穩(wěn)泡劑對冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土力學性能的影響

竇松濤 公彥昆 孫庚 張明 李海揚 蔣紅光

1.中建八局第二建設(shè)有限公司， 濟南 250014； 2.山東大學 齊魯交通學院， 濟南 250002

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水、集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。作為一種低密度、高強度、施工速度快的筑路新材料，泡沫輕質(zhì)土具有分散荷載、減少沉降的作用，將泡沫輕質(zhì)土用于鐵路工程中可以有效解決鐵路路基工后差異沉降、過渡段不易壓實等問題，在鐵路軟土路基、鐵路路橋過渡段、路基幫寬處理等工程中已得到較多成功應用［1］。

為了實現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物的資源化再利用，有學者將一般工業(yè)固體廢棄物作為泡沫輕質(zhì)土的添加料使用［2］。泡沫輕質(zhì)土的力學性能與內(nèi)部孔隙狀態(tài)密切相關(guān)，在強度形成過程中，混合在漿體內(nèi)的泡沫在重力作用下發(fā)生遷移、融合、排液行為，使泡沫的液膜變薄，穩(wěn)定性變差。若泡沫消解后膠凝材料水化仍不完全，則難以形成完整的泡沫輕質(zhì)土骨架，內(nèi)部出現(xiàn)大直徑孔或連通孔，會造成泡沫輕質(zhì)土的物理性能和力學性能下降。因此，對泡沫穩(wěn)定性的要求進一步提高。

現(xiàn)階段主要通過添加礦物摻和料或外加劑兩種方式改善泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高泡沫輕質(zhì)土性能。不同的外加劑對泡沫輕質(zhì)土性能的影響不同，常用的外加劑主要有早強劑、速凝劑、減水劑、穩(wěn)泡劑等。高鶴等［3］研究發(fā)現(xiàn)硬脂酸鈣可降低溶液表面張力，與陰離子表面活性劑共同作用提高泡沫的穩(wěn)定性。Zhang 等［4］研究了可可酰丙基二甲胺和十二烷基硫酸鈉的相互作用機理，認為分子間的靜電吸引力可將表面活性劑分子固定在泡沫液膜的表面，提高泡沫穩(wěn)定性。Du 等［5］使用十二醇、十二烷基磺酸鈉和聚乙烯醇制備了多層膜超穩(wěn)定泡沫，發(fā)現(xiàn)多層泡沫通常能承受較大波動，可增大氣液界面分子網(wǎng)絡(luò)的密度，降低氣體擴散速率，使泡沫體系穩(wěn)定。

鋼鐵冶煉造成巨大煙塵污染，中國的冶煉底灰年產(chǎn)量約2 000 萬噸。為此，本文以鋼鐵冶煉產(chǎn)生的底灰作為泡沫輕質(zhì)土的主要原材料，研究AES和CMC分別摻加時對于泡沫穩(wěn)定性、冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土力學性能和孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥型號為P·O 42.5，化學成分見表1。

表1 水泥化學成分

冶煉底灰來自山東一鋼廠，為褐色粉末狀顆粒，粒徑0.51 ～ 208 μm，有效粒徑3.51 μm，平均粒徑22 μm；不均勻系數(shù)8.55，曲率系數(shù)1.1，屬于級配良好材料。冶煉底灰液限22%，塑限13%，塑性指數(shù)9，屬于低液限黏土。冶煉灰底化學成分見表2。經(jīng)檢測，冶煉底灰中各項重金屬元素浸出液濃度均低于JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》中的要求。

表2 冶煉底灰化學成分

發(fā)泡劑采用山東煙臺馳龍建筑節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的動物蛋白發(fā)泡劑，主要技術(shù)指標見表3。

表3 發(fā)泡劑主要技術(shù)指標

1.2 泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計

目標濕密度為800 kg/m3，流動度為（180±20） mm，水灰比為0.42。穩(wěn)泡劑摻量分別占原狀發(fā)泡劑質(zhì)量的0、5%、10%、20%、30%、40%、50%。配合比見表4。

