(zhì)土的強度與整體性;然而粉煤灰摻量過高時,吸水率加速上升、抗壓強度加速衰減,此時粉煤灰的存在以填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)為主,對保持氣泡混合輕質(zhì)土的抗凍融性能有效。

        圖2 粉煤灰摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強度、吸水率的影響

        2.3 泡沫摻量對氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性的影響

        圖3為不同泡沫摻量下,氣泡混合輕質(zhì)土試件經(jīng)養(yǎng)護28d后的吸水率、不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強度變化情況示意圖。由圖3可以看出,泡沫摻量對氣泡混合輕質(zhì)土吸水率、抗壓強度影響較大,隨著泡沫摻量的增加,吸水率呈上升趨勢,不同次數(shù)凍融循環(huán)后的抗壓強度均明顯下降。泡沫摻量由6%提高至8%時,平均吸水率增加9.3%,各凍融循環(huán)下強度平均下降21%;泡沫摻量由8%提高至10%時,平均吸水率增加11.1%,各凍融循環(huán)次數(shù)下強度平均下降15%。由凍融循環(huán)次數(shù)分析,經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)后抗壓強度平均損失4.83%,最大損失為8.84%;10次凍融循環(huán)后,抗壓強度平均損失10.23%,最大損失為18.78%。可見,氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強度損失率隨泡沫摻量增加而增大,但未見明顯增大趨勢,仍保持一定強度,這說明泡沫可以穩(wěn)定存在于漿體中。就配合比而言,泡沫摻量的增加除降低了輕質(zhì)土的濕密度外,并未改變其成分組成,未影響膠凝材料水化過程,泡沫數(shù)量的增加并未明顯改變泡沫結(jié)構(gòu)、連通性,氣泡摻量由6%增加至10%時,氣泡混合輕質(zhì)土濕密度降低了近一半,其抗壓強度損失了36%,且10次凍融循環(huán)相較5次凍融循環(huán)并未出現(xiàn)明顯強度加速損失現(xiàn)象更印證了這一點。吸水率雖然隨泡沫摻量增長呈明顯上升趨勢,但考慮濕密度的變化,氣泡混合輕質(zhì)土的實際吸水量并未發(fā)生明顯增長,吸水率的增加主要是基于濕密度的下降,故氣泡混合輕質(zhì)土經(jīng)凍融循環(huán)后仍保留較高強度。

        圖3 泡沫摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強度、吸水率的影響

        3 結(jié)語

        本文通過控制變量法分析了原料土摻量、粉煤灰摻量、泡沫摻量對于氣泡混合輕質(zhì)土抗凍穩(wěn)定性能的影響,結(jié)果表明:原料土的摻入增大了氣泡混合輕質(zhì)土的吸水率、降低了其凍融循環(huán)后強度,以原料土等量替代水泥時存在一個合理值,超過該閾值時,將干擾膠凝材料水化程度,增強漿體內(nèi)孔隙的連通性,影響水泥漿體骨架的整體性,氣泡混合輕質(zhì)土凍融穩(wěn)定性明顯降低;粉煤灰的摻入可降低氣泡混合輕質(zhì)土的吸水率,增大其凍融循環(huán)后強度,但摻量過高時,以填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)為主,降低其抗凍穩(wěn)定性;泡沫摻量的增加雖然一定程度上降低了氣泡混合輕質(zhì)土的凍融后強度,但它可以穩(wěn)定存在于漿體中,未明顯增加氣泡混合輕質(zhì)土的實際吸水量,氣泡混合輕質(zhì)土經(jīng)凍融循環(huán)后仍保留較高強度。

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