粉水比對泡沫輕質(zhì)土流變性能的影響

王子豪，李立輝, ，田 波

(1. 重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2．交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特殊路基工程中路基回填不當(dāng)誘發(fā)的不均勻沉降現(xiàn)象已十分普遍，且高填方路段、軟弱地基段的路基回填要求更高。常規(guī)換填土施工方法使得路基承受的附加應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻沉降顯著增加，為了減小路基的壓力，泡沫輕質(zhì)土由于可以避免路基承受過大的壓力，且具有輕質(zhì)性、高整體性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在對道路工程中特殊路基的處理上具有其優(yōu)于普通回填土的優(yōu)勢[1]。泡沫輕質(zhì)土在近幾年研究和推廣較多，圍繞路基回填的使用功能要求和對道路沉降的防治要求，國內(nèi)已開展了大量的研究[2]。但是，泡沫輕質(zhì)土材料仍然存在制備強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、孔徑難以調(diào)節(jié)以及無統(tǒng)一工程要求等問題。因此，發(fā)展具備強(qiáng)度可控、出色的孔徑分布的高性能泡沫輕質(zhì)土材料和制定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)顯得尤為重要。

泡沫輕質(zhì)土是富含氣孔的混凝土綠色環(huán)保建筑材料，其內(nèi)部泡沫混凝土通常是用機(jī)械方法將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到含硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑等組成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種多孔材料。章燦林等[3]研究得出原料土的加入對泡沫輕質(zhì)土的流動性和抗壓強(qiáng)度有明顯負(fù)面影響。裘友強(qiáng)等[4]分析總結(jié)，粉煤灰摻量30%、水固比1∶1.8 的配合比能以較低的材料成本達(dá)到配合比設(shè)計(jì)要求。Hoff[5]將水灰比控制在0.66～1.06，用水泥、水和發(fā)泡劑制備泡沫輕質(zhì)土，密度為100～320 kg/m3。結(jié)果顯示，孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系。李博[6]提出，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大先提高后降低。粉水比是描述泡沫輕質(zhì)土中膠凝材料孔隙含量變化非常簡單實(shí)用的指標(biāo)。因此，通過研究粉水比對微觀孔結(jié)構(gòu)和吸水耐久性的影響可以探究粉水含量和孔徑分布對泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度的影響，這有助于對泡沫輕質(zhì)土耐久性能的影響研究。

1 試 驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

(1)選用琉璃河水泥廠生產(chǎn)的 P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)分析如表 1。

表1 水泥成分表 %

(2)采用上海阿拉丁外加劑公司三萜皂苷，呈棕色粉末，其含固量約15.0%±0.5%。

(3)采用南京蘇博特公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，性能符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)的規(guī)定，減水率約20.0%。

(4)采用北京滬錦科技有限公司生產(chǎn)的植物蛋白陰離子發(fā)泡劑KP-9型。

1.2 試驗(yàn)配合比

討論4種粉水比(P/W)分別為2.0、1.8、1.6和1.4對水泥稀漿流變特性的影響研究，其水泥稀漿的配合比見表2所示。

表2 試驗(yàn)配合比

為進(jìn)一步分析不同粉水比對泡沫輕質(zhì)土孔結(jié)構(gòu)及吸水耐久性的影響，試驗(yàn)選用在表2所示的水泥稀漿配合比中，添加泡沫體積摻量為65%。針對每個粉水比試驗(yàn)組，成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試塊40組。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流變參數(shù)

試驗(yàn)采用Brookfield公司生產(chǎn)的同軸圓筒式的流變儀，其型號為RST-SST。

(1)屈服應(yīng)力測試：試驗(yàn)采用控制應(yīng)力模式，討論不同粉水比(P/W)的水泥稀漿，采取應(yīng)力加載速率分別為4.2 Pa/s、12.6 Pa/s、14.3 Pa/s、26.9 Pa/s、29.4 Pa/s及33.6 Pa/s，試驗(yàn)時間控制為 120 s。

