基于疲劳荷载和冻融循环下路面泡沫混凝土的性能研究

2021-05-13杨建宏叶林杰谷云秋匡渝阳贺鸿飞

新型建筑材料 2021年4期

杨建宏，叶林杰，谷云秋，匡渝阳，贺鸿飞

（1.中铁二十三局集团有限公司四川成都 610072；2.浙江交工新材料有限公司，浙江杭州 311400；3.宁波市公路与运输管理中心，浙江宁波315040；4.浙江大重建设有限公司，浙江杭州 310021）

0 引言

泡沫混凝土具有质轻、保温效果好、强度较高等特点，近年来被广泛的应用于路基处理中。而道路在使用过程中会受到循环荷载和冻融循环的共同作用，导致出现裂缝、翻浆、断板等现象，给交通安全带来巨大的隐患，影响其使用寿命[1-2]。故此，分析研究路用泡沫混凝土在冻融循环条件下的疲劳力学特性，能够为泡沫混凝土在道路修建的应用提供参考。相关学者对混凝土在冻融循环和循环荷载分别作用下的力学特性进行了研究。覃丽坤等[3]对于不同水灰比下的混凝土进行了多次冻融循环实验，结果表明，混凝土的抗压强度随着冻融循环次数的增加而显著降低。胡安妮和任慧韬[4]的研究表明，冻融循环对GFRP 的力学特性有较大影响。管国东等[5]研究了引气混凝土在不同冻融循环次数下的强度和变形特征，结果表明，冻融循环对素混凝土破坏模式不产生明显影响。郭寅川等[6]研究了不同疲劳荷载下的路面混凝土的强度衰减规律，得出路面混凝土在荷载作用下由弹性变化为塑性后又呈现出类似弹性的特征。田立宗和逯静洲[7]通过对混凝土试件先进行冻融循环，再进行疲劳破坏，研究了混凝土的力学特性。郭寅川等[8]研究了路用水泥混凝土在冻融循环与疲劳荷载的耦合作用下孔结构损伤，结果表明，冻融循环对孔结构的损伤更加显著[9]。

目前，路用泡沫混凝土在冻融循环条件下的疲劳特性研究较少[10]，本文利用循环疲劳试验和冻融试验研究了路用泡沫混凝土在上述单一因素和二者耦合作用下力学性能的变化。

1 试验

1.1 试验概况

某大桥高速公路全长99.161 km，工程方向右侧加宽，即K2190+600～K2191+196.5 左侧，泡沫混凝土设计方量28384 m3。施工区域浅部分布着呈松散～稍密状态粉砂土和粉土，层厚20～30 m；中部土质为低强度的流塑性淤泥土，分布厚度为10～20 m；底部则分布较大厚度的粉质黏土和粉砂土[10]。为保证试验数据的可靠，试验材料及试验方法按照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》进行。试验材料分别为：P·O42.5水泥，主要性能指标见表1；Ⅰ级粉煤灰，主要性能指标见表2；HT 复合发泡剂。本次试验选用与实际工程相同配比下的泡沫混凝土，试验配比见表3。首先按照试验配比制备路用泡沫混凝土，然后对尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 标准试验模具刷脱模剂，最终将路用泡沫混凝土注入模具中。常温养护24 h 脱模，编号后放入恒温养护箱中[温度（20±2）℃、相对湿度≥95%]养护28 d，取出后进行相关性能测试。为减少试件中水分对冻融循环的影响，试验前将试件放置（60±5）℃的恒温箱中干燥，每4 h 进行称量，直至前后2 次质量差小于1 g。

表1 水泥的主要性能指标

表2 粉煤灰的主要性能指标

表3 泡沫混凝土的配比

1.2 试验方案

1.2.1 疲劳荷载的选取

该大桥为双向八车道，由统计资料知，日均车流量约为3万辆，单车道日均最大流量约4000 辆，按照0.05 Hz 的现场频率进行计算，年均振动次数约为146 万次，其中现场频率是指每秒钟振动次数，以设计年限50年为例，折减系数0.02，则疲劳试验次数为150 万次。根据JTG B01—2014《公路工程技术标准》、CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》对车辆荷载的计算规定，以A 级车辆荷载为控制标准，具体技术标准见表4。

表4 城-A 级车辆荷载

由表4 计算可知，最大荷载为第4 车轴处，荷载可达到0.67 MPa，经由路面层荷载分散之后，传递到路用泡沫混凝土层的荷载为0.082 MPa 左右，再计算路用泡沫混凝土层上部永久荷载约为0.08 MPa，路用泡沫混凝土层位于桥梁路面磨耗层之下，厚度为12.7 cm。

1.2.2 冻融次数和温度标准

由JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》可知，路用泡沫混凝土路面设计使用寿命为10～15年。依据该地区气象统计资料可知，该地区的自然冻融循环次数最多约为20次。故此，本次试验选择20 次为冻融循环次数的上限值。该地区发生冻融循环天气时，1月份的平均气温为5 ℃，选择此时的温度为冻融循环的温度上限；其冻融循环的温度下限值，按照路用泡沫混凝的气候分区进行选择，查阅相关资料可知，该工程所处的冬温区和冬冷区的分区温度为-18 ℃，故此冻融循环试验的温度下限值为-18 ℃。

