泡沫混凝土的强度特性及在路堤填筑中沉降分析

学兔兔www.xuetutu.com第40卷，第5期公路工程Vo1．40，No．52015年10月HighwayEngineeringOct．．2015泡沫混凝土的强度特性及在路堤填筑中沉降分析汪迎红(贵州交通职业技术学院，贵州贵阳550008)[摘要]采用室内试验和数值模拟的方法，分别研究了泡沫混凝土的强度特性和在路堤沉降中的变形特性，结果表明：泡沫混凝土的抗压强度受体积参数和养护条件影响较大，试件湿容重为700kg／m时，其抗压强度值仅为湿容重为l176kg／m’试件的20％；随气泡群含量和气泡平均尺寸的增加，泡沫混凝土试件的抗压强度显著降低；浸水饱和状态和低温养护条件同样会降低泡沫混凝土的抗压强度。与堆载预压法相比，采用泡沫混凝土进行路堤填筑沉降量降低近50％，说明采用泡沫混凝土对于控制软土路基沉降具有明显的优势，研究结果可为实际施工提供参考和依据。[关键词】道路工程；沉降；数值分析；强度特性；泡沫混凝土[中图分类号]U416．12[文献标识码]A[文章编号】1674-o61o(2015)05—0245-05StrengthCharacteristicsofFoamConcreteandSettlementAnalysisinEmbankmentFillingWANGYinghong、(GuizhouCommunicationsVocationalandTehnicalCollege，Guiyang，Guizhou550008，China)[Abstract]Strengthcharacteristicsanddeformationcharacteristicsoffoamconcreteinthesettle-mentofembankmentarestudiedwiththemethodoflaboratorytestandnumericalsimulation．Theresultsshowthatthecompressivestrengthoffoamconcreteareinfluencedgreatlybyvolumeparametersandca-ringconditions，thecompressivestrengthofwetbulkdensityof700kg／mis20％forwetbulkdensityofthe1176kg／m’；compressivestrengthoffoamconcretespecimensreducedsignificantlywiththeincreaseofthebubblegroupcontentandaveragebubblesize；saturationandlowtemperaturecuringconditionsalsoreducethecompressivestrengthoffoamconcrete．Settlementofembankmentdecreasednearly50％bvu．singfoamconcretecomparedwiththepreloadingmethod，whichshowsfoamconcretehasobviousadvanta—gesoncontrolthesettlementofsoftsoilroadbed，resultscanprovidereferenceforactualconstruction．[Keywords]roadengineering；sedimentation；numericalanalysis；strengthcharacteristics；foamconcrete拌、浇注成型和养护后制成的含有大量封闭气孔的0引言混凝土。