裘友強， 李永良， 劉耀富， 張留俊

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院； 3.中鐵上海工程局第三工程有限公司)

材料的微觀結(jié)構(gòu)特征主要反映兩個問題：① 能夠反映出材料內(nèi)部固-液-氣三相物質(zhì)的大小、多少、形態(tài)以及相互之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系、排列方式等；② 材料在宏觀上表現(xiàn)出的工程特性很大程度上也是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定，即材料的性能是其微觀結(jié)構(gòu)特性的集中體現(xiàn)。泡沫輕質(zhì)土是一種采用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫與水泥漿按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化而成的微孔輕質(zhì)材料。作為一種新型的人造輕質(zhì)材料，在整個固-液-氣三相體系中，泡沫輕質(zhì)土的氣態(tài)孔隙的大小和形狀是最重要的參數(shù)，它既決定了土中其他兩相(固相、液相)物質(zhì)的分布特征，也決定著土中固-液-氣三相體系之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系和排列方式等微結(jié)構(gòu)特征。而且，泡沫輕質(zhì)土特殊的物理力學(xué)性能及耐久性能也是由其微觀結(jié)構(gòu)特性決定的。目前，中國關(guān)于泡沫輕質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)研究較少。

通過對泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)特性的研究，可以認識到這種材料的許多工程特性的本質(zhì)，并且可以對其宏觀力學(xué)強度表現(xiàn)與規(guī)律給予更科學(xué)的解釋。該文選取部分不同配合比的泡沫輕質(zhì)土樣品，采用掃描電鏡試驗(SEM)對其微觀結(jié)構(gòu)特性進行研究，并從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 配合比選取

為了對比分析不同配合比對泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)特性的影響，參考有關(guān)試驗研究資料，該文選取4種不同的配合比進行泡沫輕質(zhì)土的掃描電鏡試驗，其原材料用量和基本物理力學(xué)性能指標(biāo)測定值如表1所示。

表1 泡沫輕質(zhì)土配合比及基本性能參數(shù)

1.2 試樣制備

試樣按照表1中的配合比成型，先將其成型為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，室內(nèi)標(biāo)準養(yǎng)生28 d后，再截取出長度不超過1 cm、高度不超過6 mm的樣品作為微觀結(jié)構(gòu)掃描試樣。

樣品底部應(yīng)盡量切平，并采用吸耳球輕輕地吹去樣品表層擾動的顆粒，然后剪取雙面膠黏到樣品臺的正面，將裁好的樣品一個接一個黏緊在雙面膠上，記錄樣品的樣號與樣品臺對應(yīng)的關(guān)系。為了得到清晰的圖像，需要將截取好的樣品放入離子濺射儀中進行抽真空和鍍金處理，持續(xù)40 min左右。

1.3 試驗方法及試驗儀器

掃描電鏡試驗(SEM)是指通過極細的電子束在樣品表面進行掃描，然后收集激發(fā)出的二級電子束，形成信號反饋到顯像管中，經(jīng)過調(diào)節(jié)觀測倍數(shù)、對比度、聚焦等處理可以顯示出樣品清晰的影像。

該文掃描電鏡試驗設(shè)備型號為日立S-570型掃描電子顯微鏡。選用70、140、600倍3種放大倍數(shù)分別對泡沫輕質(zhì)土試樣整體性、局部性、代表性微觀結(jié)構(gòu)進行觀測。

2 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1 70倍放大倍數(shù)整體性微觀結(jié)構(gòu)分析

選用70倍的放大倍數(shù)觀測試樣的整體微觀結(jié)構(gòu)，測得水固比分別為1∶1.7、1∶1.8、1∶1.9、1∶2.0時的泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 70倍觀測倍數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以清晰地看出：① 泡沫輕質(zhì)土的土體內(nèi)部分布著大量獨立閉合的氣孔，其氣孔的形狀多為圓形，這些大小不同的氣孔共同構(gòu)成了泡沫輕質(zhì)土的主體結(jié)構(gòu);② 不同的水固比對其氣孔的大小、多少、分布等有較大的影響。隨著水固比的減小，泡沫輕質(zhì)土氣孔的數(shù)量會明顯減少，孔徑越細小，氣孔貫通的程度越淺，孔壁越完整且堅實，內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體也越密實。即當(dāng)水固比為1∶1.7時，泡沫輕質(zhì)土的氣孔數(shù)量最多最集中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體最松散，且存在較多的貫通氣孔和架空孔隙，而固相顆粒較少；而當(dāng)水固比為1∶2.0時，泡沫輕質(zhì)土的氣孔數(shù)量最少最分散，內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體最密實，孔壁完整且堅實，存在較少的架空孔隙，固相顆粒最多。

