乳膠粉改性泡沫輕質(zhì)土的性能研究

韓雙宇

（沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

目前，無論是在研究還是應(yīng)用層面，我國對(duì)于泡沫輕質(zhì)土的發(fā)展尚處于初期階段，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展主要著重于對(duì)其應(yīng)用材料的相關(guān)性能以及工藝加工方面。陳忠平在研究過程中，將自己在日本學(xué)習(xí)的關(guān)于泡沫輕質(zhì)土技術(shù)內(nèi)容引入到國內(nèi)的相關(guān)研究中，在研究過程中同樣介紹了該種材料在使用過程中的物理力學(xué)性能特點(diǎn)。張小平在研究過程中，采用三軸壓縮試驗(yàn)的方式，重點(diǎn)分析了泡沫輕質(zhì)土的特點(diǎn)并針對(duì)強(qiáng)度方面的特性做了進(jìn)一步的闡述。喬歡歡等研究人員在相關(guān)研究中闡述了硅粉對(duì)不同密度等級(jí)的泡沫輕質(zhì)土性能的影響。朱紅英在研究過程中應(yīng)用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式，針對(duì)泡沫輕質(zhì)土中關(guān)于配合的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，并在特性方面得出了一系列的結(jié)果。單本星對(duì)不同密度泡沫輕質(zhì)土的抗凍性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]提到：作者通過進(jìn)行兩個(gè)不同的試驗(yàn)，分別是干濕循環(huán)試驗(yàn)以及凍融試驗(yàn)，對(duì)其相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了研究，包括水穩(wěn)定性以及抗凍性。文獻(xiàn)[14]提到：作者進(jìn)行了動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，分別在多個(gè)層面的密度條件下，計(jì)算出輕質(zhì)土所對(duì)應(yīng)的潮濕參數(shù)，同時(shí)設(shè)置多個(gè)循環(huán)載指標(biāo)，研究對(duì)應(yīng)的動(dòng)力參數(shù)。文獻(xiàn)[15]指出，通過正交試驗(yàn)，針對(duì)泡沫輕質(zhì)土的干縮特性、干濕循環(huán)特性以及抗凍性能等方面進(jìn)行微觀研究。

但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于泡沫輕質(zhì)土具有多種不同的特性，例如其材料具有多孔的特征，并且其柔韌性、抗沖擊能力以及強(qiáng)度參數(shù)比較差，并且在研究過程中也會(huì)受到一些外界因素的影響，特別是干濕循環(huán)的作用材料的力學(xué)性能等方面也會(huì)受到影響。本試驗(yàn)針對(duì)泡沫輕質(zhì)土材料存在的問題進(jìn)行改性研究，通過添加乳膠粉進(jìn)行改性試驗(yàn)，研究泡沫輕質(zhì)土力學(xué)和變形性能的變化規(guī)律，為該材料的理論發(fā)展和應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)采用的膨脹珍珠巖取自遼寧昱霖保溫材料有限公司，乳膠粉為山西三維集團(tuán)生產(chǎn)，水泥原料采用A公司生產(chǎn)的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用遼寧山水工源水泥有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，發(fā)泡劑采用北京亞設(shè)建材科技有限公司生產(chǎn)的YS-水泥發(fā)泡劑，本試驗(yàn)采用羥丙基甲基纖維素醚 HPMC作為穩(wěn)泡劑的材料之一，其具有良好的材料性能，并且采用了聚羧酸型高效減水劑。

1.2 方案設(shè)計(jì)

在本研究中，實(shí)驗(yàn)過程要配比5次實(shí)驗(yàn)，采用正交實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行研究，首先按照最佳配合比進(jìn)行配比，研究過程中采取控制變量的方式進(jìn)行研究，研究的實(shí)驗(yàn)過程要在其他的條件不變的情況下進(jìn)行，要求乳膠粉含量以及相關(guān)配比情況，其中要求膠凝材料含量要在0%、2.5%、5.0%、7.5%、10%，表示為B1、B2、B3、B4、B5.沖擊試驗(yàn)中，進(jìn)行試驗(yàn)的過程期間，需要嚴(yán)格把關(guān)泡沫輕質(zhì)土的密度參數(shù)，防止其產(chǎn)生誤差，通過對(duì)乳膠粉摻量的配比進(jìn)行轉(zhuǎn)變，并且對(duì)泡沫摻量的配比數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，其中乳膠粉含量占膠凝材料含量的配比情況如下0%、2.5%、5.0%、7.5%、10%，泡沫含量占膠凝材料含量的 0.25%、0.28%、0.30%、0.33%、0.35%，表示為 C1、C2、C3、 C4、C5，針對(duì)不同配比情況進(jìn)行合理實(shí)驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)過程

