高性能泡沫輕質(zhì)土配制技術(shù)研究

韋澤安

(廣西旺港高速公路有限公司，廣西 南寧 530012)

0 引言

在道路交通工程中，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[1]。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。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優(yōu)于普通回填土的優(yōu)勢[2]。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。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、孔徑分布出色的高性能泡沫輕質(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、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種多孔材料。章燦林[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)[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]在水灰比為0.66～1.06的條件下，用水泥、水和發(fā)泡劑制備泡沫輕質(zhì)土，密度為320～1 000 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]研究得出在相同養(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。

將泡沫輕質(zhì)土澆筑時(shí)，混合料憑借其很好的和易性和可泵性，能在現(xiàn)場直接澆筑成型。泡沫輕質(zhì)土作為一種非牛頓型流體，其流動性直接影響泡沫混凝土材料運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]。為了探究不同粉水比對泡沫輕質(zhì)土微觀孔結(jié)構(gòu)和抗壓強(qiáng)度的影響，本文通過研究不同粉水比對泡沫輕質(zhì)土流變參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響，為今后道路工程泡沫輕質(zhì)土治理技術(shù)應(yīng)用提供支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

(1)選用華潤水泥廠生產(chǎn)的 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥成分表(%)

(2)采用上海某外加劑公司的三萜皂苷，呈棕色粉末，其固含量約15±0.5%。

(3)采用南京某公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，性能符合《混凝土外加劑》(GB8076-2009)的規(guī)定，減水率約為20%。

(4)采用北京某土木工程技術(shù)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

根據(jù)公路路基和臺背回填結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，討論4種粉水比(P/W)2.0、1.8、1.6和1.4分別對水泥稀漿流變特性的影響，其水泥稀漿的配合比如表2所示。

表2 試驗(yàn)配合比表

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流變參數(shù)

采用靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的流變試驗(yàn)方法，探討水泥漿粉水比(P/W)與屈服應(yīng)力、動力黏度之間的影響關(guān)系，以此為后續(xù)水泥稀漿對泡沫輕質(zhì)土孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響研究提供理論依據(jù)。

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

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

1.3.2 孔徑測試

泡沫輕質(zhì)土內(nèi)氣孔尺寸分布差異較明顯，對其力學(xué)性能和耐久性影響較大。為了直接評價(jià)輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔分布情況，將泡沫輕質(zhì)土以一定比例攪拌混合均勻后，再澆筑到100mm×100mm×100mm的試模中，澆筑成型24h后，拆模養(yǎng)生7d，然后把養(yǎng)護(hù)28d的泡沫輕質(zhì)土試件取樣切片，通過顯微鏡收集特征信息，使用相關(guān)圖像處理軟件分析計(jì)算泡沫輕質(zhì)土的平均孔徑。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度

研究泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測定依據(jù)《泡沫混凝土砌塊》(JC/T1062-2007)和《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》(GB/T11969-2008)進(jìn)行。泡沫輕質(zhì)土的試件尺寸為100mm×100mm×100mm，澆筑成型24h后，拆模養(yǎng)生7d，養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20±2) ℃，RH≥95%。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉水比(P/W)對水泥稀漿流變性的影響

如圖1所示給出不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)水泥稀漿的屈服應(yīng)力值；如下頁圖2所示給出不同粉水比水泥稀漿動力黏度與時(shí)間的變化關(guān)系。

圖1 不同粉水比水泥稀漿屈服應(yīng)力曲線圖

圖2 不同粉水比水泥稀漿動力黏度與時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖

如圖1所示可知，隨著粉水比(P/W)的增加，水泥漿體稠化，初始剪切破壞的屈服應(yīng)力不斷增大，不同粉水比(1.4、1.6、1.8、2.0)對應(yīng)得到的屈服應(yīng)力值為48.0Pa、93.3Pa、162.5Pa和232.0Pa；當(dāng)P/W由1.4增加至2.0，屈服應(yīng)力值增加了4倍。如圖2所示可知，動力黏度隨剪切時(shí)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]；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。綜上可知，隨著水泥稀漿粉水比的增加，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(shí)間逐漸延長。

2.2 粉水比(P/W)對泡沫輕質(zhì)土孔結(jié)構(gòu)的影響

在粉水比(P/W=2.0)較高時(shí)，水泥稀漿屈服應(yīng)力值為232.0Pa，動力黏度為56.4Pa·s，使得泡沫與水泥稀漿混合攪拌過程因水泥漿黏度大，其發(fā)生合并、聚合、膨脹等可能性降低，大量200μm以上泡沫難以穩(wěn)定存在而破滅。

