氣泡輕質(zhì)鹽漬土的力學(xué)性能和耐久性能分析

李哲輝，李軍偉，王佳欣

（天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）

氣泡輕質(zhì)土是一種工程填充材料，具有輕質(zhì)性、良好的工作性和高耐久性等特點(diǎn)[1-2]，廣泛應(yīng)用于工程中.氣泡輕質(zhì)土主要組分為原料土、固化劑、氣泡和外摻料等，各組分對(duì)氣泡輕質(zhì)土的性能均有較大影響，其中原料土是影響氣泡輕質(zhì)土性能的重要因素.目前，氣泡輕質(zhì)土使用普通土居多，對(duì)于鹽漬土在氣泡輕質(zhì)土中的應(yīng)用研究較少.

我國(guó)濱海地區(qū)存在大量氯鹽漬土，因其具有溶陷性、腐蝕性等缺點(diǎn)，對(duì)工程危害大[3-5]，因此在工程中的使用率很低.一般采取換填、加固或隔斷的方法處理鹽漬土，但處理的成本很高[6-7].因此，如何綜合高效利用氯鹽漬土是近年來(lái)的研究熱點(diǎn).在氯鹽漬土覆蓋區(qū)域施工，如果可以就地取材，使用氯鹽漬土作為原料土制作氣泡輕質(zhì)土，就可以省時(shí)省力、節(jié)約成本、節(jié)省土地資源.本文采用氯鹽漬土為原料土制備氣泡輕質(zhì)土，研究影響氣泡輕質(zhì)鹽漬土性能的因素，為鹽漬土在工程上的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

發(fā)泡劑：自配，主要成分為動(dòng)物蛋白、植物蛋白和十二烷基苯磺酸鈉，采用該發(fā)泡劑進(jìn)行機(jī)械攪拌制得泡沫，發(fā)泡倍數(shù)為37.5倍，半衰期為95 min；水泥為冀東P·O42.5水泥；硬脂酸鈣為工業(yè)級(jí)，福潤(rùn)達(dá)化工有限公司生產(chǎn).

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

凈漿攪拌器為NJ-160B型，京路達(dá)儀器儀表有限公司；標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱為YH-40B型，京路達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司；應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀為YYM-2型，南京土壤儀器廠有限公司；凍融循環(huán)機(jī)為TDR-2型，暢陽(yáng)建筑儀器有限公司；干濕循環(huán)機(jī)為MKS-54B型，北京中科路建儀器設(shè)備有限公司；掃描電鏡為JSM-7800F型，日本電子株式會(huì)社.

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

擬研究氣泡、水泥、鹽漬土含鹽率及硬脂酸鈣對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土性能的影響.氣泡含量采用氣泡體積占試塊體積的百分比表示；水泥含量用水泥占粉體的質(zhì)量百分比表示；鹽漬土含鹽率用氯鹽占鹽漬土的質(zhì)量百分比表示；硬脂酸鈣含量采用硬脂酸鈣占粉體的質(zhì)量百分比表示.具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)方案一覽表 %

1.4 試塊制備

精準(zhǔn)稱量鹽漬土、水泥、硬脂酸鈣和水，放入凈漿攪拌機(jī)內(nèi)攪拌均勻，制得漿體；然后將制備好的氣泡添加到漿體中，攪拌均勻，直至無(wú)浮泡為止；再澆入模具中，在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，在自然條件下分別養(yǎng)護(hù)7，14，28 d.

1.5 性能測(cè)試

采用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀測(cè)試養(yǎng)護(hù)齡期為7，14，28 d的試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試塊置于烘箱內(nèi)，于80℃下烘干24 h，稱量干質(zhì)量m1（g），再將試塊完全浸沒(méi)于水中48 h，取出后擦干表面水分，稱量濕質(zhì)量m2（g），最后計(jì)算吸水率w=（m2-m1）/m1×100%；將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試塊放入凍融循環(huán)機(jī)中進(jìn)行凍融循環(huán)，計(jì)算15次凍融循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率、吸水率增加率和質(zhì)量損失率；將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試塊放入干濕循環(huán)機(jī)中進(jìn)行干濕循環(huán)，計(jì)算15次干濕循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率、吸水率增加率和質(zhì)量損失率；采用掃描電鏡觀察試塊的斷面結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與討論

2.1 氣泡含量對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土試塊性能的影響

（1）對(duì)力學(xué)性能的影響.不同氣泡含量試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率如圖1所示.