由表1可知：泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度隨著水固比的減小而逐漸增大。從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部的氣孔-孔壁結(jié)構(gòu)是決定其無側(cè)限抗壓強度的關(guān)鍵，其中包裹著氣孔的孔壁(即固相顆粒)是泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度的主要提供者。隨著水固比的減少，泡沫輕質(zhì)土土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實，孔壁越完整且堅實，氣孔數(shù)目和孔徑也越來越小。因此，泡沫輕質(zhì)土的空隙率顯著降低，密實度增大，其無側(cè)限抗壓強度也會隨之提高。

2.2 140倍放大倍數(shù)局部性微觀結(jié)構(gòu)分析

選用140倍的放大倍數(shù)觀測試樣的局部微觀結(jié)構(gòu)，測得水固比分別為1∶1.7、1∶1.8、1∶1.9、1∶2.0時的泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 140倍觀測倍數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)圖

由圖2可以清晰地看出：當(dāng)水固比較大時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部存在較多已破損、架空的氣體孔隙，孔壁結(jié)構(gòu)極為不完整，氣孔之間的固相聯(lián)結(jié)體厚度較薄，固相物質(zhì)所占的比例很少，故泡沫輕質(zhì)土在宏觀上所表現(xiàn)出的無側(cè)限抗壓強度顯然較低；而當(dāng)水固比較小時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部具有良好且較完整的孔壁結(jié)構(gòu)，幾乎不存在架空孔隙，氣孔之間的固相聯(lián)結(jié)體厚度較大，固相物質(zhì)所占的面積比例也相對較大，故泡沫輕質(zhì)土在宏觀上所表現(xiàn)的無側(cè)限抗壓強度較高。

2.3 600倍放大倍數(shù)代表性微觀結(jié)構(gòu)分析

選用600倍的高倍數(shù)觀測試樣的某些具有代表性部位微觀結(jié)構(gòu)，測得水固比分別為1∶1.7、1∶1.8、1∶1.9、1∶2.0時的泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 600倍觀測倍數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)圖

由圖3很明顯地可以看出：① 泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部存在極少量帶針狀的固體物質(zhì)鈣礬石，鈣礬石是水泥水化反應(yīng)的產(chǎn)物；② 當(dāng)水固比越大時，水泥物質(zhì)結(jié)構(gòu)越疏松，則有較大的空間生成鈣礬石；而當(dāng)水固比越小時，水泥物質(zhì)結(jié)構(gòu)越密實，氣孔孔隙相對較少，則生成的鈣礬石數(shù)量越少。因此，當(dāng)水固比為1∶1.7時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部生成了相對較多的鈣礬石；而當(dāng)水固比為1∶2.0時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部幾乎沒有生成鈣礬石。

3 結(jié)論

采用掃描電鏡試驗對泡沫輕質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)及其強度特性進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 水固比的變化，使得泡沫輕質(zhì)土的整體性微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。隨著水固比的減小，泡沫輕質(zhì)土氣孔的數(shù)量會顯著減少，且氣孔的貫通程度會變淺，逐漸形成較密實和較完整的內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)。

(2) 水固比的變化對泡沫輕質(zhì)土的氣孔-孔壁結(jié)構(gòu)形式也產(chǎn)生了一定的影響。當(dāng)水固比較大時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部易形成破損、架空以及不完整的氣孔-孔壁結(jié)構(gòu)；而當(dāng)水固比較小時，泡沫輕質(zhì)土?xí)纬蓤詫?、密實和較完整的氣孔-孔壁結(jié)構(gòu)。

(3) 泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部存在少量帶針狀的水泥水化產(chǎn)物鈣礬石晶體，其相對數(shù)量的多少也取決于水固比的變化。水固比越小時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部的水泥物質(zhì)結(jié)構(gòu)越密實，相應(yīng)的氣孔孔隙越少，則存在較少的空間生成鈣礬石，自然生成鈣礬石的數(shù)量也越少。

(4) 從微觀結(jié)構(gòu)的角度分析，包裹著氣孔的孔壁是泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度的主要提供者。水固比越小時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實，氣孔-孔壁結(jié)構(gòu)越堅實且完整，則其無側(cè)限抗壓強度值越大。