易傳斌 侯勇 雷楊 杜鵬 張書豪 崔圣愛

1.四川川交路橋有限責(zé)任公司， 四川 廣漢 618300； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031

隧道溶腔的填充大多采用砂和低強混凝土，但其自重大、防水性能差。因此，隧道拱頂溶腔填充材料既要滿足一定重量，也要具備一定的防水性能。憎水性泡沫混凝土是一種很好的選擇。與傳統(tǒng)混凝土填充材料相比，泡沫混凝土具有較好經(jīng)濟適用性，可有效減輕隧道拱頂承重，同時因其密度小，施工簡便，還可節(jié)約人工和時間成本。

泡沫混凝土防水性能的研究主要集中在兩個方面：泡沫混凝土配合比優(yōu)化和通過憎水劑改善材料防水性能［1］。從基體結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，主要是調(diào)整配合比，從而改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和晶膠比［2］，提高材料的防水性能。從憎水劑的作用方式出發(fā)，主要分為表面涂覆和內(nèi)摻改性。國內(nèi)外通常選擇表面涂覆，通過外覆憎水劑，使混凝土表面形成一層防水薄膜。由于泡沫混凝土表面不平整，導(dǎo)致憎水劑難以涂抹均勻，最終引起防水薄膜老化［3］。內(nèi)摻改性是將憎水劑當(dāng)作外加劑與干料攪拌均勻，形成整體性憎水的泡沫混凝土［4］。該方法目前處于起步階段。與表面涂覆相比，內(nèi)摻改性可以有效提升泡沫混凝土防水性能，但目前大多數(shù)研究僅局限于憎水劑對泡沫混凝土宏觀性能的影響，缺乏微觀和細觀層面上的研究。

本文針對隧道溶腔填充問題，模擬了施工現(xiàn)場泡沫混凝土的制備過程，選取甲基硅酸鈉、纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷和滲透結(jié)晶型活性硅五種憎水劑，分析不同憎水劑與泡沫的兼容性以及憎水劑對泡沫混凝土物理力學(xué)性能的影響，并通過CT 測試技術(shù)從細觀層面分析泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征。本研究旨在為隧道溶腔填充用泡沫混凝土的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰等級為Ⅱ級，水泥與粉煤灰的物理性能指標(biāo)分別見表1、表2；發(fā)泡劑為蛋白發(fā)泡劑，稀釋比例為1∶40；減水劑為減水率30%的聚羧酸減水劑；憎水劑為甲基硅酸鈉、纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷和滲透結(jié)晶型活性硅。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

表2 粉煤灰物理性能指標(biāo) %

1.2 配合比設(shè)計

試驗所制備的泡沫混凝土水膠比均為0.3，干密度均為500 kg/m3，礦物摻和料均為膠凝材料用量的25%。各類外加劑摻量均按膠凝材料用量的質(zhì)量比計算，其中纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷摻量均為0.5%，甲基硅酸鈉摻量為6%，滲透結(jié)晶型活性硅摻量為2%。泡沫混凝土配合比見表3。經(jīng)試拌確定減水劑摻量為0.1% ～ 0.2%。

表3 泡沫混凝土配合比 kg·m-3

1.3 試樣制備

試樣制備步驟：①先將甲基硅酸鈉制備成濃度8%的水溶液；纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣和滲透結(jié)晶型活性硅均為粉末。②將水泥、粉煤灰和憎水劑粉末（溶液）投入容積約20 L 的容器中，通過手持式電鉆攪拌至均勻。③將水緩慢加入油漆桶內(nèi)，繼續(xù)攪拌1.5 ～2.0 min，直至攪拌均勻。④通過發(fā)泡機制備1 kg的泡沫，并將泡沫與水泥凈漿攪拌2 ～ 3 min，直至料漿表面無白色斑跡浮現(xiàn)，測定泡沫混凝土的流動度。⑤將泡沫料漿澆筑到邊長100 mm 的立方體試模中，覆膜預(yù)養(yǎng)護48 h后拆模，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)覆膜養(yǎng)護至28 d，即可開始試驗。

1.4 物理力學(xué)性能測試

根據(jù)JG/ T 266—2011《泡沫混凝土》檢測泡沫混凝土的流動度、干密度、抗壓強度和吸水率。吸水率包括質(zhì)量吸水率（Wm）和體積吸水率（Wv）。計算公式分別為

式中：Ms為泡沫混凝土吸水飽和后的質(zhì)量，g；M0為泡沫混凝土烘干后的質(zhì)量，g；V0為泡沫混凝土自然狀態(tài)下的體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3。

1.5 孔結(jié)構(gòu)測試方法

孔結(jié)構(gòu)測試采用三英精密儀器公司生產(chǎn)的nanoVoxel-1000 桌面型CT 掃描儀。通過該系統(tǒng)得到不同憎水劑摻量泡沫混凝土的二維圖像。泡沫混凝土可以看成由孔隙和泡沫料漿組成的二元多孔介質(zhì)材料［5］。本文基于CT 測試結(jié)果，將所得的斷面圖以二維灰度圖的形式展現(xiàn)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 憎水劑對新拌漿體流動度和干密度的影響

