薛國毛 謝規(guī)球 鄭 中 陳 云

(1.中交第四公路工程局有限公司 北京 100022； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075)

泡沫輕質(zhì)土的組成材料主要包括固化劑、細(xì)骨料、氣泡和水。許多學(xué)者通過研究不同的摻和料或外加劑對(duì)泡沫輕質(zhì)土的改性影響以進(jìn)一步提高泡沫輕質(zhì)土的性能[1-3]。陳金威等[4-5]選用不同摻料研究不同摻合料對(duì)泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度等性能的影響，認(rèn)為摻加礦粉和粉煤灰的泡沫輕質(zhì)土表現(xiàn)出了較高的強(qiáng)度特性。嵇鷹等[6-7]對(duì)不同粉煤灰制備的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行研究，分析了泡沫輕質(zhì)土孔結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，并得到粉煤灰對(duì)泡沫混凝土的作用機(jī)理。

國內(nèi)外現(xiàn)多使用粉煤灰作為泡沫混凝土的一種細(xì)骨料，但粉煤灰泡沫混凝土早期強(qiáng)度偏低，實(shí)際工程中泡沫輕質(zhì)土早期強(qiáng)度過低會(huì)嚴(yán)重影響工期，并且隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，粉煤灰已成為一種稀缺的材料。因此，選擇合適的廢棄材料代替全部或部分粉煤灰制備泡沫輕質(zhì)土，在保證輕質(zhì)土性能的同時(shí)做到節(jié)約環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效。此外，細(xì)度較小的石灰石粉在混凝土中不僅可充當(dāng)微骨料，還能促進(jìn)水化反應(yīng)，有利于提高混凝土的早期強(qiáng)度。因此，以磨細(xì)石灰石粉作為一種輔固化劑摻合料，分析其對(duì)泡沫輕質(zhì)土性能的影響，具有一定研究價(jià)值。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1) 發(fā)泡劑。試驗(yàn)所用發(fā)泡劑為QW-100型號(hào)發(fā)泡劑，屬于物理發(fā)泡劑的一種。

2) 水泥。本試驗(yàn)選用42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用水泥主要性能指標(biāo)

3) 粉煤灰。本試驗(yàn)選用F類II級(jí)粉煤灰作為試驗(yàn)原材料，其主要物理性能指標(biāo)見表2。

表2 試驗(yàn)用粉煤灰主要性能指標(biāo)

4) 磨細(xì)石灰石粉。試驗(yàn)采用比表面積為700 m2/kg的磨細(xì)石灰石粉，其主要化學(xué)組成見表3。

表3 磨細(xì)石灰石粉化學(xué)分析結(jié)果

5) 水。采用試驗(yàn)室中雜質(zhì)較少的自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

為了有效避免大量的試驗(yàn)次數(shù)、節(jié)約成本，得到各試驗(yàn)因子對(duì)泡沫輕質(zhì)土性能的影響大小和規(guī)律，試驗(yàn)采用均勻設(shè)計(jì)方法，選擇4個(gè)因素：水固比(水泥漿中單位質(zhì)量固體所含水的質(zhì)量即水的質(zhì)量與水泥、粉煤灰、磨細(xì)石灰石粉等固化劑總量之和的比)、粉灰比(輔固化劑與主固化劑之比即粉煤灰、磨細(xì)石灰石粉質(zhì)量和與水泥質(zhì)量之比)、石灰石粉摻比(石灰石粉對(duì)粉煤灰的取代比)及氣泡率(單位泡沫輕質(zhì)土中所含泡沫的體積)，每個(gè)因素選擇5個(gè)水平，以水平次數(shù)的3倍作為實(shí)際試驗(yàn)次數(shù)，選擇U15×(157)使用表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平見表4。

表4 均勻試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表

1.3 試驗(yàn)方法

將以上試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(1)和(2)，每組按25 L泡沫輕質(zhì)土計(jì)算，得到各組均勻試驗(yàn)材料配比。按DB33/T 996-2015 《公路工程泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》對(duì)泡沫輕質(zhì)土的濕重度、流值、消泡率，以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等性能進(jìn)行測(cè)定。