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的試驗(yàn)方法，本文抗壓試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)所用試件為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，自然干燥收縮試驗(yàn)所用試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的立方體試件，試件根據(jù)配合比澆筑成型48 h后拆模，在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)所需的齡期。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

隨著乳膠粉摻量的提升，泡沫輕質(zhì)土的有兩個(gè)參數(shù)會(huì)相接近，分別是抗壓能力參數(shù)以及抗壓強(qiáng)度參數(shù)，若乳膠粉摻量為10%，抗壓強(qiáng)度在一定程度上提高了160%。由于泡沫輕質(zhì)土?xí)幸欢ǖ哪z凝作用，其在一定程度上提升乳膠粉的介入數(shù)量，進(jìn)而改變骨料以及水泥兩者之間的結(jié)力參數(shù)，一定程度上提升輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于輕質(zhì)土密度參數(shù)相同的研究中，其需要對(duì)改性后的內(nèi)容進(jìn)行分析。可以確定出的結(jié)果表明泡沫輕質(zhì)土通過本次實(shí)驗(yàn)可以確定泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度也會(huì)逐漸增加，增長(zhǎng)的相對(duì)比較快?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論，乳膠粉可以有效改變泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度，有一定的提高作用。當(dāng)增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間，整體的抗壓強(qiáng)度也會(huì)逐漸上升。改性前后泡沫輕質(zhì)土密度和抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)可以按照一次多項(xiàng)式代替，擬合公式為：

在實(shí)驗(yàn)過程中，可以從不同摻量來確定乳膠粉泡沫輕質(zhì)土試件的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲呈現(xiàn)出四個(gè)階段的變化情況：密實(shí)階段的變化、彈性階段變化情況、彈塑性階段和破壞階段的變化情況。

關(guān)于各階段變化曲線情況，密實(shí)階段應(yīng)力曲線發(fā)生變化，呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。主體材料主要是依靠胞壁的彎曲程度不變化的；曲線近似直線為應(yīng)力應(yīng)變的線性關(guān)系。當(dāng)試件內(nèi)部產(chǎn)生裂隙變化的情況，要求卸載后可以進(jìn)一步恢復(fù)彈性變形。出現(xiàn)彈塑性階段應(yīng)力峰值，隨著載荷增加試件中的胞壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力大于胞壁的斷裂強(qiáng)，此時(shí)材料會(huì)存在塑性破壞，其具有瞬間性的特點(diǎn)，此時(shí)會(huì)伴隨著微裂紋的出現(xiàn)，若其出現(xiàn)不斷延申的狀況，則進(jìn)入破壞階段，同時(shí)隨著宏裂紋以及微裂紋的擴(kuò)散作用，其會(huì)出現(xiàn)局部破壞，進(jìn)而導(dǎo)致局部材料的穩(wěn)定性減弱，一定程度上降低材料的承載能力。

在實(shí)驗(yàn)中用普通混凝土材料與泡沫輕質(zhì)土材料進(jìn)行對(duì)比，可以了解到抗壓強(qiáng)度后會(huì)馬上產(chǎn)生破壞，但是也會(huì)有一定的承載能力，對(duì)某些試件進(jìn)行研究后，可以發(fā)現(xiàn)試件的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生變化表明泡沫輕質(zhì)土材料的載荷情況出現(xiàn)明顯的變化，設(shè)備的韌性也有一定的延展性特征。

2.2 自然干燥收縮

測(cè)量試驗(yàn)中涉及的 7d、14d、21d、28d、56d中產(chǎn)生的變形讀數(shù) Lt的相關(guān)要求，相關(guān)計(jì)算公式為：

式中：εat代表的是 t 天中砂漿試件的自然收縮數(shù)值；L0為也行收縮讀數(shù)。Lt為第t天的關(guān)于試件的讀數(shù)；L為試塊的長(zhǎng)度相關(guān)數(shù)值偉160 mm；Ld 為收縮長(zhǎng)度之和。

