竇松濤 公彥昆 孫庚 張明 李海揚(yáng) 蔣紅光

1.中建八局第二建設(shè)有限公司， 濟(jì)南 250014； 2.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院， 濟(jì)南 250002

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水、集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。作為一種低密度、高強(qiáng)度、施工速度快的筑路新材料，泡沫輕質(zhì)土具有分散荷載、減少沉降的作用，將泡沫輕質(zhì)土用于鐵路工程中可以有效解決鐵路路基工后差異沉降、過(guò)渡段不易壓實(shí)等問(wèn)題，在鐵路軟土路基、鐵路路橋過(guò)渡段、路基幫寬處理等工程中已得到較多成功應(yīng)用［1］。

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物的資源化再利用，有學(xué)者將一般工業(yè)固體廢棄物作為泡沫輕質(zhì)土的添加料使用［2］。泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能與內(nèi)部孔隙狀態(tài)密切相關(guān)，在強(qiáng)度形成過(guò)程中，混合在漿體內(nèi)的泡沫在重力作用下發(fā)生遷移、融合、排液行為，使泡沫的液膜變薄，穩(wěn)定性變差。若泡沫消解后膠凝材料水化仍不完全，則難以形成完整的泡沫輕質(zhì)土骨架，內(nèi)部出現(xiàn)大直徑孔或連通孔，會(huì)造成泡沫輕質(zhì)土的物理性能和力學(xué)性能下降。因此，對(duì)泡沫穩(wěn)定性的要求進(jìn)一步提高。

現(xiàn)階段主要通過(guò)添加礦物摻和料或外加劑兩種方式改善泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高泡沫輕質(zhì)土性能。不同的外加劑對(duì)泡沫輕質(zhì)土性能的影響不同，常用的外加劑主要有早強(qiáng)劑、速凝劑、減水劑、穩(wěn)泡劑等。高鶴等［3］研究發(fā)現(xiàn)硬脂酸鈣可降低溶液表面張力，與陰離子表面活性劑共同作用提高泡沫的穩(wěn)定性。Zhang 等［4］研究了可可酰丙基二甲胺和十二烷基硫酸鈉的相互作用機(jī)理，認(rèn)為分子間的靜電吸引力可將表面活性劑分子固定在泡沫液膜的表面，提高泡沫穩(wěn)定性。Du 等［5］使用十二醇、十二烷基磺酸鈉和聚乙烯醇制備了多層膜超穩(wěn)定泡沫，發(fā)現(xiàn)多層泡沫通常能承受較大波動(dòng)，可增大氣液界面分子網(wǎng)絡(luò)的密度，降低氣體擴(kuò)散速率，使泡沫體系穩(wěn)定。

鋼鐵冶煉造成巨大煙塵污染，中國(guó)的冶煉底灰年產(chǎn)量約2 000 萬(wàn)噸。為此，本文以鋼鐵冶煉產(chǎn)生的底灰作為泡沫輕質(zhì)土的主要原材料，研究AES和CMC分別摻加時(shí)對(duì)于泡沫穩(wěn)定性、冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能和孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥型號(hào)為P·O 42.5，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 水泥化學(xué)成分

冶煉底灰來(lái)自山東一鋼廠，為褐色粉末狀顆粒，粒徑0.51 ～ 208 μm，有效粒徑3.51 μm，平均粒徑22 μm；不均勻系數(shù)8.55，曲率系數(shù)1.1，屬于級(jí)配良好材料。冶煉底灰液限22%，塑限13%，塑性指數(shù)9，屬于低液限黏土。冶煉灰底化學(xué)成分見(jiàn)表2。經(jīng)檢測(cè)，冶煉底灰中各項(xiàng)重金屬元素浸出液濃度均低于JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求。

表2 冶煉底灰化學(xué)成分

發(fā)泡劑采用山東煙臺(tái)馳龍建筑節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 發(fā)泡劑主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)

目標(biāo)濕密度為800 kg/m3，流動(dòng)度為（180±20） mm，水灰比為0.42。穩(wěn)泡劑摻量分別占原狀發(fā)泡劑質(zhì)量的0、5%、10%、20%、30%、40%、50%。配合比見(jiàn)表4。

表4 泡沫輕質(zhì)土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 發(fā)泡倍率試驗(yàn)

