煤渣基泡沫輕質土孔結構優(yōu)化與浸水耐久性研究

葉 仙 松，劉 雨，劉 耀 邦，朱 志 剛，徐 方

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040； 2.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040； 3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040； 4.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

對于一些長期處于浸水環(huán)境的水工結構物，為確保其永久穩(wěn)定性，解決抗浮、避免附加荷載偏載等問題，需對主體結構進行減載回填。其中常見的回填材料有砂石、陶粒、碎石、輕集料混凝土等，應用以上材料進行回填時常面臨成本高、回填面不整齊、積淤、抗沖刷等問題。

泡沫輕質土是一種內部含有封閉氣孔結構的輕質材料，由于其具備輕質高強且密度可根據實際需要進行調控的特點而被廣泛應用于各種減載回填工程[1-3]。泡沫輕質土作為水泥基輕質多孔材料，成本相對較低，在具有良好力學性能的同時，可以根據回填需求對自身密度調節(jié)進行配載[4-5]。當以泡沫輕質土預制塊的形式進行水下堆放回填時，其工面整齊且不污染水質，因此在水工領域的回填應用具有較高的適用性。但由于泡沫輕質土材料在國內應用年限較短，尤其缺少泡沫輕質土水下回填方面的應用案例，一些實際問題尚有待解決。如材料由于自身吸水會引起密度的變化，對泡沫輕質土的吸水規(guī)律及因此引起的附加荷載的變化情況尚不明了，從而會對水下回填效果造成明顯影響。泡沫輕質土長期處于水下環(huán)境時，在水壓及浸泡作用下自身力學性能變化情況也倍受關注，能否滿足設計使用年限的耐久性問題有待進一步研究。在泡沫輕質土吸水之后性能變化方面，相關學者通過調整配合比設計參數發(fā)現，適當增強漿體的流動性有利于氣孔的完整，可以降低吸水率、提高強度性能[6]。相同孔隙率條件下，連通孔較多時氣孔難以分散均勻，泡沫輕質土抗壓強度降低，且吸水率明顯增高[7]，當氣孔連通率相差不大時，氣孔的形狀分布同樣對吸水率有很大影響[8]。當泡沫輕質土密度等級不斷提升時，其質量吸水率會隨著孔隙率的降低而不斷降低[9]。對基體內部氣孔結構的孔徑和圓度進行優(yōu)化發(fā)現，隨著孔壁厚度與密實度的提高，泡沫輕質土力學性能也有所增強[10]。以上研究均是基于材料本身進行性能的提升，并未涉及耐久性問題。因此對泡沫輕質土孔結構進行優(yōu)化，并探究在長期浸水條件下泡沫輕質土材料物理力學性能和耐久性能，對于水工結構的減載回填具有重要指導意義與應用價值[11]。

綜上所述，本文使用電廠煤渣為集料進行泡沫輕質土預制塊的制備與研究工作。首先對泡沫輕質土孔結構進行優(yōu)化，對不同組成設計的煤渣基泡沫輕質土標準試塊分別進行120 d的標養(yǎng)和浸水，定期對其質量吸水率與抗壓強度進行測定，分析泡沫輕質土物理性能和力學性能隨浸水時間增長的變化規(guī)律，從而對其水下耐久性能進行系統(tǒng)分析。相關研究成果可為煤渣基泡沫輕質土水下應用提供重要參考。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

(1)水泥：葛洲壩宜城水泥有限公司“三峽牌”P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)煤渣：火力發(fā)電廠固體廢棄物煤渣。

(3)發(fā)泡劑：十二烷基硫酸鈉(K12)，白色粉末狀物質，分析純，純度高于99.6%。

(4)穩(wěn)泡劑：黃原膠，淡黃色顆粒狀物質，分析純，純度高于95%。

1.2 泡沫輕質土配合比

以煤渣為集料，首先控制固材中水泥占比40%、煤渣占比60%，調整泡沫摻量制備密度為800～1 400 kg/m3的泡沫輕質土；其次固定設計密度，調整水泥比例，以5%為梯度，制備水泥用量占固材25%～35%的泡沫輕質土(見表1)。