對(duì)試樣的干縮分析主要涉及3個(gè)階段。初期：相關(guān)數(shù)值偉0 d~7 d，通過研究發(fā)現(xiàn)氣泡漿體凝結(jié)后出現(xiàn)硬化的現(xiàn)象，會(huì)形成大量的微觀毛細(xì)孔，水容易產(chǎn)生的潤(rùn)濕水泥基材料也會(huì)發(fā)生變化，引起氣泡孔的水分飽和，蒸發(fā)難度增加，毛細(xì)孔蒸發(fā)出現(xiàn)失水越難的現(xiàn)象，導(dǎo)致干縮實(shí)驗(yàn)比較緩慢。中期：干縮中期維持在7 d~28 d，出現(xiàn)氣泡孔先蒸發(fā)失水的現(xiàn)象，氣泡孔尺寸大增加，沒有產(chǎn)生毛細(xì)孔效應(yīng)，失水難以產(chǎn)生收縮，毛細(xì)孔失水引起凹液面出現(xiàn)曲率變大的情況，試樣容易產(chǎn)生收縮，干縮的收縮值增加。干縮變形屬于作用機(jī)理特性，乳膠粉溶于水產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生乳膠膜且其中含有水分。在本次實(shí)驗(yàn)中，乳膠粉摻量也按照一定的比例增加，最終形成的乳膠膜也比較完整，水分子在其中阻礙會(huì)增加，會(huì)對(duì)硬化泡沫輕質(zhì)土產(chǎn)生影響，當(dāng)出現(xiàn)水分較多的時(shí)候，干燥過程中乳膠膜中所失去的水分也增多，而硬化泡沫輕質(zhì)土中的水分減少。

2.3 干濕循環(huán)

試驗(yàn)參照GB/T 11975-1997《加氣混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)方法》，研究泡沫輕質(zhì)土經(jīng)受3次、6次、9次和12次循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度的變化。

干濕循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)無側(cè)限的整體強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)不加入乳膠粉后，整體的強(qiáng)度缺失最快，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到12次時(shí)，材料的損壞程度會(huì)達(dá)到25.3%，同時(shí)其試件參數(shù)也會(huì)具有一定程度的改變；若乳膠粉摻量改變了2.5%，此時(shí)通過循環(huán)12次，其損壞程度會(huì)變?yōu)?5.5%，因此，試件的完整性良好；當(dāng)摻量為 10%的時(shí)候，干濕循環(huán)強(qiáng)度損失率有所降低，可以達(dá)到6.14%，同樣試件沒有被破壞，可以說明乳膠粉摻量逐漸增加的情況，可以確定偉強(qiáng)度損失率也會(huì)逐漸減少。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整后，可以將R2調(diào)整為0.97，說回歸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度可以達(dá)到96.9%，整體的線性回歸方程也會(huì)出現(xiàn)擬合度逐漸增加的趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)量的數(shù)值為0.73。

試件抗壓強(qiáng)度隨乳膠粉摻量、干濕循環(huán)次數(shù)曲面如圖1所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨乳膠粉摻量和干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲面

3 結(jié)論

文章對(duì)改性前后泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、自然干燥收縮和干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后的相關(guān)性能特點(diǎn)，主要結(jié)論如下：

（1）實(shí)驗(yàn)后樣本的干密度與抗壓強(qiáng)度存在線性關(guān)系特點(diǎn)，出現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度的冪函數(shù)出現(xiàn)遞減的現(xiàn)象，其會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力參數(shù)發(fā)生一定程度的改變，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在壓縮并且載荷的狀態(tài)下，泡沫輕質(zhì)土?xí)霈F(xiàn)兩種特性，分別是延性以及韌性。

（2）結(jié)合干縮實(shí)驗(yàn)，失水率摻和量的增加，會(huì)導(dǎo)致干縮逐漸增加，前期干縮數(shù)值增加，到收縮后期干縮數(shù)值在逐漸降低，與無乳膠粉的泡沫輕質(zhì)土相比，其抗壓強(qiáng)度隨乳膠粉摻量的增大，損失率不斷減少.改性前的泡沫輕質(zhì)土第9次干濕循環(huán)后試件已破壞，當(dāng)乳膠粉摻量為10%時(shí)，第12次干濕循環(huán)后試件未破壞.乳膠粉改性后的泡沫輕質(zhì)土泡沫輕質(zhì)土具有良好的水穩(wěn)定性。