將配置好的發(fā)泡液倒入發(fā)泡攪拌一體機(jī)中充分發(fā)泡；將電子秤調(diào)平后，稱準(zhǔn)備盛裝泡沫的干燥燒杯質(zhì)量，然后取泡沫樣品裝滿燒杯，稱總質(zhì)量。設(shè)置3組平行試驗(yàn)組，最后利用式（1）、式（2）求出泡沫密度和發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)，分別取其算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值。

式中：ρ為泡沫密度，g/cm3；m1為干燥燒杯的質(zhì)量，g；m2為盛滿泡沫的燒杯質(zhì)量，g；V為盛裝泡沫的燒杯體積，cm3；M為發(fā)泡倍數(shù)；ρ0為泡沫劑水溶液密度，因與水密度十分接近，為簡(jiǎn)便計(jì)算取1.0 g/cm3。

1.3.2 泡沫泌水率和沉降距試驗(yàn)

將按表4配合比制備好的泡沫裝入1 L燒杯中，然后將邊長(zhǎng)2 cm 的紙片置于容器頂并開(kāi)始計(jì)時(shí)。將泌出水倒入燒杯后稱取質(zhì)量，靜置1 h 后測(cè)量泌出水的質(zhì)量與原泡沫質(zhì)量并計(jì)算泌水率。另備相同配合比的泡沫裝入1 L 容器中，靜置1 h 后測(cè)量泡沫從起始位置沉降的距離。設(shè)置3 組平行試驗(yàn)，取測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值。

1.3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試樣尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm。加載設(shè)備采用量程100 kN、精度0.5%的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。加載速率為2 mm/min，控制應(yīng)變速率不變加載至試件破壞。取3 組抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值。

1.3.4 掃描電子顯微鏡試驗(yàn)

使用掃描電子顯微鏡觀察未摻穩(wěn)泡劑、AES 摻量30%、CMC 摻量30%三種方法制備的冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。取養(yǎng)護(hù)28 d 樣品的中心切片用于試驗(yàn)，切片用無(wú)水乙醇浸泡3 d 后置于真空度0.5 MPa、溫度45 ℃的真空烘箱。切片干燥后使用電子顯微鏡掃描電子圖像，掃描電壓為3.0 kV，樣品與透鏡之間的距離為10 mm，放大倍數(shù)為20倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡倍率試驗(yàn)

泡沫發(fā)泡倍率隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線見(jiàn)圖1。可知，發(fā)泡倍率隨AES 摻量增加而提高。摻量30%時(shí)，泡倍率由原狀泡沫的17.0 倍提高至26.6 倍。摻量大于30%后發(fā)泡倍率緩慢增大，摻量50%時(shí)發(fā)泡倍率穩(wěn)定在27.5倍。CMC對(duì)發(fā)泡倍率影響甚微，不同摻量下發(fā)泡倍率在17 倍左右浮動(dòng)。這是因?yàn)锳ES 具備一定發(fā)泡能力，而CMC 不具備發(fā)泡能力，只能發(fā)揮穩(wěn)泡作用。

圖1 發(fā)泡倍率隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線

2.2 泌水率與沉降距試驗(yàn)

采用泌水率與沉降距評(píng)價(jià)兩種穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡效果。泌水率與沉降距越小，穩(wěn)泡效果越好。泡沫1 h泌水率、沉降距隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 泡沫1 h泌水率、沉降距隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線