1.2.3 试验工况

本次试验主要分为2种工况，第1种为试件无冻融循环条件下进行疲劳荷载试验；第2种为试件在多次冻融循环后再进行疲劳荷载试验。疲劳荷载试验采用SD300 型电液伺服动静万能试验机对试件分别进行10 万次、40 万次、60 万次、80 万次、120 万次和180 万次循环荷载；依据冻融循环次数和温度选择标准，利用快速冻融循环试验机，对试验试件进行冻融循环试验，以-18～5 ℃的温度范围，分别随试验试件进行0、5、20 次冻融循环。由GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》可知，其规定普通混凝土疲劳试验的上限应力取0.66fe，下限应力取0.10fe，疲劳加载示意如图1所示。

（1）第1种工况具体实验流程为：采用电液伺服动静万能试验机，参数为：频率6 Hz，幅值3.5 kN，均值-5.5 kN，对试件分别进行10 万～180 万次的正弦波荷载的疲劳加载，对试验试件的破坏过程及裂缝扩展情况进行观察分析，并记录试件裂隙扩展时的荷载循环次数。按照试验方案对试件完成循环加载后，测试试件的无侧限单轴抗压强度及质量变化。第1种工况共7 组试件，每组3 个，以3 个试件的抗压强度的平均值作为标准值。

图1 疲劳试验加载示意

（2）第2种工况具体实验流程为：首先对试样分别进行多次冻融循环，冻融试验结束后对试样进行养护4 h，然后按照工况1 进行疲劳荷载试验，之后进行抗压强度测试和质量分析。第2 工况试验共14 组试件，每组3 个。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度分析

对试件按照试验方案，分别完成循环加载试验和冻融循环试验，然后进行无侧限单轴抗压强度试验，加载速率设置为1.250 mm/min。试验现场照片如图2、图3所示。

图2 无侧限试验现场照片

图3 不同冻融循环次数下试件的形态变化

在冻融循环和疲劳荷载作用下试件的无侧限抗压强度变化如图4所示，其中S1 代表无冻融循环，S2 代表冻融循环5次，S3 代表冻融循环20 次（下同）。

图4 不同工况下试件的无侧限抗压强度变化

由图4 可知，未进行冻融循环时，泡沫混凝土的无侧限抗压强度随着循环荷载次数的增加逐渐降低。在40 万次循环荷载内泡沫混凝土的无侧限抗压强度下降明显；在40 万～120万次循环荷载时泡沫混凝土的无侧限抗压强度衰减比较缓慢；在120 万次以后随着循环荷载次数的增加，无侧限抗压强度明显下降，直至循环荷载180 万次时，泡沫混凝土的无侧限抗压强度下降到原来的60%，最小值为1.07 MPa。这是由于疲劳荷载使微裂缝萌生并逐渐扩展，强度随之劣化。

同时，在同样的循环荷载次数下，试样经过冻融循环后抗压强度要明显低于未经冻融循环的。随着冻融循环次数的增加，试样的无侧限抗压强度也有所降低，但是下降幅度不明显，表明冻融循环对泡沫混凝土试件存在影响。

总体来说，无论是单一的循环荷载作用还是冻融循环与荷载耦合作用下，泡沫混凝土的无侧限强度都随着疲劳荷载次数的增加而逐渐降低。

2.2 试件的质量变化

试件的质量变化一定程度上反应了试件的损伤状态，在冻融循环和疲劳荷载作用下试件的质量变化如图5所示。

图5 不同工况下试件的质量变化

由图5 可知，路用泡沫混凝土试件在不同冻融循环次数下，试件的质量都随着循环荷载次数的增加而减小，其中无冻融循环时试件的质量变化幅度较小；循环荷载次数相同的情况下，随着冻融循环次数的增加，路用泡沫混凝土试件的质量先增大后减小，且质量变化的幅度在加载前期变化较小，后期变化较大。这是由于混凝土内部存在的缝隙和疲劳荷载引起的裂缝导致试件在冻融循环中含水率增加，进而使混凝土质量有所增大；随着疲劳荷载的继续增加，试件出现逐渐剥落和损伤程度增加的现象，导致质量减小。

2.3 相对动弹性模量变化

在冻融循环和疲劳荷载作用下试件的相对动弹性模量变化如图6所示。

图6 不同工况下试件的相对动弹性模量变化

由图6 可知，当对路用跑混凝土进行循环荷载作用后，其相对动弹性模量均呈下降趋势；当泡沫混凝土未进行循环加载时，其相对动弹性模量随冻融循环次数的增加下降速度较为缓慢，而随着循环荷载作用次数的增加，加快了其相对动弹性模量的下降速度，循环荷载作用后的泡沫混凝土会存在初始损伤，这导致泡沫混凝土的抗冻性能降低。