表4 泡沫輕質(zhì)土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 發(fā)泡倍率試驗

將配置好的發(fā)泡液倒入發(fā)泡攪拌一體機中充分發(fā)泡；將電子秤調(diào)平后，稱準備盛裝泡沫的干燥燒杯質(zhì)量，然后取泡沫樣品裝滿燒杯，稱總質(zhì)量。設(shè)置3組平行試驗組，最后利用式（1）、式（2）求出泡沫密度和發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)，分別取其算術(shù)平均值作為試驗值。

式中：ρ為泡沫密度，g/cm3；m1為干燥燒杯的質(zhì)量，g；m2為盛滿泡沫的燒杯質(zhì)量，g；V為盛裝泡沫的燒杯體積，cm3；M為發(fā)泡倍數(shù)；ρ0為泡沫劑水溶液密度，因與水密度十分接近，為簡便計算取1.0 g/cm3。

1.3.2 泡沫泌水率和沉降距試驗

將按表4配合比制備好的泡沫裝入1 L燒杯中，然后將邊長2 cm 的紙片置于容器頂并開始計時。將泌出水倒入燒杯后稱取質(zhì)量，靜置1 h 后測量泌出水的質(zhì)量與原泡沫質(zhì)量并計算泌水率。另備相同配合比的泡沫裝入1 L 容器中，靜置1 h 后測量泡沫從起始位置沉降的距離。設(shè)置3 組平行試驗，取測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗值。

1.3.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

試樣尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm。加載設(shè)備采用量程100 kN、精度0.5%的萬能試驗機。加載速率為2 mm/min，控制應變速率不變加載至試件破壞。取3 組抗壓強度測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗值。

1.3.4 掃描電子顯微鏡試驗

使用掃描電子顯微鏡觀察未摻穩(wěn)泡劑、AES 摻量30%、CMC 摻量30%三種方法制備的冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。取養(yǎng)護28 d 樣品的中心切片用于試驗，切片用無水乙醇浸泡3 d 后置于真空度0.5 MPa、溫度45 ℃的真空烘箱。切片干燥后使用電子顯微鏡掃描電子圖像，掃描電壓為3.0 kV，樣品與透鏡之間的距離為10 mm，放大倍數(shù)為20倍。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡倍率試驗

泡沫發(fā)泡倍率隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線見圖1?？芍l(fā)泡倍率隨AES 摻量增加而提高。摻量30%時，泡倍率由原狀泡沫的17.0 倍提高至26.6 倍。摻量大于30%后發(fā)泡倍率緩慢增大，摻量50%時發(fā)泡倍率穩(wěn)定在27.5倍。CMC對發(fā)泡倍率影響甚微，不同摻量下發(fā)泡倍率在17 倍左右浮動。這是因為AES 具備一定發(fā)泡能力，而CMC 不具備發(fā)泡能力，只能發(fā)揮穩(wěn)泡作用。

圖1 發(fā)泡倍率隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線

2.2 泌水率與沉降距試驗

采用泌水率與沉降距評價兩種穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡效果。泌水率與沉降距越小，穩(wěn)泡效果越好。泡沫1 h泌水率、沉降距隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線見圖2。

圖2 泡沫1 h泌水率、沉降距隨穩(wěn)泡劑摻量變化曲線

由圖2 可知：①同等摻量下CMC 穩(wěn)泡效果優(yōu)于AES。②隨AES摻量增大，泡沫1 h泌水率與沉降距均先減小然后小幅增大。摻量由0 增至20%時，穩(wěn)泡效果明顯，泌水率由67%降至52%，沉降距由66 mm 降至51 mm；摻量40%時泌水率與沉降距達到最低值；摻量進一步增大，泌水率與沉降距稍有增大，泡沫穩(wěn)定性降低。這是因為AES 具有發(fā)泡能力，摻量逐漸增加時發(fā)泡倍率提高，摻量過高后會導致泡沫密度偏低，液膜變薄，泡沫穩(wěn)定性變差。因此AES 摻量以30%為宜。③隨CMC 摻量增大，泡沫1 h 泌水率與沉降距先減小然后趨于穩(wěn)定。摻量由0 增至10%時，穩(wěn)泡效果明顯，泌水率由67%降至46%，沉降距由66 mm降至43.4 mm；摻量大于10%后穩(wěn)泡效果不再明顯，摻量50%時泌水率與沉降距分別穩(wěn)定在45%、40.5 mm。因此，CMC摻量以10%為宜。

