趙烜，曹天宇，蔣濤，李檬，馬紀(jì)元

（中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

泡沫輕質(zhì)混凝土是由水泥(固化材料)、水、原料土(砂或砂性土或低液限土)按一定比例充分混合形成漿體，然后再與一定比例足夠細小的穩(wěn)定氣泡群充分混合攪拌形成流體，并最終凝固成型的一種輕型填筑材料[1]。由于制造過程中氣泡群的作用，使得單位體積的泡沫輕質(zhì)混凝土相較于普通混凝土有著自重輕、強度高、流動性好的優(yōu)點。

隨著路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大、新線接入，既有高速鐵路所需的路基幫寬工程逐漸增多，線路沉降和變形難以控制，常規(guī)填土工法會大幅提高路基荷載，并對路基產(chǎn)生豎向荷載和側(cè)向壓力，造成鐵路路段差異沉降[2]。泡沫混凝土可以改善鐵路路段目前所遇到的困境。

1 泡沫輕質(zhì)混凝土的土力學(xué)性質(zhì)

1.1 抗壓實驗

為研究泡沫輕質(zhì)混凝土的力學(xué)特性，蘇謙，趙文輝[3]采用微機控制電子萬能試驗機對濕密度為400～1 000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土試樣開展單軸壓縮試驗（圖1）。實驗結(jié)果表明，泡沫輕質(zhì)混凝土在壓縮至破壞的過程中存在四種階段，可以與普通混凝土進行橫向類比。這四種階段分別包括調(diào)整階段、彈性階段、脆性階段與屈服階段。其中各項階段的性質(zhì)陳述如下。在應(yīng)力增長區(qū)間不太大的時候，由于泡沫混凝土自身在形成過程中存在較大的孔隙[4]，隨著應(yīng)力的增加，這些孔隙首先被壓實而無直接的點與點接觸傳力，因此泡沫混凝土在這一階段的應(yīng)力增長極為緩慢而應(yīng)變增長較快。

圖1 混凝土單軸壓縮試驗應(yīng)力—應(yīng)變曲線

當(dāng)應(yīng)變到達一定范圍后，泡沫混凝土中的宏觀孔隙基本被壓實，調(diào)整階段結(jié)束，之后由泡沫混凝土骨料等主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)壓力，進入彈性階段。彈性階段的分析可與普通混凝土的彈性階段進行對比。彈性階段中混凝土內(nèi)部裂縫沒有發(fā)展，應(yīng)力應(yīng)變近似直線（圖2）[5]。此階段試樣承受了所有壓力，應(yīng)力應(yīng)變相對先前較大，但進行的時間也比較短促。

圖2 混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線四大階段

隨著應(yīng)力的進一步提升，泡沫輕質(zhì)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了一些細微的裂縫，使斜率開始下降，這是由于新舊裂紋合并，導(dǎo)致混凝土的彈性模量下降。

最后的階段為屈服階段，屈服階段有兩種不同的形式，由我國西南交通大學(xué)的學(xué)者提出。這兩種不同的形式為震蕩屈服和點屈服。震蕩屈服的表現(xiàn)為隨著應(yīng)變的增長，應(yīng)力在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)上下波動。點屈服的表現(xiàn)為隨著應(yīng)變的增長應(yīng)力出現(xiàn)了近似直線的下降。國內(nèi)學(xué)者也對這兩種情況進行了深入研究，總結(jié)出震蕩屈服是由于表層孔壁壓垮后其余孔壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，破碎面壓實后這種現(xiàn)象循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)上下波動的震蕩模式。而點屈服是由于泡沫輕質(zhì)混凝土所受應(yīng)力超過其斷裂承載力，表面裂縫過大導(dǎo)致應(yīng)力突然下降，隨著應(yīng)變增大，次生裂縫開始出現(xiàn)，應(yīng)力由其余部分承受加快破壞，最終呈現(xiàn)應(yīng)力隨應(yīng)變增加加速衰退而混凝土試樣完全破壞的現(xiàn)象。并且總結(jié)出屈服模式隨著混凝土濕密度的增加從震蕩屈服向點屈服過渡的規(guī)律。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)

在孔隙結(jié)構(gòu)方面，胡艷麗，楊偉博等學(xué)者在泡沫輕質(zhì)混凝土性能與孔隙關(guān)系研究方面取得了一定進展。他們采用固定強度的普通硅酸鹽水泥，輔之一定的添加劑在相同的發(fā)泡劑作用下制取不同水膠比的泡沫輕質(zhì)混凝土。同時作為另一組對照試樣，制取了其余條件均相同而密度不同的泡沫混凝土，共分為600 kg/m3（下稱A密度）與800 kg/m3（下稱B密度）。在按照《規(guī)范》規(guī)定的養(yǎng)護之后進行光學(xué)顯微鏡樣本采集分析，后用相關(guān)軟件進行擬合，估算其平均孔徑，最后使用質(zhì)量-體積法測定泡沫混凝土的孔隙率。表1是2種不同密度等級泡沫輕質(zhì)混凝土的平均孔徑和孔隙率隨水膠比變化的測試結(jié)果[6]。