(2) 動力黏度測試：試驗(yàn)時采用控制剪切速率的形式，以恒定不變的剪切速率20 s-1持續(xù)剪切水泥稀漿 120 s。

1.3.2 孔徑測試

泡沫輕質(zhì)土以表2配合比攪拌混合均勻后，再澆筑到100 mm×100 mm×100 mm的試模中，澆筑成型24 h后拆模，養(yǎng)生7 d，然后把養(yǎng)護(hù)28 d的泡沫輕質(zhì)土試件取樣切片，通過顯微鏡收集特征信息分析統(tǒng)計(jì)泡沫輕質(zhì)土的平均孔徑。

1.3.3 吸水耐久性

吸水率和軟化系數(shù)測試方法，參照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 12—2019)；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，參照《泡沫混凝土砌塊》(JC/T 1062—2007)和《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》(GB/T 11969—2008)。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉水比對水泥稀漿流變性的影響

圖1給出不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)水泥稀漿的屈服應(yīng)力值，圖2給出不同粉水比水泥稀漿動力黏度與時間(前80 s)的變化關(guān)系。

泡沫輕質(zhì)土材料作為一種非牛頓體，其在現(xiàn)場應(yīng)用中依靠外力和自重的作用發(fā)生流動和變形，而研究輕質(zhì)土的流變性能對于材料的配比顯得尤為重要。表征流變特征的兩個重要參數(shù)包含屈服應(yīng)力和動力黏度[7-8]。屈服應(yīng)力是水泥稀漿發(fā)生明顯變形的應(yīng)力界限，漿體外力小于屈服應(yīng)力時水泥稀漿的狀態(tài)，稱為靜態(tài)流變階段[9]。

由圖1可知，不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)水泥稀漿的屈服應(yīng)力分別為48.0 Pa、93.3 Pa、162.5 Pa和232.0 Pa。由此可見，隨著粉水比的增加，水泥稀漿體系開始稠化，初始剪切破壞的屈服應(yīng)力不斷增大，其中粉水比由1.4增加至2.0時，屈服應(yīng)力值增大了3.8倍，這是由于隨著粉料比例增加，水泥稀漿稠化，屈服應(yīng)力增大，由此可通過粉水比調(diào)控泡沫輕質(zhì)土的流變參數(shù)、流動性和泵送壓力。

圖1 不同粉水比水泥稀漿屈服應(yīng)力

黏度是指混合料漿體之間因傳遞剪切應(yīng)力發(fā)生相對運(yùn)動而產(chǎn)生的摩擦阻力，漿體間相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦阻力越大，相應(yīng)的黏度也就越大。當(dāng)外力大于屈服應(yīng)力時，水泥稀漿結(jié)構(gòu)遭到破壞而產(chǎn)生較大的形變，將該階段的流變特性稱為動態(tài)流變性[9]。動力黏度存在于水泥稀漿運(yùn)動的各個階段，而通常更值得關(guān)注的是水泥稀漿開始隨著外力做徑向運(yùn)動的動力黏度，此時動力黏度是阻礙水泥稀漿流動變形的主要因素。

由圖2可知，動力黏度隨剪切時間的增加均出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，減小幅度逐漸趨于平緩，即均出現(xiàn)“剪切變稀”的現(xiàn)象[10]。粉水比(P/W=2.0)較高時，動力黏度為56.4 Pa·s；粉水比(P/W=1.4)較小時，水泥稀漿的動力黏度僅為33.4 Pa·s。隨著粉水比的增加，初始動力黏度值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。筆者認(rèn)為在初始剪切應(yīng)力作用時，水泥稀漿顆粒與顆粒之間的接觸面積較大，抵抗剪切變形而產(chǎn)生的摩擦阻力較大，同時粉體顆粒增加產(chǎn)生的初始動力黏度增大，水的加入使得水泥顆粒之間形成水膜，減小了水泥稀漿顆粒之間的接觸面積，因此產(chǎn)生的摩擦阻力作用也相應(yīng)降低，導(dǎo)致初始動力黏度較低。

圖2 動力黏度與時間的曲線

綜上可知，隨著水泥稀漿粉水比增加，屈服應(yīng)力值呈增大趨勢，動力黏度也呈現(xiàn)增大的趨勢，剪切稀化時間逐漸延長。

2.2 粉水比對泡沫輕質(zhì)土孔結(jié)構(gòu)的影響

按照表2制備不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)的泡沫輕質(zhì)土，圖3為不同粉水比下泡沫輕質(zhì)土的孔徑分布。