由圖2 可知：①同等摻量下CMC 穩(wěn)泡效果優(yōu)于AES。②隨AES摻量增大，泡沫1 h泌水率與沉降距均先減小然后小幅增大。摻量由0 增至20%時(shí)，穩(wěn)泡效果明顯，泌水率由67%降至52%，沉降距由66 mm 降至51 mm；摻量40%時(shí)泌水率與沉降距達(dá)到最低值；摻量進(jìn)一步增大，泌水率與沉降距稍有增大，泡沫穩(wěn)定性降低。這是因?yàn)锳ES 具有發(fā)泡能力，摻量逐漸增加時(shí)發(fā)泡倍率提高，摻量過(guò)高后會(huì)導(dǎo)致泡沫密度偏低，液膜變薄，泡沫穩(wěn)定性變差。因此AES 摻量以30%為宜。③隨CMC 摻量增大，泡沫1 h 泌水率與沉降距先減小然后趨于穩(wěn)定。摻量由0 增至10%時(shí)，穩(wěn)泡效果明顯，泌水率由67%降至46%，沉降距由66 mm降至43.4 mm；摻量大于10%后穩(wěn)泡效果不再明顯，摻量50%時(shí)泌水率與沉降距分別穩(wěn)定在45%、40.5 mm。因此，CMC摻量以10%為宜。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線見(jiàn)圖3?？芍孩賰煞N穩(wěn)泡劑主要影響早期強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度影響較小。②隨AES 摻量增加，泡沫輕質(zhì)土3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度均先增大后減小。3 d 齡期摻量30%時(shí)泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度最高，其值為0.83 MPa，比未摻時(shí)提高29.7%。7、28 d 齡期摻量30%時(shí)泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為1.38、1.71 MPa，比未摻時(shí)提高17.9%、16.3%。AES 摻量繼續(xù)增大，抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降，3 d 齡期摻量50%時(shí)抗壓強(qiáng)度為0.78 MPa，比未摻時(shí)僅提高22%。③泡沫輕質(zhì)土3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度均隨CMC 摻量增加而減小。摻入CMC 對(duì)泡沫穩(wěn)定性有所改善，但是泡沫輕質(zhì)土早期強(qiáng)度衰減嚴(yán)重。3 d 齡期CMC 摻量10%、50%時(shí)抗壓強(qiáng)度分別為0.248、0.240 MPa，比未摻時(shí)分別減小62.5%、69.0%。這說(shuō)明固泡與稠化過(guò)程未能充分進(jìn)行，膠凝材料的水化產(chǎn)物未能完全包裹氣泡，使泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)劣化嚴(yán)重。③28 d 齡期CMC 摻量10%、50%時(shí)抗壓強(qiáng)度分別為1.04、0.788 MPa，比未摻時(shí)分別減小29.2%、46.0%。摻量50%時(shí)不滿足JTG D30—2015 中28 d抗壓強(qiáng)度不小于1.00 MPa的要求。

2.4 掃描電子顯微鏡試驗(yàn)

摻入穩(wěn)泡劑前后冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土試件掃描圖像見(jiàn)圖4。

圖4 摻入穩(wěn)泡劑前后泡沫輕質(zhì)土試件掃描圖像

由圖4 可知：①與未摻穩(wěn)泡劑時(shí)相比，AES 摻量30%泡沫輕質(zhì)土氣泡更細(xì)密，分布更均勻，氣泡間孔洞明顯減少，氣孔壁不完整和破口現(xiàn)象明顯減少；最大孔徑由未摻時(shí)的250 ～ 300 μm 減至150 ～ 200 μm，直徑小于400 μm 的氣泡占比由67.47%增至75.16%，并且沒(méi)有直徑大于1 mm 的大氣泡。②與未摻時(shí)相比，CMC 摻量30%泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)惡化。大孔徑氣泡明顯增加，氣孔壁普遍存在破口現(xiàn)象，并且氣泡間存在孔隙和連通的孔洞。最大孔徑由未摻時(shí)的250 ～ 300 μm 增至700 ～ 750 μm，直徑小于400 μm的氣泡占比由67.47%降至35.85%；直徑大于800 μm的氣泡占比由5.14%增至9.80%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)分析了AES 與CMC 對(duì)泡沫穩(wěn)定性能的改善效果，探究了不同穩(wěn)泡劑對(duì)于冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能及孔隙結(jié)構(gòu)的影響。主要結(jié)論如下：

1）發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率隨AES 摻量增加而增大，最優(yōu)摻量為30%。CMC 對(duì)發(fā)泡倍率影響甚微，不同摻量下發(fā)泡倍率在17倍左右浮動(dòng)。

2）泡沫1 h 泌水率與沉降距隨兩種穩(wěn)泡劑摻量增加總體上先減小后小幅增大，AES 和CMC 的摻量分別以30%和10%為宜。

3）AES 和CMC 對(duì)冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土早期抗壓強(qiáng)度均有較大影響，對(duì)后期抗壓強(qiáng)度影響較小。AES摻量30%冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度比未摻時(shí)分別提高29.7%、17.9%、16.3%。3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度均隨CMC 摻量增大而減小，3 d 抗壓強(qiáng)度衰減最嚴(yán)重，摻量10%、50%時(shí)分別減小62.5%、69.0%。

4）AES 的摻入改善了冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，氣泡更加細(xì)密均勻，氣泡間孔洞減少，提高了冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土早期強(qiáng)度；摻入CMC后冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)劣化，大孔徑氣泡占比增加，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。