陳海洋

(黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150027)

與普通混凝土相比,泡沫混凝土具有質(zhì)輕、隔熱、環(huán)保、成本低等優(yōu)點(diǎn),已用于橋涵臺(tái)背回填、軟土地基加固等工程。目前對(duì)于泡沫混凝土路用性能的研究,已經(jīng)取得了一定的成果。宋強(qiáng)等[1]研究揭示出,抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)是泡沫混凝土最主要的性能參數(shù),泡沫混凝土密度是影響其強(qiáng)度的主要因素。Osman Gencel等[2]通過(guò)在泡沫混凝土中添加玄武巖纖維與硅灰來(lái)提高泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)完整性,增強(qiáng)其抗凍耐久性。汪迎紅[3]發(fā)現(xiàn)與堆載預(yù)壓法相比,采用泡沫混凝土進(jìn)行路堤填筑沉降量降低近50%。吳雨明[4]研究寒冷地區(qū)低溫環(huán)境對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度影響,通過(guò)交叉對(duì)比試驗(yàn)對(duì)不同配合比的泡沫混凝土進(jìn)行25次凍融循環(huán)的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)摻加19 mm聚丙烯纖維和聚羧酸高效減水劑后,在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后,強(qiáng)度最低損失幅度為4.4%。劉軍等[5]、魏向明等[6]利用正交實(shí)驗(yàn)分析泡沫混凝土的最優(yōu)方案和顯著因素的影響關(guān)系。王蕾[7]針對(duì)凍土地區(qū)的路基填料開展凍融循環(huán)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)粉黏粒摻量高對(duì)回彈模量的影響較大,在-5 ℃～0 ℃區(qū)間范圍,土樣的回彈模量快速下降,當(dāng)粉黏粒摻量大于12%時(shí),凍融循環(huán)和含水率對(duì)回彈模量折減系數(shù)影響較大。綜上所述,盡管眾多文獻(xiàn)報(bào)道了不同配合比摻料及添加劑對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)及抗凍耐久性的影響規(guī)律,但對(duì)于東北嚴(yán)寒地區(qū)的泡沫混凝土路用性能及凍融循環(huán)條件下泡沫混凝土的強(qiáng)度特性研究依然鮮見報(bào)道。

規(guī)劃建設(shè)中的黑龍江省安達(dá)市農(nóng)村公路改造工程項(xiàng)目SGI標(biāo)段,該地區(qū)冬季嚴(yán)寒,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)氣象網(wǎng)數(shù)據(jù),近50年以來(lái),安達(dá)地區(qū)最低氣溫為-41.8 ℃,其1月、2月、12月平均氣溫為-20.9 ℃,-15.9 ℃和-17.4 ℃。當(dāng)?shù)氐穆坊灵L(zhǎng)期處于凍融循環(huán)條件下,出現(xiàn)凍脹、翻漿等路基病害,威脅道路的運(yùn)營(yíng)。因此,對(duì)該地區(qū)橋涵臺(tái)背回填、軟土地基加固工程中采用的泡沫混凝土開展凍融循環(huán)作用下的抗凍耐久性能的研究就顯得十分必要[8]。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用哈爾濱天鵝牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水泥基本物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1;選用哈爾濱市依蘭地區(qū)粉煤灰廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰,粉煤灰的化學(xué)成分見表2。泡沫選用物理發(fā)泡劑,制備泡沫應(yīng)符合泡沫的指標(biāo)參數(shù)。

表1 水泥的基本物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 粉煤灰化學(xué)成分組成

1.2 試驗(yàn)方法

按水膠比確定用水量,用注射器量取泡沫劑放入水中,高速攪拌2 min起泡,攪拌同時(shí)均勻加入膠凝材料,然后注入100 mm×100 mm×100 mm模內(nèi)成型,制作好的試件放入恒溫箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。一共制備9組,每組6個(gè),共計(jì)54個(gè)試件。

采用DP CDR-2快速凍融系統(tǒng),凍融方式為水凍-水融法,設(shè)定4 h凍融循環(huán)一次,受凍和融化溫度設(shè)置范圍取為-20 ℃～+20 ℃,控制精度±0.5 ℃,凍融循環(huán)介質(zhì)為-45 ℃防凍液。

依JG/T 266—2011泡沫混凝土,在室溫下(20 ℃±1 ℃)應(yīng)用YAW-2000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行施壓,加荷速度為0.25 MPa/s,加載數(shù)據(jù)和破壞荷載由數(shù)據(jù)記錄儀器自動(dòng)記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 有機(jī)硅烷對(duì)泡沫混凝土抗凍性影響

平均將9個(gè)配合比的試件分成兩批,第一批試件不做任何處理,第二批試件在放入快速凍融箱之前涂刷2遍有機(jī)硅烷防水涂料。采用L9(34)的正交試驗(yàn),將不同水膠比、粉煤灰摻量、硅灰摻量及礦粉摻量作為4個(gè)影響因素,并分別標(biāo)記為因素A,B,C,D,以進(jìn)行15次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度為例,得到表3和圖1結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知,通過(guò)各因素28 d抗壓強(qiáng)度的均值可以得出不管涂刷有機(jī)硅烷防水涂料與否,最優(yōu)配合比組合均為A1B3C3D1;相比未涂防水涂料的泡沫混凝土,外涂有機(jī)硅烷防水涂料的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度都有一定程度提高,4個(gè)因素抗壓強(qiáng)度均值的最大值分別提高10.4%,8.5%,20.0%,7.1%。

