兩種泡沫輕質土的性能試驗對比研究

劉 寶 鑄

(中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟南 250399)

1 概述

泡沫輕質土作為一種新興的工程材料，目前廣泛應用于工程建設領域。其采用空氣壓縮機產生壓縮氣體通過發泡劑水溶液生成泡沫，與水泥、外加劑、原料土等混合均勻，經過自然養護后形成的一種輕質工程材料[1]。其優勢在于施工時間短、施工高效高、施工作業面小等[2]，對于解決橋頭跳車、降低軟土地基回填土重量、公路擴建方面有著顯著的優勢及經濟效益[3]。

自20世紀80年代后期日本等國研發泡沫輕質土以來，國內外學者對其均已取得顯著成果。陳忠平等[4]通過大量實驗證實了泡沫輕質土的優勢和工程應用特點，并闡述了在實際工程建設中泡沫輕質土具有十分顯著的效果。章燦林等[5]通過調整原料土摻入量，研究泡沫輕質土的基本性能，并對耐久性進行了研究。梁朋濤等[6]通過不同類型的氣泡，原料土不同摻入比來研究泡沫輕質土的吸水性和抗干濕循環能力。裘友強等[7]發現摻入一定比例的粉煤灰能提高泡沫輕質土的性能。并且采用粉煤灰替代部分水泥有利于成本的控制、保護環境，而且能降低泡沫輕質土的流動性和增大其無側限抗壓強度。然而，在實際工程應用中，可以混合粉煤灰和減水劑等來制備泡沫輕質土，在滿足工程上對輕質土性能要求下，降低造價。

2 試驗過程

2.1 試驗材料及設備

原料土：黏土質砂、淡化海砂，如表1所示。

水泥：P.O42.5，政和華廈水泥有限責任公司。

發泡劑：復合型水泥發泡劑，廈門金質建材有限公司。

減水劑：聚羧酸型減水劑粉末。

粉煤灰：F類粉煤灰。

試驗設備：KL-20T微機控制電子萬能試驗機；水泥砂漿攪拌機；全自動蒸汽發生器；100 mm×100 mm×100 mm三聯試模。

表1 原料土性能

2.2 配合比設計

原料土為淡化海砂試驗設計中，每組均摻入適量減水劑，并調整水固比以使輕質土濕重度和流動度滿足《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》[8]的要求，在此基礎上再摻入一定比例粉煤灰，然后進行性能測定，確定最佳配合比，并具有一定經濟效益。

原料土淡化海砂的摻入比例占水泥與淡化海砂質量的0%,25%,33%,40%,50%，減水劑占水泥質量的0.05%，水固比分別為0.40,0.32,0.30,0.28,0.23，如表2所示。

原料土為黏土質砂摻入比為20%，23%，粉煤灰等質量摻入比例為15%，20%，25%。黏土制砂摻入比例為40%，減水劑占水泥質量的0.05%，水固比0.25，如表3所示。

試樣制作過程按照現有規程進行，將原料土、減水劑粉末、粉煤灰、水、水泥攪拌均勻，加入氣泡拌和至重度穩定后，將混合物倒入100 mm×100 mm×100 mm的三聯試模具中24 h后脫模，密封后放入標準養護室養護至性能試驗要求日期。

表2 淡化海砂配合比

表3 黏土質砂配合比

2.3 實驗步驟

制備泡沫輕質土試驗流程圖如圖1所示，實驗室內制備泡沫輕質土，采用空氣壓縮機制取泡沫，使用水泥砂漿攪拌機拌和。首先稱取設計比例的原料土、水泥和減水劑粉末倒入攪拌機內，攪拌1 min～2 min使其混合均勻，再注入水攪拌不少于3 min，用空氣壓縮機將空氣注入稀釋后的發泡劑形成氣泡群，攪拌至穩定輕質混合物，攪拌過程如圖2所示。在制備過程中應取樣稱取容重，取樣時暫停攪拌機，且應盡量取攪拌機中央的拌和物，以防泡沫輕質土未攪拌均勻，不具有代表性，而影響輕質土的性能。

實驗室內制備泡沫輕質土過程中，需將模具涂上凡士林以便脫模，再將已混合完全的泡沫輕質土小心注入試模中并整平表面，用保鮮膜覆蓋表面24 h以上后脫模，挑選無明顯缺角的試塊用塑料袋密封后，放入標準養護室養護至性能試驗要求日期。

