葉 仙 松，劉 雨，劉 耀 邦，朱 志 剛，徐 方

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040； 2.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040； 3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040； 4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

對于一些長期處于浸水環(huán)境的水工結(jié)構(gòu)物，為確保其永久穩(wěn)定性，解決抗浮、避免附加荷載偏載等問題，需對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行減載回填。其中常見的回填材料有砂石、陶粒、碎石、輕集料混凝土等，應(yīng)用以上材料進(jìn)行回填時常面臨成本高、回填面不整齊、積淤、抗沖刷等問題。

泡沫輕質(zhì)土是一種內(nèi)部含有封閉氣孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料，由于其具備輕質(zhì)高強(qiáng)且密度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)控的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種減載回填工程[1-3]。泡沫輕質(zhì)土作為水泥基輕質(zhì)多孔材料，成本相對較低，在具有良好力學(xué)性能的同時，可以根據(jù)回填需求對自身密度調(diào)節(jié)進(jìn)行配載[4-5]。當(dāng)以泡沫輕質(zhì)土預(yù)制塊的形式進(jìn)行水下堆放回填時，其工面整齊且不污染水質(zhì)，因此在水工領(lǐng)域的回填應(yīng)用具有較高的適用性。但由于泡沫輕質(zhì)土材料在國內(nèi)應(yīng)用年限較短，尤其缺少泡沫輕質(zhì)土水下回填方面的應(yīng)用案例，一些實(shí)際問題尚有待解決。如材料由于自身吸水會引起密度的變化，對泡沫輕質(zhì)土的吸水規(guī)律及因此引起的附加荷載的變化情況尚不明了，從而會對水下回填效果造成明顯影響。泡沫輕質(zhì)土長期處于水下環(huán)境時，在水壓及浸泡作用下自身力學(xué)性能變化情況也倍受關(guān)注，能否滿足設(shè)計(jì)使用年限的耐久性問題有待進(jìn)一步研究。在泡沫輕質(zhì)土吸水之后性能變化方面，相關(guān)學(xué)者通過調(diào)整配合比設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增強(qiáng)漿體的流動性有利于氣孔的完整，可以降低吸水率、提高強(qiáng)度性能[6]。相同孔隙率條件下，連通孔較多時氣孔難以分散均勻，泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度降低，且吸水率明顯增高[7]，當(dāng)氣孔連通率相差不大時，氣孔的形狀分布同樣對吸水率有很大影響[8]。當(dāng)泡沫輕質(zhì)土密度等級不斷提升時，其質(zhì)量吸水率會隨著孔隙率的降低而不斷降低[9]。對基體內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)的孔徑和圓度進(jìn)行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，隨著孔壁厚度與密實(shí)度的提高，泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能也有所增強(qiáng)[10]。以上研究均是基于材料本身進(jìn)行性能的提升，并未涉及耐久性問題。因此對泡沫輕質(zhì)土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并探究在長期浸水條件下泡沫輕質(zhì)土材料物理力學(xué)性能和耐久性能，對于水工結(jié)構(gòu)的減載回填具有重要指導(dǎo)意義與應(yīng)用價值[11]。

綜上所述，本文使用電廠煤渣為集料進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土預(yù)制塊的制備與研究工作。首先對泡沫輕質(zhì)土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對不同組成設(shè)計(jì)的煤渣基泡沫輕質(zhì)土標(biāo)準(zhǔn)試塊分別進(jìn)行120 d的標(biāo)養(yǎng)和浸水，定期對其質(zhì)量吸水率與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定，分析泡沫輕質(zhì)土物理性能和力學(xué)性能隨浸水時間增長的變化規(guī)律，從而對其水下耐久性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。相關(guān)研究成果可為煤渣基泡沫輕質(zhì)土水下應(yīng)用提供重要參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

(1)水泥：葛洲壩宜城水泥有限公司“三峽牌”P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)煤渣：火力發(fā)電廠固體廢棄物煤渣。

(3)發(fā)泡劑：十二烷基硫酸鈉(K12)，白色粉末狀物質(zhì)，分析純，純度高于99.6%。

(4)穩(wěn)泡劑：黃原膠，淡黃色顆粒狀物質(zhì)，分析純，純度高于95%。

1.2 泡沫輕質(zhì)土配合比

以煤渣為集料，首先控制固材中水泥占比40%、煤渣占比60%，調(diào)整泡沫摻量制備密度為800～1 400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土；其次固定設(shè)計(jì)密度，調(diào)整水泥比例，以5%為梯度，制備水泥用量占固材25%～35%的泡沫輕質(zhì)土(見表1)。