由于具有轻质性、高流动性、减震性以软土路基上修筑路堤是道路工程建设的难点，及保温、防火等良好的力学性能和使用功能，近几年由于软土路基高含水量、高压缩性、低强度、低渗透广泛的应用于建筑领域，并且在公路工程中发挥越性等特点⋯，施工机械难以压实，无法保证路基的来越重要的作用。但是如何定量研究泡沫混凝密实度和强度，在交通荷载及不良的环境条下极易土在公路工程中的强度特性，尤其是对泡沫混凝土产生较大的工后沉降或残余变形，引发路基的失稳在软土路堤中的沉降进行分析，却是一直被忽视的破坏。因此，寻求轻质、强度高、工后沉降变形好的问题。本文以某高速公路软土填筑路堤为项目依路堤填料成为亟待解决的问题。托，重点研究泡沫混凝土的抗压强度特性及在路堤泡沫混凝土是在钙质材料、骨料、掺合料、外加填筑中沉降。剂和水等制成的混合料浆中引入泡沫群，经混合搅[收稿日期】2014—10—15[作者简介】汪迎红(1968一)，女，贵州金沙人，副教授，专业方向为公路与桥梁。 学兔兔www.xuetutu.com246公路工程40卷使用高速搅拌机将设定比例的泡沫剂水溶液制1强度形成机理成泡沫，搅拌时间以泡沫达到均匀、细小、稳定为准。硅钙质泡沫混凝土的孔壁包含大小不等的硅质再按设定比例计量水泥、速凝剂和水，采用HTF一60材料微粒、残核和水泥粒子尚未水化完毕的部分，这型泡沫混凝土拌和机(功率为7．5kW，运行转速为些物料固体颗粒形成一个由硅质材料颗粒组成的骨l440r／rain)制备成水泥浆体。需加入聚合物乳液架。在气孔壁的结构中，水泥释放出来的ca(OH)，时应先将聚合物乳液和水预先混匀，搅拌时间控制与SiO反应生成的水化硅酸钙，以及SiO和AIO在180s。在水泥浆体中加人一定体积的泡沫，继续生成的水化硅酸铝，这些化学反应形成的坚硬水化搅拌至均匀为止，预计时间在180s左右。最后将产物使泡沫混凝土具有一定的强度。泡沫混凝土浇注到试模中，然后刮平表面。成型好的试件在室内放置，用塑料布覆盖。1—2d后脱模2强度试验测试(时间长短视泡沫混凝土密度等级确定)，密封条件2．1原材料选择下在养护室养护至试验龄期，养护室的温度为(20①水泥。水泥采用浙江尖峰42．5普通硅酸盐±1)℃，相对湿度为(604-5)％。水泥，其化学成分见表1，性能指标见表2所示。2．3测试方法表1化学成分和含量抗压强度的试件尺寸为100mm×100mm×Table1Chemicalcompositionandcontent100mm的立方体试件，每组3个，将养护至规定龄成分含量／％成分含量／％期的试件放在2000kN的压力机上，加载速率为SiO222．02MgO2．530．3—0．5MPa／s，然后测定不同试验条件下泡沫混F02O，2．65SO32．67AI2O36．19总碱量0．70凝土的抗压强度，具体的测定方法参照《泡沫混凝CaO58．99烧失量3．08土砌块》(JC／T1062—2007)进行。表2性能指标Table2Performanceindex3试验结果与讨论3．1体积参数的影响3．1．1湿容重的影响堡鏖!堑塑!查垫!：竖：：2已有研究表明。，当泡沫混凝土单位体积重量3d28d3d28d3d28d30．955．75．88．8246279为450—520kg／m且水灰比为1：0．5时，泡沫混凝土在容重和强度方面均已具备较好的工程适用②泡沫剂。泡沫剂型号为HTF一60型，泡沫剂性。设计了6个湿容重，即：346、509、684、854、与水按1：40质量比勾兑成泡沫剂水溶液，采用机械法的发泡倍数约为20左右。该种泡沫剂为粉状1025、1176kg／m，图1给出了不同湿容重下泡沫蛋白质，粘度较高，气泡稳定性较好。混凝土试件的抗压强度变化曲线。③粉煤灰。采用符合ASTMc6l8—1989的Ⅱ级粉煤灰，化学成分见表3。表3化学成分和含量Table3Chemicalcompositionandcontent化学成分含量／％化学成分含量／％SiO，53．5MgOi．17F2034．16SO30．31AI2O319．7TiO，2．