2.4 實驗內容

2.4.1流動度試驗

流動度試驗依照現有規程進行，流動度結果應滿足規程中要求，即180 mm±20 mm。流動度太大可能會在制備過程中出現離析現象，若流動度太小會導致試樣在養護過程中出現大孔，影響后續實驗內容。

2.4.2無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度測試應依照現有規程進行，加載速度為2 kN/s，直到試樣破壞，記錄峰值。

3 實驗結果分析

選用的試驗原材料為淡化海砂和黏土質砂，根據設計的試驗的配合比來檢測泡沫輕質土的流值、濕重度、無側限抗壓強度指標，試驗結果如表4所示。

表4 實驗結果

從表4可以看出，原料土為淡化海砂的流動度數值結果均落在180 mm±20 mm，本次試驗有水固比和原料土摻量兩個變量，兩個變量均能影響流動度大小，故流動度結果與原料土摻量不能滿足一定線性關系。

3.1 流動度結果分析

原料土為黏土質砂的流動度試驗結果如圖3所示。由圖3可以看出：在黏土質砂摻入量確定下，泡沫輕質土的流動度隨粉煤灰摻入比例的增大而增大。粉煤灰比例增大，即水泥的摻入比例對應減少，故在拌制泡沫輕質土過程中，粉煤灰的吸水能力大于水泥。水含量越小，粘滯性越強，故流動度值越小。當粉煤灰摻入量不變時，20%黏土質砂拌制的輕質土流動度基本大于23%摻入量下的輕質土的流動度，表明黏土質砂的吸水性能小于膠凝材料。

3.2 無側限抗壓強度

將7 d和28 d養護的兩種泡沫輕質土進行無側限抗壓試驗，強度結果如圖4，圖5所示。

由圖4可得，泡沫輕質土抗壓強度受到淡化海砂摻入比例和水固比的影響?？箟簭姸却笾码S著淡化海砂摻入比例增大而減小，原因在于本次試驗為滿足流動度達到規定值，在改變海砂摻入比例的同時也調整水固比。當淡化砂摻入比例為33%時，7 d和28 d強度均出現拐點，28 d強度為1.59 MPa，繼續增大摻入比例，強度迅速下降，當摻入比例為50%時，其28 d強度僅為0.74 MPa<0.8 MPa。故最佳原料土摻入可以選擇在33%，既滿足強度和流動度要求，又具有經濟性。28 d強度和7 d強化度的比值ηA=1.32～1.64，平均值為1.47，也與陳忠平等[9]通過大量實驗數據確定泡沫輕質土的28 d強度和7 d強化度比值基本吻合。

由圖5可得，粉煤灰摻入比例增加，泡沫輕質土的7 d和28 d無側限抗壓強度均逐漸降低，且28 d降低速率更快。如當粉煤灰摻入比例為0%時，泡沫輕質土的強度最高，黏土質砂摻入量20%時，28 d泡沫輕質土抗壓強度達到1.85 MPa。摻入粉煤灰后，水固比減小，但由于粉煤灰的水硬性遠小于水泥，對輕質土整體的膠結能力更弱，故強度減小。且23%黏土質砂摻入比例下的輕質土整體強度均小于20%摻入下的輕質土，原料土比例增加引起膠凝材料的降低，導致無側限抗壓強度減小。在滿足工程建設對強度和流動度要求下，原料土為黏土質砂的摻入比例為23%，水固比0.5，粉煤灰摻入比例25%為最佳配合比。

4 結語

1)兩種泡沫輕質土的最佳配比分別為：原料土為淡化海砂的摻入比例為33%，水固比0.3，減水劑0.05%；原料土為黏土質砂的摻入比例為23%，水固比0.5，粉煤灰摻入比例為25%。

2)由于粉煤灰的吸水能力大于水泥，導致泡沫輕質土的流動度隨著粉煤灰摻入比例的增大而增大，且黏土質砂的吸水性能小于膠凝材料。

3)隨著粉煤灰摻入比例增加，泡沫輕質土無側限抗壓強度均逐漸降低，且28 d強度降低速率大于7 d強度降低速率。