不同工況泡沫混凝土的流動度和干密度對比見表4。

表4 不同工況泡沫混凝土的流動度和干密度對比

根據(jù)T/CECS 590—2019《巖溶空洞泡沫混凝土充填技術(shù)規(guī)程》，泡沫混凝土流動度在150 ～ 200 mm 才能保證施工性能良好。由表4 可知：①單摻不同憎水劑時泡沫混凝土流動性有所差異。單摻甲基硅酸鈉對流動度提升效果最明顯，與不摻時相比提升了55%，超出了泡沫混凝土正常工作范圍，說明甲基硅酸鈉與泡沫的兼容性較差。單摻其他憎水劑對于流動度影響不大，且流動度均在泡沫混凝土正常工作范圍內(nèi)，因此以下僅對單摻甲基硅酸鈉以外的四種工況進行分析。②單摻纖維素、硅氧烷、硬質(zhì)酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅時泡沫混凝土干密度均增大，與不摻時相比，泡沫混凝土干密度依次增大12.9%、11.9%、17.8%、12.7%。這是由于泡沫混凝土干密度與內(nèi)部孔隙的尺寸和數(shù)量密切相關(guān)［6］。

2.2 憎水劑對泡沫混凝土抗壓強度的影響

不同工況泡沫混凝土抗壓強度對比見表5?？芍?，與不摻時相比，單摻不同憎水劑時泡沫混凝土抗壓強度均增大。單摻滲透結(jié)晶型活性硅時泡沫混凝土7 d抗壓強度最高，與不摻時相比提高了1.12倍；單摻纖維素時泡沫混凝土28 d 抗壓強度最高，與不摻時相比提高了27.3%。這是由于滲透結(jié)晶型活性硅與泡沫料漿接觸后，能快速滲入基體孔隙，并在其內(nèi)部結(jié)晶，使得基體早期更密實；纖維素作為一種保水增稠材料，能使料漿中水分難以散失，保證了水泥后期充分水化，進一步使基體內(nèi)連通孔數(shù)量減少［7］。

表5 不同工況泡沫混凝土抗壓強度對比

2.3 憎水劑對泡沫混凝土吸水率的影響

采用質(zhì)量吸水率和體積吸水率表征防水效果。二者越低，防水效果越好。單摻不同憎水劑時泡沫混凝土吸水率對比見表6?？芍号c不摻時相比，單摻不同憎水劑時泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率和體積吸水率均減小，且質(zhì)量吸水率和體積吸水率均隨養(yǎng)護齡期增長而降低。若以28 d 的體積吸水率來衡量防水效果，四種憎水劑的防水效果由好到差依次為硅氧烷 ＞ 硬脂酸鈣 ＞ 纖維素 ＞ 滲透結(jié)晶型活性硅。硅氧烷的防水效果最好，與不摻時相比體積吸水率降低74.1%。

表6 不同工況泡沫混凝土吸水率對比

3 泡沫混凝土細觀分析

3.1 試樣斷面細觀分析

通過CT 測試獲得不同工況泡沫混凝土斷面圖，見圖1。單摻每種憎水劑得到400張斷面圖，為了更加直觀地觀察孔隙的表象，每種工況選取了3 張具有代表性的斷面圖，從左到右依次為第100、200、300 張斷面圖?？芍粨皆魉畡r每個斷面中孔隙數(shù)量較多、分布雜亂，且存在較多大孔隙。分別單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣改性后，泡沫混凝土斷面平均孔徑明顯減小，大孔數(shù)量明顯變少，這說明單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣均可改善泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)。摻入滲透結(jié)晶型活性硅對泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)影響較小。

圖1 不同工況泡沫混凝土斷面

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析

孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可用來近似模擬真實孔隙空間，并在細觀尺度上定量描述孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。基于單摻不同憎水劑泡沫混凝土的CT 三維圖像，結(jié)合分水嶺算法與圖像分析軟件Avizo，構(gòu)建不同工況孔隙網(wǎng)絡(luò)模型（圖2），對孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進行量化分析。圖2中不同顏色代表不同體積的孔隙及連接孔隙的通道（即喉道）。

圖2 不同工況孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

由圖2 可知：①不摻憎水劑時泡沫混凝土孔隙分布散亂，小孔居多，整體連通性較好，而分別單摻纖維素、硅氧烷、硬質(zhì)酸鈣后泡沫混凝土連通孔和小孔數(shù)量大幅減小，孔隙間連通性變差；②與不摻時相比，單摻滲透結(jié)晶型活性硅后泡沫混凝土連通孔的分布及數(shù)量無明顯變化，小孔占主導(dǎo)且分布散亂。這說明除滲透結(jié)晶型活性硅外，其他三種憎水劑均能改善泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，無論是孔隙數(shù)量還是孔徑均能得到一定程度優(yōu)化。

