泡沫輕質(zhì)土配方設計及性能分析

楊 寶 胡學文 李新宇 馬 浩 肖楠軒

（1.中交路橋建設有限公司，北京 100000；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

0 引言

泡沫輕質(zhì)土強度比土路基要高，重量很輕，濕密度在400～1500kN/m3之間，其濕密度是其他常規(guī)填料的1/5~3/5[1]。而且，泡沫輕質(zhì)土不需要壓實，沉降量比較小，在處治橋頭跳車，邊坡?lián)屝薹矫婢哂刑貏e的優(yōu)勢。本文通過室內(nèi)試驗，研究了泡沫輕質(zhì)土的物理性能與力學性能，擬從原材料及配方設計、性能分析等幾方面對泡沫輕質(zhì)土進行研究，以期得到工作性與經(jīng)濟性都較好的泡沫輕質(zhì)土配方。

1 原材料分析

泡沫輕質(zhì)土的本質(zhì)與其他水泥類材料類似，但又不盡相同，是由水泥、土、水以及泡沫組成的多孔材料。

1.1 水泥

根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJT 177-2012），泡沫輕質(zhì)土所用水泥宜采用42.5 級及以上的通用硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥，該試驗選用重慶小南海水泥廠P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥。

1.2 原料土

泡沫輕質(zhì)土的各項性能受原料土的影響較大，該試驗用土為浙江寧波某工程現(xiàn)場土樣。按規(guī)范要求，集料最大粒徑不宜超過5mm，試驗用5mm 篩網(wǎng)對土進行篩分，采用粒徑不大于5mm的土，實測土樣的天然含水率為4.7%。對土進行顆粒分析試驗與界限含水率試驗，為泡沫輕質(zhì)土的制備提供依據(jù)。

1.2.1 原料土顆粒分析

依《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007），用水洗篩分法進行顆粒分析，各粒徑土樣質(zhì)量與占比如表1所示。

表1 各粒徑土含量

1.2.2 原料土液塑限的測定

該試驗采用液塑限聯(lián)合測定法。將試驗所得數(shù)據(jù)繪制于雙對數(shù)坐標中，對試驗數(shù)據(jù)進行處理得到以下結(jié)果，結(jié)合塑性圖可知該土樣為低液限黏土，如表2所示。

表2 原料土液塑限測定結(jié)果

1.3 發(fā)泡劑分析

泡沫的生產(chǎn)主要有兩種方法，一是化學發(fā)泡，即利用如引氣劑、起泡劑等材料水化反應生產(chǎn)泡沫[2]。二是物理發(fā)泡，發(fā)泡原理是將發(fā)泡劑稀釋，將稀釋后的發(fā)泡劑通過空氣壓縮機進行發(fā)泡，從而產(chǎn)生均勻、連續(xù)、綿密的泡沫。該試驗采用物理發(fā)泡的方式生產(chǎn)泡沫，試驗共選取來源不同的三種發(fā)泡劑比對，發(fā)泡劑1沿用課題組以前所用發(fā)泡劑，發(fā)泡劑2為河南業(yè)豐化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)，發(fā)泡劑3為鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產(chǎn)。發(fā)泡劑稀釋比例如表3所示。

表3 發(fā)泡劑稀釋比例

2 泡沫輕質(zhì)土配比設計

由于摻入的泡沫質(zhì)量很輕，主要起填充體積、減輕容重的作用。采用設計干密度為600kg/m3為基準進行配合比設計，通過選取市面上不同廠商的發(fā)泡劑，改變膠凝材料水泥與土的摻量，調(diào)節(jié)水料比進行配合比設計。取來源不同的3種發(fā)泡劑，水料比分別為：β＝0.45，0.50，0.55，土（/土＋水泥）分別為：α＝0，10%，20%，30%，40%，試驗配合比如表4所示。

3 泡沫輕質(zhì)土的性能試驗

通過α和β兩個參數(shù)的變化，研究泡沫輕質(zhì)土流動度及無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律。

3.1 流動度

流動度是用于評價新拌泡沫輕質(zhì)土流動性的指標，泡沫輕質(zhì)土具有良好的流動性，現(xiàn)場澆筑后，強度未完全形成前，都具有較高的流動性。不同于其他材料，泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后不需要采用機械碾壓與搗實的方式使其更加密實均勻而實現(xiàn)自密實。為滿足施工要求，需控制流動度在（18±2）cm。

3.2 無側(cè)限抗壓強度

泡沫輕質(zhì)土需要具有良好的強度，無側(cè)限抗壓強度是其最基本的強度指標。泡沫輕質(zhì)土的強度取決于多項參數(shù)，如水泥用量、水料比、濕密度、發(fā)泡劑類型等因素，該試驗研究了3 種不同發(fā)泡劑，3 種不同水料比（0.55、0.50、0.45）與5種土摻量（0、10%、20%、30%、40%）下泡沫輕質(zhì)土28d抗壓強度變化規(guī)律。該試驗采用微機控制油電混合伺服壓力試驗機，試件的抗壓強度按式（1）計算。