(1)

Mq=ρq×Vq

(2)

其中：Vq為泡沫輕質(zhì)土的氣泡率；Mc為每立方泡沫輕質(zhì)土中水泥的質(zhì)量，kg/m3；Mw為每立方泡沫輕質(zhì)土中水的質(zhì)量，kg/m3；Mf為每立方泡沫輕質(zhì)土中粉煤灰的質(zhì)量，kg/m3；Ms為每立方泡沫輕質(zhì)土中磨細(xì)石灰石粉的質(zhì)量，kg/m3；ρc為水泥的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；ρf為粉煤灰的密度，kg/m3；ρs為磨細(xì)石灰石粉的密度，kg/m3；Mq為氣泡的質(zhì)量，kg/m3；ρq為氣泡的密度，kg/m3。

泡沫輕質(zhì)土制備方法具體步驟如下。

1) 量取10 L的水和0.25 L的發(fā)泡劑，按照40倍的稀釋倍率對(duì)發(fā)泡劑進(jìn)行稀釋，得到發(fā)泡劑稀釋液，并利用便攜式發(fā)泡機(jī)將發(fā)泡液在壓力的作用下引入空氣，產(chǎn)生大量穩(wěn)定的泡沫。

2) 按配方量稱取水泥、粉煤灰、磨細(xì)石灰石粉和水，對(duì)其進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，形成水泥漿液。

3) 稱取一定量的泡沫與水泥漿液進(jìn)行混合攪拌，形成泡沫輕質(zhì)土混合液。

4) 對(duì)制成的泡沫輕質(zhì)土漿液進(jìn)行流值、濕重度和消泡試驗(yàn)等性能測(cè)定，同時(shí)將漿液倒入模具中進(jìn)行試樣制備，養(yǎng)護(hù)到一定齡期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與模型建立

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際工程應(yīng)用中，評(píng)價(jià)泡沫輕質(zhì)土物理力學(xué)性能最基本的指標(biāo)是：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、濕重度、流值。同時(shí)本文添加消泡試驗(yàn)對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)上節(jié)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的各組泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行性能測(cè)定。測(cè)定結(jié)果表明，各試驗(yàn)組泡沫輕質(zhì)土流值實(shí)測(cè)值為170～195 mm；濕重度實(shí)測(cè)值為5～8 kN/m3；消泡率為5%～13%；24 h無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.17～0.60 MPa；3 d抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為0.42～1.01 MPa；7 d抗壓強(qiáng)度為0.64～1.49 MPa；14 d抗壓強(qiáng)度為0.91～2.49 MPa；28 d抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為1.26～2.80 MPa。

根據(jù)規(guī)范及現(xiàn)場泡沫輕質(zhì)土性能要求，泡沫輕質(zhì)土為滿足泵送要求，流值應(yīng)大于170 mm，同時(shí)為保證其早期強(qiáng)度性能，流值不得超過190 mm，并且7 d抗壓強(qiáng)度不低于0.6 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度不低于1.2 MPa，濕重度不超過7.5 kN/m3，消泡率低于10%。15個(gè)試驗(yàn)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)試驗(yàn)值幾乎全部將現(xiàn)場及規(guī)范要求的區(qū)間范圍包含在內(nèi)，說明本次均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，可為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

2.2 建立模型

回歸分析是用來研究因變量與自變量之間關(guān)系的首選方法，在預(yù)測(cè)建模、查找變量間關(guān)系等領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用?；貧w分析法可以有2個(gè)及2個(gè)以上的自變量數(shù)目，其主要優(yōu)勢(shì)在于兩方面：①得到回歸模型，描述因變量與自變量間的顯著關(guān)系；②描述多個(gè)獨(dú)立變量對(duì)因變量的不同影響程度。