從圖1(a)可知,隨著水膠比的增大,未刷涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨之降低,而外涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度先減小后增大,外涂防水涂料的抗壓強(qiáng)度都大于未涂的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度;由圖1(b)可知,隨著粉煤灰摻量的增加,未涂和外涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度都先減小后增大,變化趨勢(shì)相似且都在粉煤灰摻量取25%時(shí),抗壓強(qiáng)度取得最大值;由圖1(c)可知,外涂防水涂料的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度始終大于未涂的,且抗壓強(qiáng)度都隨著硅灰摻量的增加而減小,在硅灰摻量為15%時(shí),抗壓強(qiáng)度均取得最大值;由圖1(d)可知,兩種情況下都隨著礦粉摻量的增大而減小,并且當(dāng)?shù)V粉摻量占料漿的比例為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度取得最大值。

2.2 泡沫混凝土的抗凍性研究

對(duì)外刷2遍有機(jī)硅烷的9組配合比試件進(jìn)行F200凍融循環(huán)試驗(yàn),經(jīng)凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率見表4,強(qiáng)度損失率見圖2。按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,質(zhì)量損失率不大于5%,強(qiáng)度損失率不大于20%為合格指標(biāo)[9]。

表4 凍融試驗(yàn)質(zhì)量損失率

第1組凍融循環(huán)50次時(shí)強(qiáng)度損失率為1.76%,凍融循環(huán)100次時(shí)質(zhì)量損失率已大于5%,其抗凍能力為50次。同理,第2組—第9組試件的抗凍能力分別為50次,100次,50次,150次,100次,150次,50次,200次。

上述9組試件的數(shù)據(jù)結(jié)果均符合F50及以上抗凍融評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),因此針對(duì)泡沫混凝土凍融循環(huán)50次時(shí),進(jìn)一步開展有關(guān)泡沫混凝土抗凍性的研究和討論。

由圖3(a)可以看出,泡沫混凝土的凍融質(zhì)量損失率隨水膠比的上升先減小后增大,當(dāng)水膠質(zhì)量比為0.45時(shí),泡沫混凝土的凍融質(zhì)量損失率最大,為-0.23%。凍融質(zhì)量損失率為負(fù)值說(shuō)明質(zhì)量不減反增,由于凍融水礦物質(zhì)和泡沫混凝土的溶出物反應(yīng)沉淀所致。凍融強(qiáng)度損失率隨水膠比的增大先減小后趨于平緩,當(dāng)水膠質(zhì)量比為0.50時(shí),凍融強(qiáng)度損失率最小,為2.45%。整體上較大的水膠比有利于提高泡沫混凝土的抗凍性。

由圖3(b)可以看出,泡沫混凝土的凍融質(zhì)量損失率隨粉煤灰摻量的增加而減小,當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí),泡沫混凝土的凍融質(zhì)量損失率最大,為0.84%;凍融強(qiáng)度損失率隨粉煤灰摻量的增大先增大后減小,當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí),凍融強(qiáng)度損失率最小,為1.35%。

由圖3(c)可以看出,泡沫混凝土的凍融質(zhì)量損失率隨硅灰摻量的增加而減小,當(dāng)硅灰摻量為5%時(shí),泡沫混凝土的凍融質(zhì)量損失率最大,為-0.12%;凍融強(qiáng)度損失隨硅灰摻量的增大而減小,增加硅灰的摻量,可以降低質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率。

由圖3(d)可以看出,泡沫混凝土的凍融強(qiáng)度損失率隨礦粉摻量的增大先增大后減小,當(dāng)?shù)V粉摻量為10%時(shí),凍融強(qiáng)度損失最小,為1.24%;當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時(shí),凍融強(qiáng)度損失率最大,為3.99%,較小的礦粉摻量有利于泡沫混凝土的抗凍。

3 結(jié)論

1)涂刷有機(jī)硅烷防水涂料與否,正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合均為A1B3C3D1,確定泡沫混凝土最佳配合比為水膠質(zhì)量比取0.45,粉煤灰∶硅灰∶礦粉質(zhì)量比為25∶15∶10。2)經(jīng)歷凍融循環(huán)后外涂有機(jī)硅烷防水涂料的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度均高于同配合比的未涂防水涂料的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度,平均提高10%左右,涂刷有機(jī)硅烷等防水涂料可提高其在寒區(qū)的使用性能。3)強(qiáng)度損失率并不一定與質(zhì)量損失率的變化趨勢(shì)一致,當(dāng)凍融循環(huán)產(chǎn)生了一定的質(zhì)量損失,泡沫混凝土內(nèi)部可通過(guò)特定的重組和架構(gòu)形成了新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。