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土抗壓強度隨齡期變化曲線見圖3?？芍孩賰煞N穩(wěn)泡劑主要影響早期強度，對后期強度影響較小。②隨AES 摻量增加，泡沫輕質(zhì)土3、7、28 d 抗壓強度均先增大后減小。3 d 齡期摻量30%時泡沫輕質(zhì)土抗壓強度最高，其值為0.83 MPa，比未摻時提高29.7%。7、28 d 齡期摻量30%時泡沫輕質(zhì)土抗壓強度分別為1.38、1.71 MPa，比未摻時提高17.9%、16.3%。AES 摻量繼續(xù)增大，抗壓強度開始下降，3 d 齡期摻量50%時抗壓強度為0.78 MPa，比未摻時僅提高22%。③泡沫輕質(zhì)土3、7、28 d 抗壓強度均隨CMC 摻量增加而減小。摻入CMC 對泡沫穩(wěn)定性有所改善，但是泡沫輕質(zhì)土早期強度衰減嚴重。3 d 齡期CMC 摻量10%、50%時抗壓強度分別為0.248、0.240 MPa，比未摻時分別減小62.5%、69.0%。這說明固泡與稠化過程未能充分進行，膠凝材料的水化產(chǎn)物未能完全包裹氣泡，使泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)劣化嚴重。③28 d 齡期CMC 摻量10%、50%時抗壓強度分別為1.04、0.788 MPa，比未摻時分別減小29.2%、46.0%。摻量50%時不滿足JTG D30—2015 中28 d抗壓強度不小于1.00 MPa的要求。

2.4 掃描電子顯微鏡試驗

摻入穩(wěn)泡劑前后冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土試件掃描圖像見圖4。

圖4 摻入穩(wěn)泡劑前后泡沫輕質(zhì)土試件掃描圖像

由圖4 可知：①與未摻穩(wěn)泡劑時相比，AES 摻量30%泡沫輕質(zhì)土氣泡更細密，分布更均勻，氣泡間孔洞明顯減少，氣孔壁不完整和破口現(xiàn)象明顯減少；最大孔徑由未摻時的250 ～ 300 μm 減至150 ～ 200 μm，直徑小于400 μm 的氣泡占比由67.47%增至75.16%，并且沒有直徑大于1 mm 的大氣泡。②與未摻時相比，CMC 摻量30%泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)惡化。大孔徑氣泡明顯增加，氣孔壁普遍存在破口現(xiàn)象，并且氣泡間存在孔隙和連通的孔洞。最大孔徑由未摻時的250 ～ 300 μm 增至700 ～ 750 μm，直徑小于400 μm的氣泡占比由67.47%降至35.85%；直徑大于800 μm的氣泡占比由5.14%增至9.80%。

3 結(jié)論

本文通過試驗分析了AES 與CMC 對泡沫穩(wěn)定性能的改善效果，探究了不同穩(wěn)泡劑對于冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土力學性能及孔隙結(jié)構(gòu)的影響。主要結(jié)論如下：

1）發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率隨AES 摻量增加而增大，最優(yōu)摻量為30%。CMC 對發(fā)泡倍率影響甚微，不同摻量下發(fā)泡倍率在17倍左右浮動。

2）泡沫1 h 泌水率與沉降距隨兩種穩(wěn)泡劑摻量增加總體上先減小后小幅增大，AES 和CMC 的摻量分別以30%和10%為宜。

3）AES 和CMC 對冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土早期抗壓強度均有較大影響，對后期抗壓強度影響較小。AES摻量30%冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土3、7、28 d 抗壓強度比未摻時分別提高29.7%、17.9%、16.3%。3、7、28 d 抗壓強度均隨CMC 摻量增大而減小，3 d 抗壓強度衰減最嚴重，摻量10%、50%時分別減小62.5%、69.0%。

4）AES 的摻入改善了冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，氣泡更加細密均勻，氣泡間孔洞減少，提高了冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土早期強度；摻入CMC后冶煉底灰泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)劣化，大孔徑氣泡占比增加，導致力學性能下降。