22CaO0．58Loss6．67④减水剂。采用FDN高效减水剂，化学性能图1抗压强度与湿容重关系Figure1RelationbetweenUCSandmoisturedensity稳定，粉剂易溶于水，具有微引气性。性能指标为：0．315mm筛余量<10％，含水量<5％，pH值为7从图1可以看出：①泡沫混凝土的抗压强度随～9，水泥净泥流动度(掺量为1．0％)>230mm。湿容重的增加而增大，在湿容重小于700kg／m时，2．2试件制备抗压强度的增加幅度较缓，湿容重大于700kg／m。 学兔兔www.xuetutu.com第5期汪迎红：泡沫混凝土的强度特性及在路堤填筑中沉降分析247时，随湿容重的增加，抗压强度发展较快，28d养护28d的抗压强度较7d的抗压强度增幅51．98％。龄期时，湿容重为700kg／m时的抗压强度仅为湿同时，与浸水饱和的养护条件相比，干燥养护条件下容重为1176kg／m时抗压强度的20％。②养护龄7、28d的抗压强度分别增加4O．79％和42．31％。期对抗压强度的发展有较大贡献，在湿容重为346②冻融循环时间以24h为准，分别测定正常养kg／m时，7d抗压强度为28d抗压强度的75％。护温度(204-1oC)，0oC以及零下5cI：的循环温度而当湿容重为1176kg／m时，7d抗压强度为28d条件下的抗压强度。根据冻融循环24h抗压强度抗压强度的63％。的变化情况，说明温度的变化对泡沫混凝土强度有3．1．2气泡含量和气泡大小的影响一定的影响。对于给定的时间养护龄期而言，不同从图2可以看出：①随着气泡群含量增加，泡冻融循环抗压强度由大到小依次为：正常养护温度沫混凝土的抗压强度基本呈线性降低，当泡沫掺量>0c【=>零下5℃，与正常养护温度相比，0c【=和零为30％、40％、50％、60％、70％，80％(体积参数，下下5℃的7d抗压强度分别降低28．9％和57．28％，同)时，7d的抗压强度分别为52．08、35．31、21．12、28d抗压强度分别降低22．1％和42．5％。因此，泡11．61、6．31、4．16MPa，28d的抗压强度的64．53、沫混凝土在低温下作业强度等级会有所下降，应该4O．12、25．3、16．03、9．45、6．11MPa。气泡群含量做出适当调整，如水灰比，泡沫稀释倍率等，才能保从30％增加到80％，7d养护龄期的抗压强度降低证混凝土的强度要求。92．3％，28d养护龄期的泡沫混凝土抗压强度降低605O90．5％。②随着气泡平均尺寸大小增加，泡沫混凝土的抗压强度显著降低，气泡平均尺寸大小从250塞40，om增加到450lxm，28d抗压强度降低52．5％，7d20抗压强度降低76．6％。1O0干燥状态浸水饱和状态正常养护0℃条件下零下5℃日养护条件条件下条件下苫冻融循环条件、(a)抗压强度与养护条件关系(b)抗压强度与冻融循环关系嘿图3泡沫混凝土抗压强度与养护条件和冻融循环的关系Figure3RelationbetweenUCSandcuringconditionorfreeze-thawcycle泡沫群含量／％3．3粉煤灰含量的影响(a)抗压强度与泡群含量关系粉煤灰含量对泡沫混凝凝土抗压强度的影响见表4及图4所示。表4不同粉煤灰含量试验结果Table4Testresultsofdifferentflyashcontent气泡平均尺寸大小，m(b)抗压强度与泡沫大小关系图2泡沫混凝土抗压强度与泡群含量和泡沫大小的关系7OFigure2RelationbetweenUCSandbubblegroup6Ocontentoraveragebubblesize皇503．2养护条件的影响(见图3)五。暇30①浸水饱和状态下的抗压强度略低于干燥养墨zo护条件试块下的抗压强度。浸水饱和状态下，7、28l00d的抗压强度分别为26．28、39．