油氣管道泡沫輕質(zhì)混凝土回填材料性能參數(shù)研究

李良均， 吳利斌， 王武斌

(1.四川省科宏石油天然氣工程有限公司，四川成都610051；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；3.陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

1 概述

隨著西部開(kāi)發(fā)以及“一帶一路”的開(kāi)展，西部油氣管網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)入了大的發(fā)展時(shí)期。在油氣輸送管道的施工中，因?yàn)橛蜌夤艿澜Y(jié)構(gòu)的特殊性和重要性，對(duì)填料的要求很高，而填料的缺乏也間接的影響了工期和成本。泡沫輕質(zhì)混凝土是一種輕質(zhì)填筑材料，由水泥漿與一定比例的足夠細(xì)小的穩(wěn)定氣泡群，經(jīng)充分混合攬拌形成流體，并最終凝固成型，具有自重輕、強(qiáng)度高且可調(diào)、施工便利、導(dǎo)熱性低、抗震性能好、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。因此，該種材料已在國(guó)外的建筑、交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。在國(guó)內(nèi)，該種材料用于建筑保溫、基坑及管線回填、公路與鐵路路基、市政等領(lǐng)域，并取得了良好的工程效果［5-10］。為了研究泡沫輕質(zhì)混凝土作為油氣管道的回填材料的可行性，本文對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土展開(kāi)了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，以獲取其材料性能參數(shù)。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：選用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，由四川拉法基集團(tuán)生產(chǎn)，該水泥具有凝結(jié)硬化速度快、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

發(fā)泡劑：自主研發(fā)的復(fù)合型發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)為1∶60。

2.2 試樣的制備

以濕密度作為控制指標(biāo)進(jìn)行輕質(zhì)混凝土配合比設(shè)計(jì)，根據(jù)料漿的和易性以及規(guī)范要求確定水灰比。工程應(yīng)用中，泡沫輕質(zhì)混凝土的密度一般控制在300～1 200 kg/m3之間，因此在本試驗(yàn)中，分別制備了濕密度為400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，研究不同密度條件下泡沫輕質(zhì)混凝土的相關(guān)性能，配合比如表1所示。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 壓縮性試驗(yàn)

使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究分析泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系及其影響因素。試驗(yàn)參照GB/T 11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試樣齡期均為28 d。

表1 泡沫輕質(zhì)混凝土基準(zhǔn)配合比

2.3.2 抗沖擊破壞試驗(yàn)

參照規(guī)范JB/T 9389-2008《非金屬材料落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)》進(jìn)行試驗(yàn)。同一配合比的試樣一次澆筑成型，不同配合比的試樣采用相同的養(yǎng)護(hù)條件，以此削弱外部環(huán)境差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。本次試驗(yàn)所用試樣齡期均為28 d，環(huán)境溫度25℃。

2.3.3 耐酸堿腐蝕性試驗(yàn)

實(shí)際工程中泡沫輕質(zhì)混凝土需直接澆筑在油氣管道外壁，與管道的防腐層直接接觸，因此，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)，考慮實(shí)際工況，將不同密度的泡沫輕質(zhì)混凝土直接噴涂在PE防腐層外表面。試樣分別保養(yǎng)1 d、3 d、7 d、14 d，然后觀察PE防腐層表面的變化并檢驗(yàn)其力學(xué)性能的變化，以此推測(cè)材料對(duì)PE防腐層的影響趨勢(shì)。試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)了4種：無(wú)水工況、有水工況、弱酸工況和弱堿工況。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 原材料

泡沫輕質(zhì)混凝土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 泡沫輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可知，不同濕密度泡沫輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本一致，即可分為三個(gè)階段：開(kāi)始階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增長(zhǎng)，在本階段，兩者近似于線性關(guān)系；然后進(jìn)入應(yīng)力隨著應(yīng)變線性增長(zhǎng)的彈性階段，達(dá)到應(yīng)力峰值前，出現(xiàn)一段切線斜率減小的曲線，此時(shí)的應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣徛龃?；達(dá)到峰值后，強(qiáng)度開(kāi)始衰減。在開(kāi)始階段，與濕密度為600 kg/m3及800 kg/m3的輕質(zhì)混凝土相比，濕密度為600 kg/m3的輕質(zhì)混凝土的該段曲線較短。在彈性增長(zhǎng)階段，三種濕密度的輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變近似于線性增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)的速率不同，濕密度為400 kg/m3的輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈波浪狀緩慢增長(zhǎng)；與其它兩種濕密度的輕質(zhì)混凝土相比，濕密度為600 kg/m3的輕質(zhì)混凝土的增長(zhǎng)速率較快。在濕密度為400 kg/m3、濕密度為800 kg/m3的輕質(zhì)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力發(fā)生突降，最后出現(xiàn)一段隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)應(yīng)力緩慢減小的曲線。

