劉 寶 鑄

(中鐵十四局集團(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)南 250399)

1 概述

泡沫輕質(zhì)土作為一種新興的工程材料，目前廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域。其采用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮氣體通過(guò)發(fā)泡劑水溶液生成泡沫，與水泥、外加劑、原料土等混合均勻，經(jīng)過(guò)自然養(yǎng)護(hù)后形成的一種輕質(zhì)工程材料[1]。其優(yōu)勢(shì)在于施工時(shí)間短、施工高效高、施工作業(yè)面小等[2]，對(duì)于解決橋頭跳車、降低軟土地基回填土重量、公路擴(kuò)建方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)效益[3]。

自20世紀(jì)80年代后期日本等國(guó)研發(fā)泡沫輕質(zhì)土以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其均已取得顯著成果。陳忠平等[4]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了泡沫輕質(zhì)土的優(yōu)勢(shì)和工程應(yīng)用特點(diǎn)，并闡述了在實(shí)際工程建設(shè)中泡沫輕質(zhì)土具有十分顯著的效果。章?tīng)N林等[5]通過(guò)調(diào)整原料土摻入量，研究泡沫輕質(zhì)土的基本性能，并對(duì)耐久性進(jìn)行了研究。梁朋濤等[6]通過(guò)不同類型的氣泡，原料土不同摻入比來(lái)研究泡沫輕質(zhì)土的吸水性和抗干濕循環(huán)能力。裘友強(qiáng)等[7]發(fā)現(xiàn)摻入一定比例的粉煤灰能提高泡沫輕質(zhì)土的性能。并且采用粉煤灰替代部分水泥有利于成本的控制、保護(hù)環(huán)境，而且能降低泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性和增大其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以混合粉煤灰和減水劑等來(lái)制備泡沫輕質(zhì)土，在滿足工程上對(duì)輕質(zhì)土性能要求下，降低造價(jià)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

原料土：黏土質(zhì)砂、淡化海砂，如表1所示。

水泥：P.O42.5，政和華廈水泥有限責(zé)任公司。

發(fā)泡劑：復(fù)合型水泥發(fā)泡劑，廈門金質(zhì)建材有限公司。

減水劑：聚羧酸型減水劑粉末。

粉煤灰：F類粉煤灰。

試驗(yàn)設(shè)備：KL-20T微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；水泥砂漿攪拌機(jī)；全自動(dòng)蒸汽發(fā)生器；100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)試模。

表1 原料土性能

2.2 配合比設(shè)計(jì)

原料土為淡化海砂試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，每組均摻入適量減水劑，并調(diào)整水固比以使輕質(zhì)土濕重度和流動(dòng)度滿足《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》[8]的要求，在此基礎(chǔ)上再摻入一定比例粉煤灰，然后進(jìn)行性能測(cè)定，確定最佳配合比，并具有一定經(jīng)濟(jì)效益。

原料土淡化海砂的摻入比例占水泥與淡化海砂質(zhì)量的0%,25%,33%,40%,50%，減水劑占水泥質(zhì)量的0.05%，水固比分別為0.40,0.32,0.30,0.28,0.23，如表2所示。

原料土為黏土質(zhì)砂摻入比為20%，23%，粉煤灰等質(zhì)量摻入比例為15%，20%，25%。黏土制砂摻入比例為40%，減水劑占水泥質(zhì)量的0.05%，水固比0.25，如表3所示。

試樣制作過(guò)程按照現(xiàn)有規(guī)程進(jìn)行，將原料土、減水劑粉末、粉煤灰、水、水泥攪拌均勻，加入氣泡拌和至重度穩(wěn)定后，將混合物倒入100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)試模具中24 h后脫模，密封后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至性能試驗(yàn)要求日期。

表2 淡化海砂配合比

表3 黏土質(zhì)砂配合比

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

制備泡沫輕質(zhì)土試驗(yàn)流程圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備泡沫輕質(zhì)土，采用空氣壓縮機(jī)制取泡沫，使用水泥砂漿攪拌機(jī)拌和。首先稱取設(shè)計(jì)比例的原料土、水泥和減水劑粉末倒入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌1 min～2 min使其混合均勻，再注入水?dāng)嚢璨簧儆? min，用空氣壓縮機(jī)將空氣注入稀釋后的發(fā)泡劑形成氣泡群，攪拌至穩(wěn)定輕質(zhì)混合物，攪拌過(guò)程如圖2所示。在制備過(guò)程中應(yīng)取樣稱取容重，取樣時(shí)暫停攪拌機(jī)，且應(yīng)盡量取攪拌機(jī)中央的拌和物，以防泡沫輕質(zhì)土未攪拌均勻，不具有代表性，而影響輕質(zhì)土的性能。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備泡沫輕質(zhì)土過(guò)程中，需將模具涂上凡士林以便脫模，再將已混合完全的泡沫輕質(zhì)土小心注入試模中并整平表面，用保鮮膜覆蓋表面24 h以上后脫模，挑選無(wú)明顯缺角的試塊用塑料袋密封后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至性能試驗(yàn)要求日期。