從圖3可見，不同粉水比條件下泡沫輕質(zhì)土孔徑分布的變化差異顯著。隨著水泥稀漿粉水比降低，泡沫輕質(zhì)土孔徑分布呈增大趨勢，粉水比由2.0降至1.4時，其結(jié)構(gòu)50.0%孔徑分布則由0～150 μm 范圍擴(kuò)大至0～300 μm。

圖3 不同粉水比泡沫輕質(zhì)土孔徑分布

由圖3可知高黏度水泥稀漿所形成泡沫輕質(zhì)土的孔徑分布，比較圖1和圖2，當(dāng)粉水比(P/W=1.4)較小時，水泥稀漿的靜態(tài)屈服應(yīng)力值較小，約為48.0 Pa，動力黏度僅為33.4 Pa·s，泡沫在此種體系中經(jīng)過攪拌混合，部分泡沫發(fā)生合并、聚合與膨脹，而大量尺寸為200～300 μm泡沫得以穩(wěn)定存在。

2.3 粉水比對泡沫輕質(zhì)土吸水耐久性的影響

體積摻量為65.0%，不同粉水比條件下的泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)，如表3和圖4。

表3 不同粉水比28 d試樣的抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量吸水率

圖4 泡沫輕質(zhì)土粉水比變化對軟化系數(shù)的影響

泡沫輕質(zhì)土是靠孔壁的支撐作用產(chǎn)生強(qiáng)度的，是強(qiáng)度的主要來源。有研究表明，泡沫輕質(zhì)土孔徑越大，孔壁越薄，泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度越小，即泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度隨其孔徑增大呈減小趨勢[11-12]。由表3可知，同齡期泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度隨著粉水比(P/W)的減小而減小。這與普通混凝土水灰比與強(qiáng)度關(guān)系規(guī)律一致，水灰比越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越小。

對比圖3和表3可知，若孔徑100～400 μm范圍內(nèi)的氣孔數(shù)量越多，則泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度越??；當(dāng)2.0粉水比摻量時，材料的質(zhì)量吸水率最低為20.1%。由圖4可以看出，隨著水泥摻量的增加，當(dāng)粉水比為1.4、1.6、1.8時，軟化系數(shù)為0.53、0.62、0.83，而高粉水比2.0的泡沫輕質(zhì)土的軟化系數(shù)為0.89。對比泡沫輕質(zhì)土不同粉水比的孔徑分布和軟化系數(shù)測試結(jié)果，說明泡沫輕質(zhì)土氣孔特征和吸水耐久性能有密切關(guān)系，隨著粉水比的增加，泡沫輕質(zhì)土的孔徑分布范圍逐漸縮小且趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而泡沫輕質(zhì)土軟化系數(shù)逐漸增大。

綜上分析，水泥稀漿粉水比對泡沫輕質(zhì)土的孔徑分布、力學(xué)強(qiáng)度及吸水耐久性影響顯著，在配合比設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮粉水比對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。為此，課題組在編制江西省地方標(biāo)準(zhǔn)《橋涵臺背回填泡沫輕質(zhì)土施工技術(shù)規(guī)程》(DB36/T 1134—2019)中，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將配合比設(shè)計(jì)參數(shù)劃分為4個等級，詳細(xì)技術(shù)等級見表4。

表4 水泥稀漿粉水比(P/W)的取值參考

3 結(jié) 論

(1)隨著泡沫輕質(zhì)土中粉體材料占比的增加，漿體產(chǎn)生及保持流動所需的能量更大，其稀漿內(nèi)部的屈服應(yīng)力和動力黏度均增大。

(2)四種粉水比的泡沫輕質(zhì)土，粉水比大的泡沫輕質(zhì)土平均孔徑減小，粉水比從1.4增加到2.0時，泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)孔徑分布范圍明顯減小，且形成大量穩(wěn)定氣泡。吸水耐久性試驗(yàn)中，高粉水比泡沫輕質(zhì)土具有較好的耐水性能。

(3)此研究中充分考慮粉水比對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，依據(jù)泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度明確量化了配合比設(shè)計(jì)參數(shù)且劃分為四個等級，提升泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)質(zhì)量。