表1 煤渣基泡沫輕質土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1浸水方法

泡沫輕質土試塊標養(yǎng)至28 d后，放入水箱內浸水養(yǎng)護，保持水面浸沒試塊上表面2 cm。

1.3.2抗壓強度測試

依據JT/G 266-2011《泡沫混凝土》，每組試樣取試件3塊，加壓速度(2.0±0.5)kN/s，連續(xù)而均勻地加荷直至試件破壞，記錄破壞荷載，最后取3塊試件平均強度作為抗壓強度。

1.3.3質量吸水率測試

定期將水養(yǎng)試件從水中取出，抹凈表面水分后立即稱取每塊質量，隨后放入電熱鼓風干燥箱內，(60±5)℃下烘干至恒重并稱取每塊質量，取3塊試塊測量質量吸水率的平均值。

1.3.4軟化系數測試

分別對同周期標養(yǎng)和水養(yǎng)試塊的抗壓強度進行測試，泡沫輕質土的軟化系數按下式計算：

(1)

式中：f1為泡沫輕質土在不同天數浸水條件下吸水飽和狀態(tài)的試件抗壓強度；f0為泡沫輕質土在不同天數標準養(yǎng)護條件下干燥狀態(tài)的試件抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 氣孔結構優(yōu)化

泡沫輕質土的氣孔結構對其性能有著決定性影響，當平均孔徑及圓度逐漸增大時，泡沫輕質土滲透系數會隨之增加[12]；當內部連通孔過多時，泡沫輕質土的吸水量會明顯提高；同時泡沫輕質土抗壓強度也會受孔徑大小及分布影響[13]。為了提升泡沫輕質土耐久性，需對預制泡沫性能和孔結構進行優(yōu)化。試驗設計及結果如表2所列。隨著發(fā)泡劑用量的增加，預制泡沫的1 h沉降距和1 h泌水率不斷降低，當F4組發(fā)泡劑濃度達到8 g/L時，預制泡沫的降低逐漸趨于緩和，此時發(fā)泡劑濃度達到臨界膠束濃度[14]，影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素不再是表面張力[15]。隨后加入穩(wěn)泡劑，預制泡沫穩(wěn)定性進一步提升，預制泡沫的1 h沉降距、1 h泌水率均表現出明顯降低。同時，穩(wěn)泡劑的加入使得預制泡沫的平均Feret直徑及平均圓度也得到了優(yōu)化。

表2 預制泡沫配合比及性能參數

將新鮮預制泡沫W1和W5涂抹于10 mm×40 mm的載玻片上，然后置于偏光顯微鏡下觀察預制泡沫結構變化情況，如圖1所示。

圖1 預制泡沫微觀結構

隨著時間的遷移，相比W1組預制泡沫，1 h沉降距和1 h泌水率更低的W5組預制泡沫其液膜框架更加鮮明均勻，泡沫消融合并的現象得到了減緩，泡沫液膜在相同時間內排液更少。由此可知，隨著穩(wěn)泡劑適量的增加，穩(wěn)泡劑通過增強預制泡沫的液膜黏度進而減少了預制泡沫的透氣和降低了液膜的排液速率，延長了泡沫半衰期，使預制泡沫穩(wěn)定性得到提高。圖2為不同預制泡沫的輕質土3D形貌。

圖2 不同預制泡沫下煤渣基泡沫輕質土的3D形貌(單位：μm)

2.2 浸水耐久性能

使用W5組預制泡沫制備不同配比的煤渣基泡沫輕質土，各組泡沫輕質土的設計密度、實測表觀密度、抗壓強度及氣孔結構參數如表3和圖3所示。

表3 煤渣基泡沫輕質土氣孔結構參數和抗壓強度

圖3 實測密度對孔隙率與抗壓強度的影響

可以看出，不同配比試樣的實測密度與表觀密度相差并不明顯，差值均在3%以內；隨著實測密度的不斷增大，孔隙率逐漸增大，與此同時，抗壓強度趨于減小，其變化趨勢基本呈線性關系。