51MPa，28d的抗102030粉煤灰参量／％压强度较7d的抗压强度增幅50．34％。干燥养护条件下，7、28d的抗压强度分别为37、56．23MPa，图4不同粉煤灰含量试验结果Figure4Testresultsofdifferentflyashcontent 学兔兔www.xuetutu.com248公路工程40卷通过不同粉煤灰掺量的试验结果可以看出：掺4泡沫混凝土在路堤填筑中的有限元分析加粉煤灰可以显著提高其抗压强度，对于7d的泡沫混凝土养护龄期而言，粉煤灰掺量在30％时的抗4．1工程概况压强度的抗压强度为45．8MPa，较粉煤灰掺量为某高速公路软土路堤属于填筑路堤，桩号K3+10％时增加68．4％。而28d养护龄期时，30％粉煤270断面土层物理力学指标如表5所示。由于施工灰掺量的抗压强度较10％粉煤灰掺量增加81．9％。工期紧迫，对不能达到沉降稳定的桥头路段、一般路表5断面土体物理力学性质指标Table5Physicalmechanicalpropertiesindexofsectionsoil段、通道、拓宽等段落，采用泡沫混凝土替换部分宕ANSYS单元库中的SOUD45单元。该单元为结构渣进行路堤填筑。实体单元，本单元由8结点，每个结点有3个自由4．2基本假设与参数度，即，Y和：三个方向的位移，可模拟塑性变形。4．2．1基本假设．①填土层采用邓肯一张非线性弹性材料，硬壳层、持力层和填土采用线弹性材料，填方路基垫层采用理想弹塑性材料；②边界地基底面3个方向均为约束，地基宽度外侧水平和纵向约束，地基纵向外侧图5有限元模型Figure5Finiteelementmodel水平和纵向约束；③原有路基的固结变形和自身的缩变形已基本完成，荷载由地基上和路堤上自重形4．4沉降结果分析成；④固结计算中孔隙水压力的增长消散规律按一分六步计算泡沫混凝土在填筑路堤过程中的沉维渗流问题来处理；⑤不考虑泡沫混凝土的变形。降，并与堆载预压法(使土体中的孑L隙水沿排水板4．2．2基本参数排出，地基固结沉降，强度逐步提高)进行比较，限路基路面材料参数取值见表6所示。于篇幅，仅给出第一步和第六步的计算结果，见图6表6路基路面材料参数和图7所示。两种填筑方法在每一步填筑过程中产Table6Materialparameterofsubgradeandpavement生的最大沉降量见表8所示。a)泡沫混凝土填筑第1步沉降(b)泡沫混凝土填筑第6步沉降泡沫混凝土的材料模型采用可压扁材料泡沫模图6泡沫混凝土沉降计算Figure6Foamconcretesettlementealculati0n型，该泡沫模型与应变效率相关，并且在单向压扁时泊松比为零，材料具体参数见表7⋯。表7泡沫混凝土材料参数Table7Materialparameteroffoamconcretematerial(a)堆载琐／K法弼I步沉降(}1)堆载预法填筑第6步沉降图7堆载预压沉降计算Figure7Surchargepreloadingsettlementcalculation4．3有限元模型建立计算结果表明：采用堆载预压法处理，最终沉降依据工程的基本情况，建立的有限元模型见图量为0．045m，而利用泡沫混凝土填筑，最终沉降量5。上部分梯形为填方断面图，路堤边坡l：1．5，下为0．025m。与堆载预压法相比，采用泡沫混凝土部为所受影响土层。计算方案分析范围为高度方向进行填筑沉降量降低近50％，显著提高了路堤的稳土层厚度为6m，宽度取20m。分析土体单元采用定性，施工效果显著。 学兔兔www.xuetutu.com第5期汪迎红：泡沫混凝土的强度特性及在路堤填筑中沉降分析249效果显著。5结语①泡沫混凝土的抗压强度与体积参数密切相[参考文献]关。当湿容重大于700kg／m时，随着湿容重的增黄雨，江席苗，刘高．软土路基稳定性影响因素分析[J]．地下空间与工程学报，2009，5(2)：373—375．