不同工況孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)見表7?？芍?，摻入憎水劑對泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)有一定程度的影響。摻入不同憎水劑后，泡沫混凝土的孔隙率、孔隙數(shù)、孔隙平均體積、喉道數(shù)均減小。其中單摻硅氧烷對于泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響最明顯，與不摻時相比，孔隙率、孔隙數(shù)、孔隙平均體積和喉道數(shù)分別降低46.0%、44.3%、48.7%、94.2%。

表7 不同工況孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

綜合試樣的斷面圖和孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析結(jié)果可知，不同憎水劑對泡沫混凝土防水性能的改善效果由好到差排序為硅氧烷 ＞ 硬脂酸鈣 ＞ 纖維素 ＞ 滲透結(jié)晶型活性硅。

3.3 孔隙連通性分析

按照連通性，將連通孔分為4 個等級：0 級連通孔指封閉且不與混凝土表面接觸的孔隙；1 級連通孔指與一個混凝土表面相連的孔隙；2 級連通孔指連通混凝土兩個相鄰表面的孔隙；3 級連通孔指連通混凝土兩個不相鄰表面的孔隙。

采用圖像分析軟件Avizo，對通過CT 測試獲得的斷面中的連通孔和孤立孔進行了識別。由于該軟件定義的連通孔類型只能為3 級連通孔，因此下文對連通孔的分析僅考慮3級。不同工況泡沫混凝土連通孔（左圖）和孤立孔（右圖）模型見圖3。其中：不同顏色代表不同孔徑的孔隙。

圖3 不同工況泡沫混凝土連通孔與孤立孔模型

由圖3 可知：①不摻憎水劑時泡沫混凝土孔隙分布規(guī)律不明顯，整體孔隙結(jié)構(gòu)比較凌亂，但是分別單摻纖維素、硬脂酸鈣、硅氧烷后泡沫混凝土連通孔分布較均勻，整體孔隙結(jié)構(gòu)比較有序，其中單摻硅氧烷泡沫混凝土孤立孔占比比單摻纖維素、硬脂酸鈣時多。②與不摻時相比，單摻滲透結(jié)晶型活性硅后泡沫混凝土連通孔變化較小，孤立孔稍增多，說明單摻滲透結(jié)晶型活性硅對孔隙結(jié)構(gòu)影響較小。

連通孔孔隙率為連通孔的體積與泡沫混凝土總孔隙體積之比，孤立孔孔隙率為孤立孔的體積與泡沫混凝土總孔隙體積之比。不同工況泡沫混凝土連通孔孔隙率與孤立孔孔隙率對比見表8?？芍?，不同工況泡沫混凝土中連通孔的孔隙率遠大于孤立孔。單摻不同憎水劑后，泡沫混凝土連通孔孔隙率均比不摻時低。單摻硅氧烷時連通孔孔隙率降幅最大，與不摻時相比降低46.3%。不同工況泡沫混凝土連通孔孔隙率由高到低排序為不摻憎水劑 ＞ 單摻滲透結(jié)晶型活性硅 ＞ 單摻纖維素 ＞ 單摻硬脂酸鈣 ＞ 單摻硅氧烷。

表8 不同工況泡沫混凝土連通孔孔隙率和孤立孔孔隙率對比 %

4 結(jié)論

1）單摻甲基硅酸鈉對隧道溶腔填充用泡沫混凝土流動度的影響最明顯，與不摻時相比增大了55%，遠超出泡沫混凝土正常工作范圍，而單摻其他四種憎水劑對流動度的影響不大。這說明只有甲基硅酸鈉與泡沫不兼容。

2）單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅均能提高泡沫混凝土的干密度與抗壓強度。其中，單摻硬脂酸鈣時泡沫混凝土干密度增幅最大，與不摻時相比增大了17.8%。單摻滲透結(jié)晶型活性硅時泡沫混凝土7 d 抗壓強度最高，單摻纖維素時28 d抗壓強度最高，與不摻時相比，兩者分別增大了1.12倍和27.3%。

3）單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅均能有效改善泡沫混凝土的防水性能。其中，單摻硅氧烷時防水效果最明顯，與不摻時相比體積吸水率降低74.1%。若以28 d 的體積吸水率來衡量防水效果，不同憎水劑防水效果由好到差排序為硅氧烷 ＞硬脂酸鈣 ＞ 纖維素 ＞ 滲透結(jié)晶型活性硅。

4）單摻纖維素、硅氧烷、硬脂酸鈣、滲透結(jié)晶型活性硅均可有效改善泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率均不同程度降低。單摻硅氧烷時泡沫混凝土防水效果最優(yōu)，與不摻時相比，孔隙率、孔隙數(shù)、喉道數(shù)與孔隙平均體積均變小，孔隙率降低46.0%，連通孔孔隙率降低46.3%。