本研究采用多元二次回歸模型，將4個(gè)自變量水固比、粉灰比、石灰石粉摻比和氣泡率及其兩兩組合所得項(xiàng)考慮為回歸模型的自變量，選用SPSS(statistical product and service solutions)軟件中的多元線性回歸模塊，將二次多元非線性回歸轉(zhuǎn)化為線性回歸以進(jìn)行回歸分析，數(shù)據(jù)輸入見圖1。

圖1 SPSS數(shù)據(jù)輸入

程序每次只能進(jìn)行1個(gè)因變量的回歸分析，總體統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值符合F分布，采用后退法，對(duì)泡沫輕質(zhì)土關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行多元回歸分析，得到回歸模型，見式(3)。

fγw=59.784+27.093x2-164.939x4-

42.231x2x4+127.342x42

fJ=114.023+317.024x1-124.387x2+

26.544x1x3-242.570x1x4-108.614x22

fδ=-0.310+0.525x1+1.377x2-0.801x1x3-

2.158x2x4+0.402x32+0.509x42fC1=1.336-4.542x2-3.132x1x3+3.307x2x3+4.689x22+1.008x32

fC3=9.879-3.097x2-23.767x4-2.33x1x3+

4.502x2x3+17.095x42

fC7=3.724-5.207x2+5.623x1x3-

7.176x1x4+7.262x2x4-4.623x3x4

fC14=12.458-22.888x2-16.685x4+

33.890x2x4

fC28=79.257-125.552x1-116.284x4-

1.3x1x3+188.329x1x4-

0.304x2x3+1.65x3x4

式中：γw為泡沫輕質(zhì)土的濕重度；J為泡沫輕質(zhì)土的流值；δ為泡沫輕質(zhì)土的消泡率；Ci為泡沫輕質(zhì)土養(yǎng)護(hù)i天后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；x1為水固比；x2為粉灰比；x3為石灰石摻比；x4為氣泡率。

表5 回歸模型評(píng)價(jià)參數(shù)表

由表5可見，各回歸方程的相關(guān)系數(shù)與決定系數(shù)均非常接近于1，且顯著性水平均遠(yuǎn)小于0.01，說明回歸方程的擬合程度較好，回歸極顯著，回歸模型的可信度很高。

3 泡沫輕質(zhì)土各性能影響因素分析

利用上述回歸分析模型進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土性能的單因素影響分析，以水固比為1∶1.75、粉灰比為0.3、磨細(xì)石灰石粉摻比為0.55、氣泡率為0.65作為基礎(chǔ)配比進(jìn)行分析。

1) 濕重度。泡沫輕質(zhì)土配比各影響因素與濕重度之間的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 各因素對(duì)泡沫輕質(zhì)土濕重度的影響

由圖2可見，在試驗(yàn)因素取值范圍內(nèi)，泡沫輕質(zhì)土濕重度主要受粉灰比和氣泡率的影響。其中氣泡率的影響較粉灰比更為顯著。泡沫輕質(zhì)土濕重度均隨著粉灰比和氣泡率的增大而減小，隨粉灰比的增大呈線性減小，隨氣泡率的增大呈開口向上的二次拋物線形減小。

2) 流值。泡沫輕質(zhì)土配比各影響因素與流值之間的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 各因素對(duì)泡沫輕質(zhì)土流值的影響

由圖3可見，水固比、粉灰比、磨細(xì)石灰石粉摻比及氣泡率均可對(duì)泡沫輕質(zhì)土的流值大小產(chǎn)生影響，并且影響均較為顯著。其中，泡沫輕質(zhì)土的流值隨著水固比的增大呈線性增大，隨粉灰比的增大呈開口向上的二次拋物線形變化，粉灰比為0.3左右時(shí)達(dá)到峰值。同時(shí)，隨著磨細(xì)石灰石粉摻入量的增加泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)度逐漸減小，并且隨著氣泡率的增加泡沫輕質(zhì)土的流值呈線性減小。

