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泡沫轻质土路桥填筑技术简介
泡沫轻质土路桥填筑技术简介ABOUT US
泡沫轻质土的浸水性能试验研究

    泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫,与水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌,并经物理化学作用硬化 形成的一种轻质材料。泡沫轻质土作为一种新型工程填料,具有自重轻、流动性好、性能稳定、直立性强、强度高、环境影响低等优点,目前已广泛应用于道路、地下工程、市政建筑等土木工程建设领域”。国内外专家结合室内试验及工程应用进行大量的研究,取得了一系列研究成果。但关于泡沫轻质土在浸水条件下的性能研究较少。泡沫轻质土用作地基或是下部基础时,由于雨水或其他因素导致的地下水位变化使泡沫轻质土可能处于地下水位以下。上覆结构压力应大于轻质土受到的浮力才能保持结构稳定。泡沫轻质土具有密度小、孔隙多的特点,在浸水条件下受到水的浮力作用,影响结构的整体受力,同时逐渐吸水而导致质量增加。本文主要从泡沫轻质土水中质量变化规律、吸水能力、抗浮能力3个方面进行泡沫轻质土浸水特性研究。
1 浸水条件下泡沫轻质土质量变化规律

    试验采用42.5R普通硅酸盐水泥,水灰比0.5,泡沫轻质土湿密度取400一1000 kg/m3,试样为边长100 mm的立方体。当试样质量变化<5 g/h视为质量基本稳定,进行下一步试验。
    将泡沫轻质土试样放置于托盘上,试样上方放置铁块,将托盘放于透明容器中,用天平称重。试验过程中向容器内注水,水位升高速度为10 cm/min,直至水面刚好淹没泡沫轻质土试样表面,同时记录整体质量变化。将试样浸泡于水中,使水面与试样顶面等高,托盘与铁块总质量为1 090 g,试样与铁块在水中质量变化曲线见图1。浸水过程中泡沫轻质土试样在受到浮力作用的同时逐渐吸水。当水面与轻质土试样顶面平行时,停止注水,此时总质量最小,泡沫轻质土逐渐吸水而使总质量逐渐增大。

    各试样水中质量变化量随时间变化曲线见图2。可见,除400 kg/m3试样质量变化很小外,其余各试样质量增加170~230 g。浸水试验试样质量变化情况见表1。由于受到水的浮力作用,当试样浸满水时其总质量最小,随着泡沫
轻质土逐渐吸水而使自身密度增加,整体质量不断增加。泡沫轻质土自身密度小于水的密度,在整个浸水过程中对上部结构产生向上的力,称为建筑物浮力。当轻质土刚刚浸满水时对上部浮力最大,当轻质土浸泡在水中达到饱和而质量趋于稳定时,浮力也趋于稳定。烘干试样质量是试样烘干至恒重时的质量,随着湿密度的增大呈线性增加。浸水16 h后,湿密度≤900 k/m3的饱和试样质量在750~900 g。湿密度较小时吸水较多,吸水率随湿密度增大而降低。湿密度从400 k/m3增至700 kg/m3时,吸水率从1.87降至0.51;湿密度为800~1 000 kg/m3时吸水率稳定在0.3~0.4.

      当以泡沫轻质土试样和上覆铁块为研究对象时,最大质量变化量和浸水稳定时最终质量变化量与湿密度的关系见图3。湿密度从400 kg/m3增至800 kg/m3时,最大质量变化量从507 g增至1 000 g,小于理论计算值。主要是由于轻质土吸水速度较快,受浮力的同时吸水致自身质量增加;湿密度为800~1000 kg/m3时最大质量变化量为l 000 g左右,与同体积的水质量相同,所以泡沫轻质土湿密度>800 kg/m3时,其所受最大浮力可用

算,yw为水的标准表观密度,取1 000 kg/m3;g为常数,取10 N/kg;v为泡沫质土体积。浸水16 h吸水稳定后,最终质量变化量与湿密度的关系和最大质量变化量与湿密度关系相似,变化范围为469~828 g。