圖1 氣泡含量對(duì)試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

由圖1可知：隨著氣泡含量增加，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅下降，而吸水率呈線性增大；當(dāng)氣泡含量由40%升到65%時(shí)，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減少了450%，吸水率增加了73%，可見(jiàn)氣泡含量對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土的性能有明顯影響.不同氣泡含量試塊的SEM圖如圖2所示，氣泡含量少時(shí)（見(jiàn)圖2a），試塊孔洞的尺寸小、孔壁厚、孔洞之間的連通程度低，試塊結(jié)構(gòu)的密實(shí)性高，所以試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高，吸水率低；而隨氣泡含量的增加（見(jiàn)圖2b），試塊的孔洞尺寸變大，孔洞間的破壞和連通程度增加，試塊的密實(shí)性低，從而導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，吸水率增大.

圖2 不同氣泡含量試塊的SEM圖

（2）對(duì)耐久性能的影響.氣泡輕質(zhì)鹽漬土的耐久性通過(guò)抗凍融、抗干濕性能表征.經(jīng)歷15次凍融或干濕循環(huán)后，不同氣泡含量試塊各性能的變化見(jiàn)表2.

表2 氣泡含量對(duì)試塊抗凍融和抗干濕性能的影響 %

分析表2可知，隨氣泡含量增加，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率、吸水率增加率及質(zhì)量損失率均逐漸增大，試塊的抗凍融和抗干濕性能逐漸下降；當(dāng)氣泡含量達(dá)到60%時(shí)，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率已經(jīng)大于25%，且吸水率的增加率和質(zhì)量損失率都明顯增大，已不能滿足工程要求.

2.2 水泥含量對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土試塊性能的影響

（1）對(duì)力學(xué)性能的影響.不同水泥含量試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率如圖3所示.

由圖3可得：隨著水泥含量的增加，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增大，吸水率逐漸減??；當(dāng)水泥含量由50.0%增加到100.0%時(shí)，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了444%，吸水率減少了91%，說(shuō)明水泥含量對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土的性能有明顯影響.分析可知，水泥是氣泡輕質(zhì)鹽漬土的固化劑，起到了黏結(jié)土粒、提供強(qiáng)度、構(gòu)成骨架的作用，且水泥可以保證內(nèi)部孔洞的完整性.不同水泥含量試塊的SEM圖如圖4所示.結(jié)合圖4可知，當(dāng)水泥含量低時(shí)（見(jiàn)圖4a），土顆粒松散，孔壁強(qiáng)度低，孔洞之間的連通程度高，故導(dǎo)致試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度低，吸水率高；隨著水泥含量的增加（見(jiàn)圖4b），試塊結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和穩(wěn)固性提高，內(nèi)部孔洞完整，不易被破壞，從而促使試塊的強(qiáng)度增加、吸水率減小.

（2）對(duì)耐久性能的影響.經(jīng)歷15次凍融或干濕循環(huán)后，不同水泥含量試塊各性能的變化見(jiàn)表3.

圖4 不同水泥含量試塊的SEM圖

表3 水泥含量對(duì)試塊抗凍融和抗干濕性能的影響 %

由表3可知，隨水泥含量減少，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率、吸水率增加率及質(zhì)量損失率都逐漸增大，試塊的抗凍融和抗干濕性能逐漸降低.這是因?yàn)樗嗪吭降?，水泥?duì)土體的膠結(jié)作用越弱，試塊的強(qiáng)度越低，結(jié)構(gòu)越脆弱，所以試塊被凍融或干濕循環(huán)破壞的效果越明顯.經(jīng)實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)水泥含量下降到50.0%左右時(shí)，試塊力學(xué)性能和耐久性能急劇下降，已無(wú)實(shí)用價(jià)值.

2.3 鹽漬土含鹽率對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土試塊性能的影響

（1）對(duì)力學(xué)性能的影響.不同鹽漬土含鹽率7，14，28 d齡期試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率見(jiàn)圖5-6，不同鹽漬土含鹽率試塊的SEM圖見(jiàn)圖7.