3) 消泡率。泡沫輕質(zhì)土配比各影響因素與消泡率之間的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 各因素對(duì)泡沫輕質(zhì)土消泡率的影響

由圖4可見，水固比、粉灰比、磨細(xì)石灰石粉摻比及氣泡率均可對(duì)泡沫輕質(zhì)土的消泡率大小產(chǎn)生影響。其中，粉灰比和石灰石粉摻比對(duì)泡沫輕質(zhì)土消泡率的影響更為顯著。泡沫輕質(zhì)土的消泡率隨著水固比的增大呈線性增長，隨粉灰比的增大呈線性減小。氣泡率對(duì)消泡率幾乎無影響，同時(shí)，隨著磨細(xì)石灰石粉摻入量的增加泡沫輕質(zhì)土的消泡率均呈開口向上的二次拋物線形變化，在磨細(xì)石灰石粉摻比在55%左右時(shí)消泡率達(dá)到最低。

4) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。泡沫輕質(zhì)土各配比因子與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 各因素對(duì)泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5可見，1 d的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度受水固比、粉灰比和石灰石粉摻比的影響，其中隨著水固比的增大呈線性減小，隨粉灰比的增大抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的二次拋物線形變化，隨磨細(xì)石灰石粉摻比的增大呈二次拋物線形增大；3 d和7 d的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度受水固比、粉灰比、石灰石粉摻比和氣泡率的影響，其中3 d泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度受粉灰比和氣泡率的影響顯著，水固比和石灰石粉摻比的影響較顯著，7 d泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度受石灰石粉摻比和氣泡率的影響大，水固比和粉灰比對(duì)7 d泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響較大。并且3 d的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度和7 d的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度均隨著水固比、粉灰比和氣泡率的增大呈線性減小，隨磨細(xì)石灰石粉摻比的增大呈線性增大；14 d的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度僅受粉灰比和氣泡率的影響，并且隨著粉灰比和氣泡率的增大均呈線性減小，氣泡率的影響更為顯著；28 d的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度受水固比、粉灰比、石灰石粉摻比和氣泡率的影響，并且隨著水固比、粉灰比和氣泡率的增大呈線性減小，隨磨細(xì)石灰石粉摻比的增大呈線性增大。

對(duì)比水固比、粉灰比、磨細(xì)石灰石粉摻比和氣泡率影響下的泡沫輕質(zhì)土1，3，7，14，28 d的抗壓強(qiáng)度曲線，發(fā)現(xiàn)整體變化較為穩(wěn)定，不同齡期抗壓強(qiáng)度之間差值變化較小。

4 結(jié)論

1) 磨細(xì)石灰石粉對(duì)泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性有改善作用，并且在替代率為55%之前對(duì)泡沫的消泡作用有抑制效果，可提高泡沫質(zhì)量，同時(shí)磨細(xì)石灰石粉可提高泡沫輕質(zhì)土早期抗壓強(qiáng)度。對(duì)石灰石粉這一廢棄資源進(jìn)行利用，在改善泡沫輕質(zhì)土性能的同時(shí)可緩解粉煤灰緊缺的現(xiàn)狀。

2) 通過SPSS軟件對(duì)多因素與泡沫輕質(zhì)土各性能之間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得到了回歸模型，且各回歸方程擬合系數(shù)均達(dá)到0.9附近，顯著性水平均遠(yuǎn)小于0.01，說明模型擬合程度好，顯著性高，因此，各回歸模型是可信的。

3) 單因素影響分析顯示，泡沫輕質(zhì)土的各項(xiàng)性能在各個(gè)單因素的影響下均為線性與二次拋物線形的變化形式。其中，泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)度主要受氣泡率和水固比的影響；濕重度主要受粉灰比和氣泡率的影響；消泡率主要受粉灰比和磨細(xì)石灰石粉摻比的影響；泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度主要受水固比、磨細(xì)石灰石粉摻比和氣泡率影響。