2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.4.1流動(dòng)度試驗(yàn)

流動(dòng)度試驗(yàn)依照現(xiàn)有規(guī)程進(jìn)行，流動(dòng)度結(jié)果應(yīng)滿足規(guī)程中要求，即180 mm±20 mm。流動(dòng)度太大可能會(huì)在制備過(guò)程中出現(xiàn)離析現(xiàn)象，若流動(dòng)度太小會(huì)導(dǎo)致試樣在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)大孔，影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.4.2無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試應(yīng)依照現(xiàn)有規(guī)程進(jìn)行，加載速度為2 kN/s，直到試樣破壞，記錄峰值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選用的試驗(yàn)原材料為淡化海砂和黏土質(zhì)砂，根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)的配合比來(lái)檢測(cè)泡沫輕質(zhì)土的流值、濕重度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，原料土為淡化海砂的流動(dòng)度數(shù)值結(jié)果均落在180 mm±20 mm，本次試驗(yàn)有水固比和原料土摻量?jī)蓚€(gè)變量，兩個(gè)變量均能影響流動(dòng)度大小，故流動(dòng)度結(jié)果與原料土摻量不能滿足一定線性關(guān)系。

3.1 流動(dòng)度結(jié)果分析

原料土為黏土質(zhì)砂的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：在黏土質(zhì)砂摻入量確定下，泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)度隨粉煤灰摻入比例的增大而增大。粉煤灰比例增大，即水泥的摻入比例對(duì)應(yīng)減少，故在拌制泡沫輕質(zhì)土過(guò)程中，粉煤灰的吸水能力大于水泥。水含量越小，粘滯性越強(qiáng)，故流動(dòng)度值越小。當(dāng)粉煤灰摻入量不變時(shí)，20%黏土質(zhì)砂拌制的輕質(zhì)土流動(dòng)度基本大于23%摻入量下的輕質(zhì)土的流動(dòng)度，表明黏土質(zhì)砂的吸水性能小于膠凝材料。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將7 d和28 d養(yǎng)護(hù)的兩種泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，強(qiáng)度結(jié)果如圖4，圖5所示。

由圖4可得，泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度受到淡化海砂摻入比例和水固比的影響?？箟簭?qiáng)度大致隨著淡化海砂摻入比例增大而減小，原因在于本次試驗(yàn)為滿足流動(dòng)度達(dá)到規(guī)定值，在改變海砂摻入比例的同時(shí)也調(diào)整水固比。當(dāng)?shù)皳饺氡壤秊?3%時(shí)，7 d和28 d強(qiáng)度均出現(xiàn)拐點(diǎn)，28 d強(qiáng)度為1.59 MPa，繼續(xù)增大摻入比例，強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)摻入比例為50%時(shí)，其28 d強(qiáng)度僅為0.74 MPa<0.8 MPa。故最佳原料土摻入可以選擇在33%，既滿足強(qiáng)度和流動(dòng)度要求，又具有經(jīng)濟(jì)性。28 d強(qiáng)度和7 d強(qiáng)化度的比值ηA=1.32～1.64，平均值為1.47，也與陳忠平等[9]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定泡沫輕質(zhì)土的28 d強(qiáng)度和7 d強(qiáng)化度比值基本吻合。

由圖5可得，粉煤灰摻入比例增加，泡沫輕質(zhì)土的7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，且28 d降低速率更快。如當(dāng)粉煤灰摻入比例為0%時(shí)，泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度最高，黏土質(zhì)砂摻入量20%時(shí)，28 d泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.85 MPa。摻入粉煤灰后，水固比減小，但由于粉煤灰的水硬性遠(yuǎn)小于水泥，對(duì)輕質(zhì)土整體的膠結(jié)能力更弱，故強(qiáng)度減小。且23%黏土質(zhì)砂摻入比例下的輕質(zhì)土整體強(qiáng)度均小于20%摻入下的輕質(zhì)土，原料土比例增加引起膠凝材料的降低，導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。在滿足工程建設(shè)對(duì)強(qiáng)度和流動(dòng)度要求下，原料土為黏土質(zhì)砂的摻入比例為23%，水固比0.5，粉煤灰摻入比例25%為最佳配合比。

4 結(jié)語(yǔ)

1)兩種泡沫輕質(zhì)土的最佳配比分別為：原料土為淡化海砂的摻入比例為33%，水固比0.3，減水劑0.05%；原料土為黏土質(zhì)砂的摻入比例為23%，水固比0.5，粉煤灰摻入比例為25%。

2)由于粉煤灰的吸水能力大于水泥，導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)度隨著粉煤灰摻入比例的增大而增大，且黏土質(zhì)砂的吸水性能小于膠凝材料。

3)隨著粉煤灰摻入比例增加，泡沫輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，且28 d強(qiáng)度降低速率大于7 d強(qiáng)度降低速率。