      当以上覆铁块为研究对象时,由于泡沫轻质土重量小于其所受浮力,泡沫轻质土对铁块产生向上的力,实际工程中会对上部结构产生不利影响。上覆铁块所受浮力随湿密度变化曲线见图4。可知,轻质土对上覆铁块的最大浮力随湿密度的变化曲线呈典型的抛物线形状,拟合公式为y=一2.3×10-5×(x一700)2+4.45,当试样湿密度为700 kg/m3时浮力最大,对于边长为10 mm的轻质土立方体试样产生的最大浮力为4.45 N。联系工程实际,对于体积为口的泡沫轻质土,当水位上升速度为10 cm/min时产生的浮力F’为

吸水稳定后,泡沫轻质土对上覆铁块仍有一定的浮力作用,当试样湿密度在400~800 kg/m3时,浮力为2.0 N左右,800~1 000 kg/m3时浮力呈线性减少,l 000 kg/m3时浮力基本为0。


2泡沫轻质土的吸水能力
      将泡沫轻质土试样放于水中,水深10 mm,通过记录试样的质量变化,分析轻质土的吸水能力。不同湿密度试样总质量、吸水质量随时间变化曲
线见图5。各试样48 h内质量上升迅速且完成90%吸水质量,之后质量变化较小。湿密度400 kg/m3试样吸水质量最大,其余试样吸水质量110—160 g,湿密度700 kg/m3与800 kg/m3试样吸水质量最小。泡沫轻质土吸水试验结果见表2.

      由表2可见:随着试样湿密度的提高,吸水率逐渐降低,最大吸水率为O.75,最小吸水率为0.17。经拟合可得试样质量吸水率形。与湿密度JD。的关系式为


      当泡沫轻质土浇筑于地基面以上,地下水位上升使泡沫轻质土与水接触时,泡沫轻质土将由于吸水而使其自身质量增加,加大其对地面的压力,在设计时应加以考虑。
3泡沫轻质土的抗浮能力

      泡沫轻质土作为填充材料且上部无恒载情况下,若其密度小于水且完全浸泡时,泡沫轻质土会上浮使填充失效,此种工况下泡沫轻质土的浸泡深度或体积将成为重点控制对象。试验过程中向容器中注水,水位上升速度为10 cm/min,当试样所受重力与浮力平衡时,停止注水,记录试样浸水高度以及质量变化;当试样吸水稳定后,再次注水并记录试样浸水高度以及质量变化。注水重复3次。不同湿密度试样3次注水过程的质量变化曲线见图6。可见,试样3次注水的吸水质量依次降低,第1次吸水质量为150~250 g,第2次吸水质量<150 g,第3次吸水质量<100 g。当湿密度>700 kg/m3时,后2次吸水质量远小于第1次。泡沫轻质土抗浮能力试验结果见表3。随着湿密度的增加试样的烘干质量也呈线性增加,质量吸水率逐渐降低;湿密度为400—800 kg/m3时吸水率呈线性减少,最大吸水率为1.42,湿密度800~1 000 kg/m3时吸水率稳定在0.26~0.28。第1次浸水湿密度为400~900 kg/m3时初始浸水体积与总体积比值最小为0.24并随湿密度增加呈线性增长,拟合公式为△=0.000 9pw一0.1161。当泡沫轻质土浸水时间较长时,不同湿密度试样浸水高度与试样高度比值>0.68,大于第1次浸水时的比值。由于泡沫轻质土的吸水作用,在不同浸水条件下其抗浮能力不同,设计时应加以注意。

4 结论
      1)当泡沫轻质土逐渐浸水至全部淹没,对上部结构产生的最大浮力与湿密度呈下开口的抛物线关系,当湿密度为700 kg/m3时对试样上部结构的浮力最大,最大值为4.45 N;随着时间的延长泡沫轻质土逐渐吸水使自身密度增加,对上部结构产生的浮力逐渐减少;吸水稳定后,当试样湿密度400~800 k/m3时上部结构所受浮力为2.0 N左右,800~1 000 kg/m3
时渐趋于0。
      2)底部接触水面时,泡沫轻质土会从底部吸水而使自身质量增加,吸水率随湿密度增大而减小,呈一1.65次幂函数关系,吸水率最大为0.75,最小为0.17。
      3)作为填充材料且上部无结构重物时,为使泡沫轻质土不产生上浮,初始浸水体积和总体积的比值与湿密度呈线性关系,最小体积比为0.24,湿密度大比值也越大;当土体质量稳定后,最小体积比为0.68。设计时应充分考虑水的作用时间。


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