表1 煤渣基泡沫輕質(zhì)土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1浸水方法

泡沫輕質(zhì)土試塊標(biāo)養(yǎng)至28 d后，放入水箱內(nèi)浸水養(yǎng)護(hù)，保持水面浸沒試塊上表面2 cm。

1.3.2抗壓強(qiáng)度測試

依據(jù)JT/G 266-2011《泡沫混凝土》，每組試樣取試件3塊，加壓速度(2.0±0.5)kN/s，連續(xù)而均勻地加荷直至試件破壞，記錄破壞荷載，最后取3塊試件平均強(qiáng)度作為抗壓強(qiáng)度。

1.3.3質(zhì)量吸水率測試

定期將水養(yǎng)試件從水中取出，抹凈表面水分后立即稱取每塊質(zhì)量，隨后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，(60±5)℃下烘干至恒重并稱取每塊質(zhì)量，取3塊試塊測量質(zhì)量吸水率的平均值。

1.3.4軟化系數(shù)測試

分別對同周期標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng)試塊的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，泡沫輕質(zhì)土的軟化系數(shù)按下式計(jì)算：

(1)

式中：f1為泡沫輕質(zhì)土在不同天數(shù)浸水條件下吸水飽和狀態(tài)的試件抗壓強(qiáng)度；f0為泡沫輕質(zhì)土在不同天數(shù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下干燥狀態(tài)的試件抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

泡沫輕質(zhì)土的氣孔結(jié)構(gòu)對其性能有著決定性影響，當(dāng)平均孔徑及圓度逐漸增大時，泡沫輕質(zhì)土滲透系數(shù)會隨之增加[12]；當(dāng)內(nèi)部連通孔過多時，泡沫輕質(zhì)土的吸水量會明顯提高；同時泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度也會受孔徑大小及分布影響[13]。為了提升泡沫輕質(zhì)土耐久性，需對預(yù)制泡沫性能和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所列。隨著發(fā)泡劑用量的增加，預(yù)制泡沫的1 h沉降距和1 h泌水率不斷降低，當(dāng)F4組發(fā)泡劑濃度達(dá)到8 g/L時，預(yù)制泡沫的降低逐漸趨于緩和，此時發(fā)泡劑濃度達(dá)到臨界膠束濃度[14]，影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素不再是表面張力[15]。隨后加入穩(wěn)泡劑，預(yù)制泡沫穩(wěn)定性進(jìn)一步提升，預(yù)制泡沫的1 h沉降距、1 h泌水率均表現(xiàn)出明顯降低。同時，穩(wěn)泡劑的加入使得預(yù)制泡沫的平均Feret直徑及平均圓度也得到了優(yōu)化。

表2 預(yù)制泡沫配合比及性能參數(shù)

將新鮮預(yù)制泡沫W1和W5涂抹于10 mm×40 mm的載玻片上，然后置于偏光顯微鏡下觀察預(yù)制泡沫結(jié)構(gòu)變化情況，如圖1所示。

圖1 預(yù)制泡沫微觀結(jié)構(gòu)

隨著時間的遷移，相比W1組預(yù)制泡沫，1 h沉降距和1 h泌水率更低的W5組預(yù)制泡沫其液膜框架更加鮮明均勻，泡沫消融合并的現(xiàn)象得到了減緩，泡沫液膜在相同時間內(nèi)排液更少。由此可知，隨著穩(wěn)泡劑適量的增加，穩(wěn)泡劑通過增強(qiáng)預(yù)制泡沫的液膜黏度進(jìn)而減少了預(yù)制泡沫的透氣和降低了液膜的排液速率，延長了泡沫半衰期，使預(yù)制泡沫穩(wěn)定性得到提高。圖2為不同預(yù)制泡沫的輕質(zhì)土3D形貌。

圖2 不同預(yù)制泡沫下煤渣基泡沫輕質(zhì)土的3D形貌(單位：μm)

2.2 浸水耐久性能

使用W5組預(yù)制泡沫制備不同配比的煤渣基泡沫輕質(zhì)土，各組泡沫輕質(zhì)土的設(shè)計(jì)密度、實(shí)測表觀密度、抗壓強(qiáng)度及氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3和圖3所示。

表3 煤渣基泡沫輕質(zhì)土氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和抗壓強(qiáng)度

圖3 實(shí)測密度對孔隙率與抗壓強(qiáng)度的影響

可以看出，不同配比試樣的實(shí)測密度與表觀密度相差并不明顯，差值均在3%以內(nèi)；隨著實(shí)測密度的不斷增大，孔隙率逐漸增大，與此同時，抗壓強(qiáng)度趨于減小，其變化趨勢基本呈線性關(guān)系。