由表2可知，與濕密度為400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土相比，濕密度為600 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了2.3倍。濕密度為800 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了7.07倍。綜合安全使用及節(jié)約造價(jià)考量，濕密度為600 kg/m3的輕質(zhì)混凝土在通常施工情況即可滿足要求。

表2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 25℃

3.2 泡沫輕質(zhì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度

由圖2可知，隨著濕密度的增加，泡沫輕質(zhì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度也逐漸增加。與濕密度為400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土相比，濕密度為600 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度增加了66.95%；與濕密度為600 kg/m3泡沫輕質(zhì)混凝土相比，濕密度為800 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度增加了51.83%。可見(jiàn)隨著濕密度的增長(zhǎng)，泡沫輕質(zhì)混凝土的抗沖擊性能也隨之增長(zhǎng)?？箾_擊強(qiáng)度反映材料抵抗裂紋擴(kuò)展和抗脆斷的能力，泡沫輕質(zhì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度主要是由固體含量，即水泥膠凝材料決定的。隨著濕密度的增加，水泥含量增加、泡沫摻量減小，因此其抗裂縫擴(kuò)展能力與抗脆斷能力增強(qiáng)，即泡沫輕質(zhì)混凝土的抗沖擊強(qiáng)度隨著濕密度的增加而增大。

圖2 濕密度對(duì)抗沖擊強(qiáng)度性能的影響

3.3 輕質(zhì)混凝土層與PE防腐層的相互作用

通過(guò)對(duì)PE防腐層表面的觀察，發(fā)現(xiàn)4種工況下，泡沫輕質(zhì)混凝土材料均不會(huì)導(dǎo)致PE防腐層表面出現(xiàn)褶皺、起泡、腐蝕等現(xiàn)象，泡沫混凝土材料與PE防腐層之間未有脫落現(xiàn)象，這說(shuō)明材料與PE防腐層之間有較好的粘結(jié)力。如圖3～圖6所示，4種工況下，泡沫輕質(zhì)混凝土材料與PE防腐層之間相互作用14 d后，PE防腐層的拉伸強(qiáng)度的性能保持率均可達(dá)99.22%以上。PE防腐層性能保持率曲線基本趨近水平，由此可推知泡沫輕質(zhì)混凝土材料與PE防腐層材料之間沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)多的化學(xué)反應(yīng)，泡沫輕質(zhì)混凝土材料不影響PE防腐層的力學(xué)性能。

圖3 無(wú)水工況PE防腐層性能保持曲線

圖4 有水工況PE防腐層性能保持曲線

圖5 弱酸工況PE防腐性能保持曲線

圖6 弱堿工況下PE防腐層性能保持曲線

4 結(jié)論

開(kāi)展了針對(duì)不同濕密度的泡沫輕質(zhì)混凝土的材料性能試驗(yàn)以及泡沫輕質(zhì)混凝土與PE防腐層接觸面影響試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

(1)當(dāng)泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度從400 kg/m3到600 kg/m3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了2.3倍；從600 kg/m3到800 kg/m3時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了3.49倍。同時(shí)得出了400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3三種密度泡沫輕質(zhì)混凝土壓縮特性發(fā)展規(guī)律。

(2)隨著濕密度的增加，泡沫輕質(zhì)混凝土中固相的占比增大，其抗沖擊強(qiáng)度也隨之逐步增大。濕密度為600 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土相對(duì)于濕密度為400 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土，抗沖擊強(qiáng)度增加了66.95%；濕密度為800 kg/m3的泡沫輕質(zhì)混凝土相對(duì)于濕密度為600 kg/m3泡沫輕質(zhì)混凝土，抗沖擊強(qiáng)度增加了51.83%。

(3)不同工況下，泡沫輕質(zhì)混凝土與PE防腐層之間相互作用之后，PE防腐層的性能保持率均可達(dá)99.22%以上，即泡沫輕質(zhì)混凝土材料對(duì)PE防腐層的力學(xué)性能沒(méi)有影響。

綜上所述，泡沫輕質(zhì)混凝土材料作為油氣管道的回填材料，物理力學(xué)性能均滿足要求。試驗(yàn)中的結(jié)果可為類(lèi)似工程提供借鑒。