加，抗压强度明显增大，同时抗压强度随气泡群含量李应权，朱立德，李菊丽，等．泡沫混凝土配合比的设计[J]．和气泡平均尺寸的增加而显著降低，这主要是由于徐州工程学院学报(自然科学版)，2011，26(2)：3．气泡群含量和气泡尺寸的增加导致泡沫混凝土容重王录民，张大荚，王树明。废旧聚苯乙烯泡沫混凝土试验研究降低，致使抗压强度下降。[J]．混凝土，2008(5)：103．②养护条件对泡沫混凝土的强度影响较大，浸陈兵，刘睫．纤维增强泡沫混凝土性能试验研究[J]．建筑材水饱和状态下的强度低于干燥养护条件下的试块强料学报，2010(3)：286—289．中国建材工业出版社．《泡沫混凝土砌块》(JC／T1062—．=．度，低温养护条件下的强度低于正常养护条件下试i]j1』2097)，2008．块的强度。因此，在泡沫混凝土施工过程中，应避免ThomasAColeman．Polystyrenefoamiscompetitive．1ightweiglltfill潮湿和低温环境，否则，应调整水灰比，泡沫稀释倍[R]．New-York：CiviEngineering，ASCE，1974．率等，以保证混凝土的强度要求。张斌．泡沫混凝土回填层在地下复合结构中的抗爆特性分析③与堆载预压法对软土路基处理相比，采用泡[J]．四川建筑科学研究，2010，36(6)：135．张忠坤．高等级公路路堤减轻与复合地基加固的研究[J]．岩沫混凝土进行路堤填筑沉降量降低近50％，利用泡石力学与工程学报，2000，19(3)：402．沫混凝土填筑路堤显著提高了路堤的稳定性，施工(上接第219页)展大修工作。该采取安全措施，如铺设抗滑磨耗层或刻槽等方法以恢复其抗滑能力，由图4可知：至2017年时这两[参考文献]项指数都会低于7O，到达次差等级，此时便应该采[1]刘伯莹，姚祖康．沥青路面使用性能预测[J]．中国公路学报，199l，4(2)：5—15．取措施保证行车安全，可对路面进行铣刨。[2]周文献，施小忠，施祖兴，等．水泥混凝土路面调查及网级使用3结论性能预测模型[J]．同济大学学报：自然科学版，2006，34(5)：624—628．①经过上述的分析，以路面抗滑性能指数SRI、[3]高岩，郑丹丹，朱坤佳，等．透水性沥青路面路用性能研究综述路面车辙深度指数RDI、路面行驶质量指数RQI、路[J]．公路工程，2013(4)：29—33．面损坏状况指数PCI和路面结构强度指数PSSI作[4]李美华，何俊辉，李耀龙．沥青混合料离析对沥青路面路用性能的影响研究[J]．公路工程，2014(2)：143—147．为控制标准以指导路面大中修是能达到预期目标[5]谢涛，邱延峻，蒋泽中．路面使用性能预测与统计分析[J]．．辽的。宁工程技术大学学报，2005，24(2)：199—201．②预测模型以路面早期性能指数作为综合评[6]尹健标，王端宜．沥青路面施工离析与早期损坏关系的研究价指标，并以路面状况指数、破损情况、车辙、平整[J]．中外公路，2010，30(2)：75—79．度、抗滑性和结构强度作为评价内容，最终得到了明[7]支喜兰，王威娜，张超，等．高速公路沥青路面早期性能评价确的预防性养护指标范围。模型[J]．长安大学学报：自然科学版，2009，29(2)：1—4．③从以上预测结果可以看出，随着通车时间的[8]石立万．影响全厚度车辙RD及DS关键因素的试验研究[D]．武汉：华中科技大学，2007．不断增长，公路的路面性能逐渐下降，路面服务工程[9]傅东阳，胡昌．高速公路沥青路面使用性能马尔可夫概率预测逐渐降低，且随着时间的增长，下降速率有增大的趋[J]．福州大学学报，2005，33(4)：58—522．势。从各预测指标来看，2016年底时各主要指标如[1O]段丹军．沥青路面车辙预估模型验证研究[J]．公路工程，PCI、RQI等主要指标均处于良以下水平，应及时开20l3，38(3)：l1一l4．