2.2.1質(zhì)量吸水率

泡沫輕質(zhì)土處于水環(huán)境中時，水分會在其表面吸附并擴(kuò)散進(jìn)入材料內(nèi)部孔隙，并在孔壁上形成吸附層進(jìn)而擴(kuò)散深入孔隙內(nèi)部，增加整體重量[16]。對煤渣基泡沫輕質(zhì)土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后浸沒水中養(yǎng)護(hù)，一定周期后對質(zhì)量吸水率進(jìn)行檢測，以探究不同配比泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量吸水率隨時間變化的規(guī)律。相同水泥摻量時密度等級為800～1 400 kg/m3及相同密度等級時水泥摻量為25%～40%的煤渣基泡沫輕質(zhì)土浸水120 d的吸水情況如圖4及圖5所示，兩種組合設(shè)計(jì)均在浸水30 d時表現(xiàn)出趨于飽和。其中，隨著密度等級由800 kg/m3提高到1 400 kg/m3，質(zhì)量吸水率相應(yīng)由34.9%逐漸降低至10.4%；隨著水泥用量由25%提高到40%，質(zhì)量吸水率相應(yīng)由26.3%降低至20.4%。由此可知，煤渣基泡沫輕質(zhì)土的質(zhì)量吸水率與密度等級和水泥摻量均成反比，且相比水泥摻量，密度等級是影響質(zhì)量吸水率的主要因素。

圖4 密度等級對質(zhì)量吸水率的影響

圖5 水泥摻量對質(zhì)量吸水率的影響

如圖6所示，以水泥用量40%時密度等級為800～1 400 kg/m3的河砂泡沫輕質(zhì)土其120 d質(zhì)量吸水率為飽和吸水率進(jìn)行擬合分析，經(jīng)非線性曲線擬合得到質(zhì)量吸水率WR與密度等級ρw的關(guān)系式：

圖6 密度等級與質(zhì)量吸水率擬合曲線

WR=(1.37143×0.99843ρw-0.04734)×100%，

R2=0.9945

(2)

式中：WR為泡沫輕質(zhì)土的質(zhì)量吸水率；ρw為泡沫輕質(zhì)土的密度等級。

同理，根據(jù)相同密度等級時25%～40%水泥摻量下煤渣基泡沫輕質(zhì)土的120 d質(zhì)量吸水率，經(jīng)線性擬合得到水泥摻量與質(zhì)量吸水率之間的關(guān)系(見圖7)。根據(jù)水泥摻量對質(zhì)量吸水率的影響斜率，對式(2)進(jìn)行修正后得質(zhì)量吸水率WR與密度等級ρw及水泥摻量Cw的關(guān)系式：

圖7 水泥摻量與質(zhì)量吸水率擬合曲線

WR=(-0.80857+0.01903Cw-0.55131Cw×

0.99843ρw+23.42402×0.99843ρw)×100%

(3)

2.2.2軟化系數(shù)

泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙按孔徑可分為宏觀孔、毛細(xì)孔、凝膠孔[17]。外界水分可以通過孔隙進(jìn)行滲透、毛細(xì)吸附、擴(kuò)散和對流等行為在泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部遷移和擴(kuò)散，從而對泡沫輕質(zhì)土的物理性能和力學(xué)性能造成影響[18-19]。為探討長期工作于水環(huán)境中煤渣基泡沫輕質(zhì)土性能的變化情況，將煤渣基泡沫輕質(zhì)土標(biāo)養(yǎng)28 d后，分別對試塊進(jìn)行繼續(xù)標(biāo)養(yǎng)和浸水養(yǎng)護(hù)，定期測量兩種養(yǎng)護(hù)條件下試塊的抗壓強(qiáng)度。按照公式(1)的軟化系數(shù)測試方法，對軟化系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。隨著浸水時長的增加，煤渣基泡沫輕質(zhì)土軟化系數(shù)逐漸降低，且隨著密度等級的降低，軟化系數(shù)降低越明顯。水泥摻量不變時，隨著密度由1 400 kg/m3降低至800 kg/m3，軟化系數(shù)由0.978降低至0.852；密度等級不變時，隨著水泥摻量由40%減少至25%，軟化系數(shù)由0.925降低至0.912。與質(zhì)量吸水率的表現(xiàn)相對應(yīng)的，密度等級相比水泥摻量對軟化系數(shù)同樣表現(xiàn)出更大的影響度。

同理，首先根據(jù)浸水120 d時長下密度等級與軟化系數(shù)的結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到兩者之間的關(guān)系曲線(見圖8)。其次對水泥摻量與軟化系數(shù)之間的關(guān)系擬合，曲線如圖9所示。根據(jù)水泥摻量與軟化系數(shù)之間的斜率對前者進(jìn)行修正，最終得到軟化系數(shù)K與密度等級ρw及水泥摻量Cw的關(guān)系式：