2.2.1質量吸水率

泡沫輕質土處于水環(huán)境中時，水分會在其表面吸附并擴散進入材料內部孔隙，并在孔壁上形成吸附層進而擴散深入孔隙內部，增加整體重量[16]。對煤渣基泡沫輕質土標準養(yǎng)護28 d后浸沒水中養(yǎng)護，一定周期后對質量吸水率進行檢測，以探究不同配比泡沫輕質土質量吸水率隨時間變化的規(guī)律。相同水泥摻量時密度等級為800～1 400 kg/m3及相同密度等級時水泥摻量為25%～40%的煤渣基泡沫輕質土浸水120 d的吸水情況如圖4及圖5所示，兩種組合設計均在浸水30 d時表現出趨于飽和。其中，隨著密度等級由800 kg/m3提高到1 400 kg/m3，質量吸水率相應由34.9%逐漸降低至10.4%；隨著水泥用量由25%提高到40%，質量吸水率相應由26.3%降低至20.4%。由此可知，煤渣基泡沫輕質土的質量吸水率與密度等級和水泥摻量均成反比，且相比水泥摻量，密度等級是影響質量吸水率的主要因素。

圖4 密度等級對質量吸水率的影響

圖5 水泥摻量對質量吸水率的影響

如圖6所示，以水泥用量40%時密度等級為800～1 400 kg/m3的河砂泡沫輕質土其120 d質量吸水率為飽和吸水率進行擬合分析，經非線性曲線擬合得到質量吸水率WR與密度等級ρw的關系式：

圖6 密度等級與質量吸水率擬合曲線

WR=(1.37143×0.99843ρw-0.04734)×100%，

R2=0.9945

(2)

式中：WR為泡沫輕質土的質量吸水率；ρw為泡沫輕質土的密度等級。

同理，根據相同密度等級時25%～40%水泥摻量下煤渣基泡沫輕質土的120 d質量吸水率，經線性擬合得到水泥摻量與質量吸水率之間的關系(見圖7)。根據水泥摻量對質量吸水率的影響斜率，對式(2)進行修正后得質量吸水率WR與密度等級ρw及水泥摻量Cw的關系式：

圖7 水泥摻量與質量吸水率擬合曲線

WR=(-0.80857+0.01903Cw-0.55131Cw×

0.99843ρw+23.42402×0.99843ρw)×100%

(3)

2.2.2軟化系數

泡沫輕質土內部孔隙按孔徑可分為宏觀孔、毛細孔、凝膠孔[17]。外界水分可以通過孔隙進行滲透、毛細吸附、擴散和對流等行為在泡沫輕質土內部遷移和擴散，從而對泡沫輕質土的物理性能和力學性能造成影響[18-19]。為探討長期工作于水環(huán)境中煤渣基泡沫輕質土性能的變化情況，將煤渣基泡沫輕質土標養(yǎng)28 d后，分別對試塊進行繼續(xù)標養(yǎng)和浸水養(yǎng)護，定期測量兩種養(yǎng)護條件下試塊的抗壓強度。按照公式(1)的軟化系數測試方法，對軟化系數進行計算和統(tǒng)計。隨著浸水時長的增加，煤渣基泡沫輕質土軟化系數逐漸降低，且隨著密度等級的降低，軟化系數降低越明顯。水泥摻量不變時，隨著密度由1 400 kg/m3降低至800 kg/m3，軟化系數由0.978降低至0.852；密度等級不變時，隨著水泥摻量由40%減少至25%，軟化系數由0.925降低至0.912。與質量吸水率的表現相對應的，密度等級相比水泥摻量對軟化系數同樣表現出更大的影響度。

同理，首先根據浸水120 d時長下密度等級與軟化系數的結果進行線性擬合，得到兩者之間的關系曲線(見圖8)。其次對水泥摻量與軟化系數之間的關系擬合，曲線如圖9所示。根據水泥摻量與軟化系數之間的斜率對前者進行修正，最終得到軟化系數K與密度等級ρw及水泥摻量Cw的關系式：

