張紅彥

（山西交院試驗檢測有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，公路建設(shè)領(lǐng)域新材料的研究不斷深入，許多性能卓越的新材料不斷得到應用，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)生路基、填土差異沉降導致的橋臺跳車、路基沉陷、擋墻失穩(wěn)等問題有了新的解決方案。氣泡混合輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料，因其低密度、高強度、良好的施工性能吸引著不少研究者不斷將其應用范圍進行拓展，至今已有許多應用于路基填筑、橋臺回填、舊路改造的案例。于黃土區(qū)而言，目前氣泡混合輕質(zhì)土多用于山區(qū)公路建設(shè)中，作為路基加強體應用。根據(jù)氣泡混合輕質(zhì)土的力學表現(xiàn)，其強度可調(diào)性、類剛體性均能適應路基力學要求，然而作為新材料的一種，其水穩(wěn)定性、抗凍穩(wěn)定性等耐久性能指標更為重要，路基水穩(wěn)定性不足易產(chǎn)生路面塌陷，進而影響到路面的壽命和服務水平。因而分析氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性等耐久性能，對其推廣應用具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

目前，我國尚無氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性方面統(tǒng)一的測試方法，也欠缺相應規(guī)范和標準。顧歡達等以河道淤泥作為氣泡輕質(zhì)土的原料土之一，通過分析濕潤養(yǎng)護后輕質(zhì)土施加荷載后的長度、撓曲變形，探討了輕質(zhì)土在不同力學條件下的變形性能[1]。黃學明等針對氣泡輕質(zhì)土應用中出現(xiàn)的夾層、裂縫等病害，由調(diào)整配合比著手，研究了氣泡輕質(zhì)土抗壓強度、流動性的主要影響因素[2]。趙全勝等通過室內(nèi)三軸試驗，分析了輕質(zhì)土在復雜應力狀態(tài)下的變形規(guī)律[3]。侯智堅等通過氣泡混合體干濕循環(huán)后無側(cè)限抗壓強度與劈裂強度試驗，提出了輕質(zhì)土路床應用土摻量的建議值[4]。杜杰等重點分析了硫酸鈉環(huán)境下氣泡混合體強度、密度、體積變化，進而探討輕質(zhì)土的抗干濕循環(huán)性能[5]。

綜上可知，針對氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性等路用耐久性能方面研究較少，有限的研究多采用干濕循環(huán)下強度分析，基于此本文針對氣泡輕質(zhì)土水穩(wěn)定性，探討水膠比、粉煤灰摻量、原料土摻量對氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)定性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

表1所示配合比為試驗基準配比，調(diào)整水膠比、粉煤灰、原料土摻量，分析不同配合比下氣泡輕質(zhì)土飽水抗壓強度、軟化系數(shù)。表1中水泥為P·O 42.5級硅酸鹽水泥，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)土基準配比

1.2 水穩(wěn)定性指標

采用試件飽和抗壓強度、軟化系數(shù)為指標反映氣泡輕質(zhì)土水穩(wěn)定性，軟化系數(shù)為飽水強度與絕干強度的比值，反映了氣泡混合輕質(zhì)土在飽水狀態(tài)下的力學性能，參照《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012），氣泡輕質(zhì)土抗壓強度試件采用100mm立方塊，每組3塊。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水膠比對水穩(wěn)定性能影響

表2為不同水膠比下氣泡混合輕質(zhì)土試件飽水強度及軟化系數(shù)。由表2可知，試件飽水無側(cè)限抗壓強度對于水膠比變化較為敏感且存在峰值表現(xiàn)，隨水膠比增大而先增大后減小，水膠比為0.48時，3d,7d和28d飽水強度最大。軟化系數(shù)變化趨勢同飽水強度一致，均為先增后降。早期的增長趨勢說明較高的水膠比利于氣泡群在漿體中穩(wěn)定存在，基體整體性呈上升趨勢，進而提升了飽水強度；而過大的水膠比導致膠凝材料不足，漿體均勻性不佳、氣泡包裹性差、孔徑變大，飽水狀態(tài)下易出現(xiàn)應力集中，從而降低基體的水穩(wěn)定性。水膠比為0.48時強度最大，說明此時輕質(zhì)土整體性最好，膠凝材料充分水化，各組分同泡沫充分融合，對泡沫的包裹性最佳。

軟化系數(shù)于齡期而言，3d,7d,28d平均軟化系數(shù)分別為0.85,0.72,0.75，呈先降后升趨勢。但3d時飽水強度均值僅0.42MPa，說明此時膠凝材料尚未水化完成，基體尚處于強度發(fā)揮初級階段，故干強度同飽和強度差值不大；隨齡期增長，膠凝材料持續(xù)水化，干強度增長明顯快于飽水強度，導致軟化系數(shù)持續(xù)降低；7~28d，干強度已增長平緩，飽水強度增長量大于干強度，故28d時軟化系數(shù)有一定的提高。