由圖5知，隨鹽漬土含鹽率的增加，試塊的各齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都逐漸增大.原因當(dāng)含鹽率為0時(shí)，7 d齡期試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為28 d的75%；當(dāng)含鹽率上升到9.0%時(shí)，7 d齡期試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度升高到28 d的88%，試塊早期強(qiáng)度的形成速度明顯加快.這是因?yàn)槁塞}起到了早強(qiáng)劑的作用，加速了水泥水化反應(yīng)的速度.由圖7可見(jiàn)，試塊早期強(qiáng)度的快速形成有利于內(nèi)部孔洞保持完整.當(dāng)鹽漬土含鹽率為0.5%時(shí)（見(jiàn)圖7a），試塊的孔壁破損程度較大；而當(dāng)鹽漬土含鹽率為9.0%時(shí)（見(jiàn)圖7b），試塊的孔洞完整，孔壁破壞少，從而使試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大.

由圖6可見(jiàn)，在同一齡期條件下，試塊的吸水率隨著鹽漬土含鹽率的增加而逐漸降低，這跟上述試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化原因一致；同時(shí)觀察可發(fā)現(xiàn)，在相同鹽漬土含鹽率條件下，各齡期試塊的吸水率并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，這是因?yàn)樵噳K的孔洞結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度形成初期就已固形，不會(huì)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而明顯改變，所以吸水率并沒(méi)有隨齡期的增長(zhǎng)而發(fā)生變化.

圖5 鹽漬土含鹽率對(duì)試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 鹽漬土含鹽率對(duì)試塊吸水率的影響

圖7 不同鹽漬土含鹽率試塊的SEM圖

（2）對(duì)耐久性能的影響.經(jīng)歷15次凍融或干濕循環(huán)后，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的不同鹽漬土含鹽率試塊各性能的變化如表4所示.

表4 含鹽率對(duì)試塊抗凍融和抗干濕性能的影響 %

由表4可知，隨鹽漬土含鹽率升高，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率、吸水率增加率及質(zhì)量損失率逐漸降低，抗凍融和抗干濕性能提高，這是因?yàn)辂}漬土的含鹽率越高，試塊的力學(xué)性能越高，所以被凍融循環(huán)破壞的效果越弱.由此可得鹽漬土中的氯鹽可以提高氣泡輕質(zhì)鹽漬土的耐久性能.

2.4 硬脂酸鈣對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土試塊力學(xué)性能的影響

不同硬脂酸鈣試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率見(jiàn)圖8.

圖8 硬脂酸鈣對(duì)試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

由圖8可知，隨硬脂酸鈣含量增加，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后降低；在硬脂酸鈣含量為1.0%左右時(shí)達(dá)到最大值（2.5 MPa）；吸水率先減小后增大，在硬脂酸鈣含量為1.0%左右時(shí)達(dá)到最小值（15.7%）.這是因?yàn)橛仓徕}是防水劑，在水泥內(nèi)部形成連續(xù)的憎水膜，并可填充水泥內(nèi)部縫隙，使氣泡減小，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而促使試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高，吸水率降低[8].不同硬脂酸鈣含量試塊的SEM圖如圖9所示.由圖9可見(jiàn)，當(dāng)硬脂酸鈣含量為0.5%時(shí)（見(jiàn)圖9a），試塊內(nèi)部的孔洞較大，連通較多；而當(dāng)硬脂酸鈣含量為1.0%時(shí)（見(jiàn)圖9b），孔洞較小，完整性好，連通少，所以使試塊強(qiáng)度得到提高，吸水率得以降低.

圖9 不同硬脂酸鈣含量試塊的SEM圖

3 結(jié)論

（1）氣泡和水泥含量對(duì)氣泡輕質(zhì)鹽漬土性能的影響明顯，力學(xué)性能和耐久性能均隨氣泡含量的增加或水泥含量的減少而降低.

（2）隨鹽漬土含鹽率的增大，氣泡輕質(zhì)鹽漬土的力學(xué)性能和耐久性能均逐漸提高.

（3）加入適量硬脂酸鈣有助于提高氣泡輕質(zhì)鹽漬土的力學(xué)性能，最佳摻量為1.0%.