式中：qu——抗壓強度，MPa，精確至0.01MPa；

P——試件的破壞荷載，N；

A——試件的承壓面積，mm2。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 流動度

泡沫輕質(zhì)土的流動度受發(fā)泡劑、土摻量、濕密度、水料比等因素共同影響。發(fā)泡劑土摻量與流動度關(guān)系如圖1～圖3所示。由圖1～圖3可知，不同的發(fā)泡劑對流動度的影響程度不同，研究同一發(fā)泡劑下不同土摻量與水膠比對泡沫輕質(zhì)土流動度的影響。泡沫輕質(zhì)土的流動度隨土摻量的增加逐漸增大，土摻量越大，即摻入的水泥比例越低，水泥在泡沫輕質(zhì)土中起膠凝作用，水泥比例降低使流動度降低增大。其次，泡沫輕質(zhì)土流動度隨水料比的降低而減小?！稓馀莼旌陷p質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJT 177-2012）要求，為滿足施工要求，泡沫輕質(zhì)土的流動度為（18±2）cm。

圖1 1號發(fā)泡劑的土摻量與流動度

圖2 2號發(fā)泡劑的土摻量與流動度

圖3 3號發(fā)泡劑的土摻量與流動度

4.2 無側(cè)限抗壓強度

發(fā)泡劑的土摻量與抗壓強度的關(guān)系如圖4~圖6 所示。

圖4 1號發(fā)泡劑的土摻量與抗壓強度

圖5 2號發(fā)泡劑的土摻量與抗壓強度

圖6 3號發(fā)泡劑的土摻量與抗壓強度

由圖可知，1 號發(fā)泡劑，土摻量每增加10%，28d 無側(cè)限抗壓強度降低8%至22.1%不等；2號發(fā)泡劑，土摻量每增加10%，28d 無側(cè)限抗壓強度降低10.7%至38.7%不等；3 號發(fā)泡劑，土摻量每增加10%，28d 無側(cè)限抗壓強度降低9%至38.8%不等。摻加1號發(fā)泡劑的泡沫輕質(zhì)土其28d 無側(cè)限抗壓強度隨土摻量的增加衰減率較低，土摻量從0 增至40% 其強度損失率在39.8%~46.2%（1.97~2.12MPa），遠低于其他2 種發(fā)泡劑的55.4%~70.5%（3.04~4.14MPa）與52.6%~60.5%（2.52~4.12MPa），由此可證明1 號發(fā)泡劑較其他兩種發(fā)泡劑穩(wěn)定，土摻量對其強度影響較低，適用于高土摻量的泡沫輕質(zhì)土。如今市場發(fā)泡劑有松香型發(fā)泡劑、表面活性劑類發(fā)泡劑、蛋白類發(fā)泡劑和復合發(fā)泡劑等[3]，各種發(fā)泡劑優(yōu)勢與劣勢不同，因此對泡沫輕質(zhì)土的性能影響不同。泡沫輕質(zhì)土28d 無側(cè)限抗壓強度隨水料比的降低而增大。泡沫輕質(zhì)土中均勻分布著大量氣泡，隨著水料比的減小，泡沫輕質(zhì)土氣孔的數(shù)量會顯著減少，降低硬化后泡沫輕質(zhì)土的孔隙率，且氣孔的貫通程度會變淺，逐漸形成較密實和較完整的內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)。當水料比較小時，泡沫輕質(zhì)土會形成堅實、密實和較完整的氣孔－孔壁結(jié)構(gòu)，使泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度提高[4]。

5 結(jié)束語

泡沫輕質(zhì)土的性能與土、水泥、發(fā)泡劑等原材料的性能相關(guān)，本文從原材料出發(fā)總結(jié)了泡沫輕質(zhì)土的配方設計，并進行性能分析，得出如下結(jié)論：

（1）不同的發(fā)泡劑對流動度的影響程度不同。泡沫輕質(zhì)土的流動度隨土摻量的增加逐漸增大，土摻量越大，即摻入的水泥比例越低，水泥在泡沫輕質(zhì)土中起膠凝作用，水泥比例降低便使流動度增大。

（2）泡沫輕質(zhì)土流動度隨水料比的降低而減小。

（3）泡沫輕質(zhì)土28d無側(cè)限抗壓強度隨水料比的降低而增大。泡沫輕質(zhì)土中均勻分布著大量氣泡，隨著水料比的減小，泡沫輕質(zhì)土氣孔的數(shù)量會顯著減少，降低硬化后泡沫輕質(zhì)土的孔隙率，且氣孔的貫通程度會變淺，逐漸形成較密實和較完整的內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)。