表1 泡沫輕質(zhì)混凝土平均孔徑和孔隙率

由表1可知，隨著水膠比的增加，無論是A密度還是B密度的泡沫輕質(zhì)混凝土平均孔徑都得到了增加，兩種密度的泡沫輕質(zhì)混凝土孔隙率都有所下降。橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)在相同水膠比的條件下，B密度的混凝土孔徑要明顯小于A密度的混凝土，即密度越大的泡沫混凝土孔徑越小。橫縱綜合對比可以發(fā)現(xiàn)隨著單位水膠比的增加，小密度的混凝土平均孔徑的絕對增加值不小于大密度的泡沫混凝土，而相對增加值較之大密度的泡沫混凝土并未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。

在這方面國內(nèi)學(xué)者也提出了可信的理論依據(jù)，由于水膠比的增大，水分子的含量增多會降低膠凝材料對于發(fā)泡劑形成泡沫的包裹能力，最終導(dǎo)致泡沫在幾何空間上由于布朗運動碰撞時連接成一體，平均孔徑由此上升。但由于膠凝材料的客觀摩擦力存在，平均孔徑的增加量會隨著水膠比的進一步上升而減小。這個理論同樣應(yīng)用于相同水膠比不同密度的泡沫混凝土孔徑大小。密度越大的混凝土擁有更多的膠凝材料，因此材料內(nèi)部的摩阻力也相對更大，阻礙泡沫輕質(zhì)混凝土中大量泡沫相互融合和連通。

2 泡沫輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用

2.1 路基拓寬

李艷，吉軍鵬等對泡沫輕質(zhì)混凝土在路基拓寬方面進行了研究，提出了泡沫輕質(zhì)混凝土在此方面的三大優(yōu)勢，分別為卸荷減載、減少對橋臺的干擾與加速施工。首先在卸荷減載方面，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)性，故可有效降低對高速公路路基附加應(yīng)力。當(dāng)路基排水條件相同時，附加應(yīng)力越大，超孔隙水壓力消散耗時會越多，固結(jié)沉降的時間亦會越長。此外，高速公路路基還對填筑高度有限制，使用新型泡沫輕質(zhì)混凝土，可降低超孔隙水壓力，縮短路基固結(jié)沉降時間，提高填筑高度，加快施工進度。其次，在橋臺干擾方面，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有固化自立性，不會對橋臺與擋墻側(cè)形成過大的壓力，因而有利于橋臺穩(wěn)定的控制。此外，與常規(guī)土體填料相比，新型泡沫輕質(zhì)混凝土逐層澆筑施工對側(cè)向結(jié)構(gòu)物作用有很大的不同。對于常規(guī)土體，隨著填筑高度的增加，填土對側(cè)向結(jié)構(gòu)物土壓力會線性增大，可采用朗肯或庫倫理論進行土壓力的計算；而對于新型泡沫輕質(zhì)混凝土，在填筑高度不斷增加的影響下，下層先澆筑的混凝土并不會造成側(cè)向結(jié)構(gòu)物土壓力的明顯變化。最后在加速施工方面，新型泡沫輕質(zhì)混凝土有較高的變形模量與很小的壓密沉降，且澆筑無需大型機械與后期靜置，只需在強度形成后便能投入運營，故能大幅提升施工速度，縮短施工周期。

2.2 明洞回填

在明洞回填方面，國內(nèi)企業(yè)與學(xué)者也在近期有所突破。在廈門海滄隧道工程中，梁紅晶[7]等學(xué)者對泡沫輕質(zhì)混凝土與C15片石混凝土在工程中的效益進行了對比，論證了泡沫輕質(zhì)混凝土在工程客觀條件允許下取代片石混凝土的可行性與增益。在施工工期上，片石混凝土需要40 d而泡沫輕質(zhì)混凝土只需20 d左右，且無需考慮雨水天氣的影響。在工程造價方面，泡沫輕質(zhì)混凝土可以單項帶來300萬人民幣的成本節(jié)約，且由于其施工難度低，人員易控制，生產(chǎn)組織方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，后期的運營也可以規(guī)避許多不確定性因素，從而有效保證工期。

2.3 陡坡減重

李粒生和谷波等利用對不同初始荷載下RC梁的極限承載力進行分析，根據(jù)加固梁的極限破壞分析對梁的最大鋼筋加同量和正截面承載力的計算公式進行推導(dǎo)，并利用有限元軟件ABAQUS進行驗證，確定了泡沫輕質(zhì)混凝土在保證強度的條件下，可有效減少結(jié)構(gòu)的自重，這對于陡坡穩(wěn)定有著重要意義。確定了泡沫輕質(zhì)混凝土是一種新型輕質(zhì)環(huán)保節(jié)能材料，具有質(zhì)輕、流動性高、耐久性好、強度可調(diào)節(jié)以及施工簡單等特點，可廣泛應(yīng)用于軟土地基路段、臺背填筑、道路擴建、山區(qū)陡峭路段的填筑、加固梁破壞時，其內(nèi)部縱向受拉鋼筋都屈服，并且梁的破壞模式屬于適筋破壞。

3 結(jié)語

介紹了泡沫輕質(zhì)混凝土的相關(guān)資料，并著重闡述了抗壓強度、孔隙率等力學(xué)知識及其在交通土建領(lǐng)域的應(yīng)用。在實際問題中，可采用不同配合比、水膠比、外加劑的泡沫混凝土，必要時使用不同密度的泡沫輕質(zhì)混凝土疊合，也可以通過實測和專家調(diào)查法進一步提高泡沫混凝土與其他建材的兼容性。同時，需要探究不同的配比對混凝土力學(xué)的影響以尋找處理不同狀態(tài)問題的最優(yōu)方案。