如圖3所示，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高黏度水泥稀漿所形成泡沫輕質(zhì)土的氣泡孔徑90%分布在0～150μm之間；粉水比(P/W=1.4)較小時(shí)，水泥稀漿的靜態(tài)屈服應(yīng)力值較小，約為48.0Pa，動力黏度僅為33.4Pa·s，泡沫在這樣的體系中經(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200～300μm的泡沫得以穩(wěn)定存在。因此，隨著水泥漿粉水比(P/W)降低，泡沫輕質(zhì)土孔徑分布呈增大趨勢，當(dāng)粉水比(P/W)為2.0～1.4時(shí)，其結(jié)構(gòu)50%孔徑分布則由0～150μm范圍擴(kuò)大至0～300μm。

圖3 不同粉水比泡沫輕質(zhì)土孔徑分布柱狀圖

2.3 粉水比(P/W)對泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度的影響

圖4為4種不同粉水比(2.0、1.8、1.6、1.4)泡沫輕質(zhì)土的28d抗壓強(qiáng)度。

圖4 不同粉水比試樣的抗壓強(qiáng)度曲線圖

泡沫輕質(zhì)土是靠孔壁的支撐作用產(chǎn)生強(qiáng)度的，該作用是強(qiáng)度的主要來源。泡沫輕質(zhì)土孔徑越大，孔壁越薄，則強(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[12-13]。如圖1所示，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2和圖4發(fā)現(xiàn)，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度與粉水比(P/W)有密切關(guān)系，而粉水比(P/W)大小(漿體稠度)對氣孔孔徑分布影響顯著。若孔徑在100μm范圍內(nèi)的氣孔比率越小，100～400μm范圍內(nèi)的氣孔比率越大，平均孔徑越大，則泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度越小。

2.4 工程實(shí)例

在《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030年)》“縱3”龍勝(湘桂界)至鐵山東岸高速公路并行線的S5923松旺至鐵山東岸高速公路橋頭臺背回填工程應(yīng)用中，按設(shè)計(jì)圖紙要求，設(shè)計(jì)配合比滿足：離頂面距離0～0.80m時(shí)，濕密度控制在 650≥Rfw≥600；離頂面距離>0.80m時(shí)，濕密度控制在600≥Rfw≥550?，F(xiàn)場試驗(yàn)檢驗(yàn)項(xiàng)目包括流值、濕密度、消泡率、抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，施工配合比如表3所示。

表3 施工配合比一覽表

設(shè)計(jì)濕密度分別為600kg/m3、650kg/m3，工程實(shí)測濕密度分別為591kg/m3、625kg/m3、565kg/m3、605kg/m3，符合設(shè)計(jì)要求；流值合格標(biāo)準(zhǔn)為160～200mm，實(shí)測流值分別為 173mm、179mm、170mm、185mm，符合設(shè)計(jì)要求；消泡率設(shè)計(jì)要求為<10%，實(shí)測最大消泡率分別為1.17%、1.33%，符合設(shè)計(jì)要求。

如圖5所示為試驗(yàn)段工后沉降觀測結(jié)果?？芍?，泡沫輕質(zhì)土工后沉降快速穩(wěn)定，沉降量較小，沉降基本在2個(gè)月內(nèi)完成并趨于穩(wěn)定，1年最大沉降量為20mm，可有效降低高填方橋頭臺背的沉降問題。

圖5 工后沉降觀測結(jié)果對比曲線圖

綜上分析，水泥漿粉水比(P/W)對泡沫輕質(zhì)土的濕密度、抗壓強(qiáng)度及耐久性能影響顯著，在配合比設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮粉水比(P/W)對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。根據(jù)試驗(yàn)和工程應(yīng)用實(shí)例數(shù)據(jù)，將配合比設(shè)計(jì)參數(shù)劃分為4個(gè)等級，詳細(xì)技術(shù)等級如表4所示。

表4 水泥漿粉水比(P/W)的取值參考表

3 結(jié)語

結(jié)合以上分析可以得到如下結(jié)論：

(1)通過研究不同粉水比的新拌泡沫輕質(zhì)土與流變參數(shù)屈服應(yīng)力的關(guān)系可知，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)力增大。

(2)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(shí)，泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)孔徑分布范圍明顯減小。

(3)在研究不同粉水比對孔徑分布和強(qiáng)度的影響結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，不同粉水比泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部粉體材料摻入的增加可導(dǎo)致屈服應(yīng)力和動力黏度明顯增大，使得孔徑分布范圍縮小，進(jìn)而改變泡沫混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)，一定程度上改善了泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能。工后沉降觀測表明，泡沫輕質(zhì)土工后沉降快速穩(wěn)定，沉降量較小，基本在2個(gè)月內(nèi)完成并趨于穩(wěn)定，1年最大沉降量為20mm。