圖8 密度等級與軟化系數(shù)擬合曲線

圖9 水泥摻量與軟化系數(shù)擬合曲線

K=6.17067×10-4Cw+2.00959×10-4ρw+

1.87617×10-7Cwρw+0.660947

(4)

2.3 浸水劣化機(jī)理分析

水泥基材料的吸水滲透主要作用于毛細(xì)孔與連通孔，封閉良好的氣孔由于氣孔壁的存在并不會出現(xiàn)積液和吸水，孔隙率的增長與吸水率之間并無明顯關(guān)系[8]。結(jié)合前面試驗(yàn)結(jié)果，質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)主要受密度等級影響，而影響密度等級的內(nèi)在因素主要為孔隙率。因此可以認(rèn)為水環(huán)境對泡沫輕質(zhì)土的劣化影響主要取決于泡沫輕質(zhì)土的親水性能與孔間凝膠骨架狀態(tài)，且泡沫輕質(zhì)土的親水性能變化與孔間凝膠骨架的劣化主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)泡沫輕質(zhì)土的親水性能主要與基體內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，泡沫輕質(zhì)土的實(shí)測密度越大，其基體內(nèi)部孔隙率越小，質(zhì)量吸水率也出現(xiàn)降低的趨勢，與此同時，基體內(nèi)部連通孔隙率相對較低，外界水分向內(nèi)部遷移滲透的能力不斷減弱。

(2)如圖10所示，隨著水分在毛細(xì)孔和凝膠孔的滲透，氣液界面的水分子在勢能差作用下向固液界面移動，滲透水表面形成內(nèi)凹狀。由于滲透水表面張力Fσ的存在，沿液面切線方向的表面張力使得滲透水受到指向球心的合力Fτ。該合力在垂直于孔隙方向的分力Ft作用于孔隙壁，使得煤渣水泥凝膠儲備強(qiáng)度受到消耗，從而降低了強(qiáng)度改變其軟化系數(shù)。當(dāng)密度等級提高導(dǎo)致孔隙率降低時，隨著孔間凝膠厚度d及強(qiáng)度的增加，滲透水作用效果逐漸降低，軟化系數(shù)不斷升高。當(dāng)水泥摻量增加時，孔間凝膠骨架強(qiáng)度得到增強(qiáng)，滲透水所消耗儲備強(qiáng)度占總強(qiáng)度比值也更小，軟化系數(shù)也隨之提高。

圖10 孔隙滲透水作用力示意

(3)當(dāng)泡沫輕質(zhì)土吸水趨于飽和后，在水頭壓和毛細(xì)管力作用下滲透趨于平衡。在滲透水作用下煤渣集料顆粒出現(xiàn)濕脹，在濕脹過程中煤渣顆粒與水泥凝膠之間相互作用，消耗了凝膠骨架一定量的儲備強(qiáng)度。此外，煤渣顆粒發(fā)生濕脹之后剛度降低，煤渣集料在凝膠之間的支撐作用被削減，導(dǎo)致煤渣基泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

(1)隨著預(yù)制泡沫穩(wěn)定性能的提升，預(yù)制泡沫表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度和韌性，泡沫液膜排氣和排液速率逐漸減緩，泡沫輕質(zhì)土成型過程中氣孔的合并與破滅情況顯著減少，基體內(nèi)部氣孔的獨(dú)立性和封閉性明顯提高。

(2)不同配合比的煤渣基泡沫輕質(zhì)土在浸水30 d時吸水均逐漸趨于飽和。隨著密度等級和水泥摻量的提升，泡沫輕質(zhì)土的質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)會降低，且相對于水泥摻量，密度等級對質(zhì)量吸水率與軟化系數(shù)的影響程度更高。

(3)泡沫輕質(zhì)土在浸水過程中，水環(huán)境對泡沫輕質(zhì)土的劣化影響主要取決于泡沫輕質(zhì)土的親水性能與孔間凝膠骨架狀態(tài)。滲透水的表面張力在毛細(xì)孔和凝膠孔的滲透過程中會形成毛細(xì)管力，毛細(xì)管力分力及集料顆粒在滲透水作用下的軟化和濕脹，會消耗孔間骨架的儲備強(qiáng)度，降低軟化系數(shù)。隨著密度等級的增高、孔隙率的降低，骨架強(qiáng)度得到提升，滲透水的毛細(xì)管力對凝膠骨架的軟化效果會不斷降低，軟化系數(shù)得到提高。