表2 不同水膠比下試塊飽水強度及軟化系數(shù)

2.2 粉煤灰摻量對水穩(wěn)定性能影響

由表2可知，水膠比為0.48時強度及軟化系數(shù)最大，在此基礎(chǔ)上以粉煤灰替代部分水泥，分析粉煤灰對混合料水穩(wěn)定性影響。由表3可知，輕質(zhì)土飽水強度隨粉煤灰摻量的增加呈先降后升趨勢，摻量為12.5%飽水強度較摻量為0%時平均下降5.7%，摻量為25%時基本相同，摻量為37.5%時平均增長了18.4%，摻量為50%時增長了31.2%，說明一定摻量的粉煤灰可增加氣泡混合輕質(zhì)土的飽水強度。

軟化系數(shù)隨粉煤灰摻量的變化趨勢同飽水強度一致，摻量由0%增至25%時軟化系數(shù)存在一定程度下降，當摻量由25%提升至50%時，軟化系數(shù)回升至摻量為0%的水平。這是因為當粉煤灰摻量從0%增加至25%時，粉煤灰整體摻量較少，作為混合體中的離散顆粒，增加了氣泡群的泌水量，一定程度上提高了內(nèi)部的吸水率，降低了軟化系數(shù)；當粉煤灰摻量繼續(xù)增加，混合體均勻性提高，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)趨于密實，在飽水狀態(tài)下強度提高，進而導致軟化系數(shù)增大；由齡期對比可知，平均軟化系數(shù)3d＞28d＞7d，這同粉煤灰加入后混合體干強度的增長周期相關(guān)，3~7d時，混土體干強度增長明顯快于飽水強度；7~28d內(nèi)，混土體飽和強度增長快于干強度增長，且與粉煤灰摻量呈正相關(guān)。

表3 不同粉煤灰摻量飽水強度及軟化系數(shù)

2.3 原料土摻量對水穩(wěn)定性能影響

原料土的摻入可以一定程度上降低氣泡混合土的造價。在表2水膠比為0.48配合比基礎(chǔ)上，以原料土替代部分水泥，分析原料土摻量對氣泡混合土水穩(wěn)定性影響。由表4可知，隨原料土按比例增加替代水泥，輕質(zhì)土飽水強度與軟化系數(shù)均出現(xiàn)大幅度下降，3d飽水強度隨原料土摻量從0%依次增大到5%、11%、18%和25%時，分別下降8.1%、21.0%、30.6%和50.0%；7d飽水強度分別下降13.2%、23.5%、38.2%和57.4%；28d飽水強度分別下降18.3%、28.0%、39.0%和59.8%。

表4 不同原料土摻量飽水強度及軟化系數(shù)

軟化系數(shù)隨原料土摻量增加也呈明顯下降趨勢，原料土摻量從0%依次增大到5%,11%,18%和25%時，3d軟化系數(shù)分別下降了5.4%,13.0%,22.8%和31.5%；7d軟化系數(shù)分別下降3.8%,11.5%,24.4%和33.3%；28d軟化系數(shù)分別下降4.9%,14.6%,24.4%和31.7%。結(jié)合飽水強度的衰減規(guī)律可知，原料土加入后，混合土干強度的降低幅度低于飽水強度，由此可見，原料土的摻加會對輕質(zhì)土水穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。其主要原因在于原料土本身不發(fā)生水化反應且會阻礙膠凝材料水化反應，影響水化和凝結(jié)硬化，同時其自身在吸水過程中體積膨脹，強度降低，在原料土摻量較大時，土顆粒使氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)部孔壁的吸水率大大提升，降低了氣泡混合輕質(zhì)土的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文以氣泡混合輕質(zhì)土路用耐久性為切入點，對氣泡混合輕質(zhì)土配合比進行優(yōu)化設(shè)計，以氣泡混合輕質(zhì)土飽水抗壓強度、軟化系數(shù)為分析指標，研究了不同水膠比、粉煤灰、原料土條件下氣泡混合輕質(zhì)土的水穩(wěn)定性能。結(jié)果表明：較高的水膠比利于氣泡群在漿體中穩(wěn)定存在，漿體整體性提升進而增強基體飽水強度、軟化系數(shù)；過大的水膠比導致膠凝材料不足、漿體均勻性不佳、氣泡包裹性差，飽水狀態(tài)下易出現(xiàn)應力集中，降低漿體水穩(wěn)定性；一定摻量的粉煤灰利于漿體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)密實，提高飽水強度，增大軟化系數(shù)，提升水穩(wěn)定性；原料土不發(fā)生水化反應且阻礙膠凝材料水化，游離土顆粒使輕質(zhì)土內(nèi)部孔壁的吸水率升高，對混合土飽水強度影響較大，不利于混合土的水穩(wěn)定性。