圖8 密度等級與軟化系數擬合曲線

圖9 水泥摻量與軟化系數擬合曲線

K=6.17067×10-4Cw+2.00959×10-4ρw+

1.87617×10-7Cwρw+0.660947

(4)

2.3 浸水劣化機理分析

水泥基材料的吸水滲透主要作用于毛細孔與連通孔，封閉良好的氣孔由于氣孔壁的存在并不會出現積液和吸水，孔隙率的增長與吸水率之間并無明顯關系[8]。結合前面試驗結果，質量吸水率和軟化系數主要受密度等級影響，而影響密度等級的內在因素主要為孔隙率。因此可以認為水環(huán)境對泡沫輕質土的劣化影響主要取決于泡沫輕質土的親水性能與孔間凝膠骨架狀態(tài)，且泡沫輕質土的親水性能變化與孔間凝膠骨架的劣化主要體現在以下幾個方面：

(1)泡沫輕質土的親水性能主要與基體內部的孔結構特征有關，泡沫輕質土的實測密度越大，其基體內部孔隙率越小，質量吸水率也出現降低的趨勢，與此同時，基體內部連通孔隙率相對較低，外界水分向內部遷移滲透的能力不斷減弱。

(2)如圖10所示，隨著水分在毛細孔和凝膠孔的滲透，氣液界面的水分子在勢能差作用下向固液界面移動，滲透水表面形成內凹狀。由于滲透水表面張力Fσ的存在，沿液面切線方向的表面張力使得滲透水受到指向球心的合力Fτ。該合力在垂直于孔隙方向的分力Ft作用于孔隙壁，使得煤渣水泥凝膠儲備強度受到消耗，從而降低了強度改變其軟化系數。當密度等級提高導致孔隙率降低時，隨著孔間凝膠厚度d及強度的增加，滲透水作用效果逐漸降低，軟化系數不斷升高。當水泥摻量增加時，孔間凝膠骨架強度得到增強，滲透水所消耗儲備強度占總強度比值也更小，軟化系數也隨之提高。

圖10 孔隙滲透水作用力示意

(3)當泡沫輕質土吸水趨于飽和后，在水頭壓和毛細管力作用下滲透趨于平衡。在滲透水作用下煤渣集料顆粒出現濕脹，在濕脹過程中煤渣顆粒與水泥凝膠之間相互作用，消耗了凝膠骨架一定量的儲備強度。此外，煤渣顆粒發(fā)生濕脹之后剛度降低，煤渣集料在凝膠之間的支撐作用被削減，導致煤渣基泡沫輕質土抗壓強度降低。

3 結 論

(1)隨著預制泡沫穩(wěn)定性能的提升，預制泡沫表現出更好的強度和韌性，泡沫液膜排氣和排液速率逐漸減緩，泡沫輕質土成型過程中氣孔的合并與破滅情況顯著減少，基體內部氣孔的獨立性和封閉性明顯提高。

(2)不同配合比的煤渣基泡沫輕質土在浸水30 d時吸水均逐漸趨于飽和。隨著密度等級和水泥摻量的提升，泡沫輕質土的質量吸水率和軟化系數會降低，且相對于水泥摻量，密度等級對質量吸水率與軟化系數的影響程度更高。

(3)泡沫輕質土在浸水過程中，水環(huán)境對泡沫輕質土的劣化影響主要取決于泡沫輕質土的親水性能與孔間凝膠骨架狀態(tài)。滲透水的表面張力在毛細孔和凝膠孔的滲透過程中會形成毛細管力，毛細管力分力及集料顆粒在滲透水作用下的軟化和濕脹，會消耗孔間骨架的儲備強度，降低軟化系數。隨著密度等級的增高、孔隙率的降低，骨架強度得到提升，滲透水的毛細管力對凝膠骨架的軟化效果會不斷降低，軟化系數得到提高。