外摻料對氣泡混合輕質土性能影響研究

胡丕海 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

氣泡混合輕質土是按照一定的比例將氣泡、水泥、水及可選添加材料經充分混合攪拌凝固后所形成的微孔類輕型填筑材料。它具有許多優良特性，密度為200kg/m～1500kg/m，比普通混凝土和黏土磚低得多，也低于一般輕骨料混凝土。大量封閉微小氣孔在其內部均勻分布，大大降低了其導熱性能，保溫隔熱性能較好。通常密度為200kg/m～800kg/m的氣泡混合輕質土，導熱系數在0.05W/m·K～0.3W/m·K之間，相當于普通混凝土（1.5W/m·K）的1/30～1/5，黏土磚（0.81W/m·K）的 1/16～1/3。另外，多孔的結構使得氣泡混合輕質土質量輕、彈性模量低，抗震吸能。

目前，氣泡混合輕質土因其技術特點，市場應用越來越廣泛，施工方量越來越多。在如此大體積施工情況下，為節約水泥、減少耗能，充分利用工業廢渣，就地取用原狀土，降低成本，綠色環保，分析研究了氣泡混合輕質土抗壓強度受各種不同外摻料的影響。

2 試驗

2.1 原材料

水泥：浙江某公司生產的P.O425R早強型普通硅酸鹽水泥；

發泡劑：浙江某公司生產的GSF40B復合型發泡劑；

粉煤灰：浙江某電廠出廠的二級粉煤灰；

礦渣：浙江某公司出廠的比表面積為406m/kg的S95級粒化高爐礦渣；

細砂：浙江某地產的河沙，最大粒徑2.2mm，其篩分結果如表1。

砂的篩分結果 表1

礦粉：又為碳酸鈣粉，粒徑為200目，浙江某礦廠生產；

尾礦砂：浙江某鐵礦廠出廠廢棄產物，顆粒粒徑均在125目左右；

原狀粘土：浙江某高速開挖的原狀土，經篩分，直徑為0.6mm以內。

2.2 試驗方法

為了了解各外摻料對氣泡混合輕質土性能的影響，擬定一個純水泥的基準配合比，如表2所示，各摻合料試驗在基準配合比基礎上替代水泥試驗。

基準配合比 表2

試件制備：按要求將發泡劑稀釋，利用發泡設備制取泡沫備用；將摻合料、水泥、水攪拌成水泥漿體，再與制取好的泡沫攪拌均勻，測試濕密度后注入100×100×100mm的試模中成型，拆模后置入封閉的塑料袋內室溫養護至齡期28天測試強度。

3 試驗結果分析

3.1 粉煤灰對氣泡混合輕質土強度的影響

試驗了不同的粉煤灰替代水泥用量比例，試驗結果如圖1所示。

圖1 粉煤灰摻量-輕質土強度曲線圖

從圖中可以看出，用粉煤灰代替水泥不僅可以節省成本，而且在摻量不超過45%時還可提高氣泡混合輕質土的28天抗壓強度；粉煤灰代替量為40%左右時最佳，配置的氣泡混合輕質土強度最高，與不摻粉煤灰的試件對比，強度可提高達20%；當粉煤灰替代量達50%時，氣泡混合輕質土的強度相對開始降低。

對于早期強度，可以看出齡期3天之前，不管粉煤灰替代量為多少，抗壓強度相對純水泥制備的氣泡混合輕質土均有所降低，摻量越多降低越明顯。

究其原因，粉煤灰是具有火山灰質活性的混合材料，內部含有大量的球狀玻璃體，顆粒粒徑一般小于水泥顆粒粒徑，當有Ca(OH)存在時，能夠與水發生反應并生成膠凝物質，產生一定的強度。它具有“微集料效應”和“填充效應”，早齡期時只起填充作用，分布在水泥顆粒之間，可提高漿體的流動性，增加密實度，在高水灰比條件下，水泥有充足的水分參與水化反應，當粉煤灰替代部分水泥后，早期水泥的水化產物相對減少，因而早齡期時強度是降低的。

后期由于粉煤灰中含有大量的活性成分，能與水泥的水化產物Ca(OH)發生二次水化反應，生成CSH凝膠，水化產物填充氣泡混合輕質土孔壁中的毛細孔，使其分段、細化或完全堵塞，降低總孔隙率，使得水化產物的結構越來越緊密，強度逐漸提高。

3.2 礦渣對氣泡混合輕質土強度的影響

試驗了不同的礦渣替代水泥用量比例，試驗結果如圖2所示。

圖2 礦渣摻量-輕質土強度曲線圖

從圖中可以看出，礦渣的摻入對氣泡混合輕質土強度影響較小，替代水泥量在33%時，強度稍有提高；但是不管水泥替代量為多少，氣泡混合輕質土的強度均沒有降低。

究其原因，作為一種礦物摻合料，礦渣也存在火山灰效應和微集料效應，可改善混凝土的工作性能，提高混凝土的強度。它含有 CaO、SiO、AlO，和水泥成分相近。它的比表面積406m/kg，具有較高的潛在活性，在堿性環境下能夠發生水化反應，產生強度。因而其替代水泥并不會對氣泡混合輕質土強度造成影響。

3.3 河沙、原狀土、尾礦砂、礦粉對氣泡混合輕質土強度的影響

河沙作為混凝土常用的細集料，為研究其對氣泡混合輕質土強度的影響，設計了表3所示的幾組試驗。

河沙對氣泡混合輕質土強度的影響 表3

從表中結果可以看出，在同等容重條件下，河沙的摻入會大大降低氣泡混合輕質土的抗壓強度；只有減少氣泡的摻量，增加氣泡混合輕質土的容重，其強度才不會降低。這是因為細砂屬于細集料，與粉煤灰等摻合料不同，它們不具有活性，因而摻入到輕質土中會在孔壁上形成大量的界面區，增大輕質土的孔隙率，在相同容重情況下大大降低輕質土的強度。

考慮到原狀土、尾礦砂、礦粉與河沙一樣，只能作為一種細集料而沒有火山灰活性，其區別只是在粒徑上，故設計幾組試驗，固定水泥摻量，改變各種細集料的摻量從而改變氣泡混合輕質土的容重，研究各因素的影響，結果如圖3所示。

圖3 細集料摻量-輕質土強度曲線圖

同樣，從圖中可以看出，在同等容重條件下，原狀土、尾礦砂、礦粉的摻入會大大降低氣泡混合輕質土的抗壓強度；只有減少氣泡的摻量，增加氣泡混合輕質土的容重，其強度才不會降低。并且，細集料的粒徑越大，對強度的影響越高，最大粒徑的河沙摻入后，在同等容重條件下強度都是最低的。

這是因為，氣泡混合輕質土的強度是由孔壁的基體強度和孔結構共同決定的，在同樣水泥用量和氣泡摻量的條件下，孔壁的強度成為最終成品強度的決定點；在粒徑較大的河沙存在的情況下，孔壁增加了很多的水泥石-細集料界面區，增大了孔隙率，影響了強度；而且，在900kg/m以內的容重條件下，氣泡混合輕質土內部孔壁的厚度均較小，只有1mm厚左右，大粒徑的河沙基本會貫穿整個孔壁，界面區的毛隙孔很容易貫穿2個相鄰的氣孔從而形成通孔，造成強度大幅降低。從上圖也可以看出，細集料的粒徑越小，同等容重條件下強度越高，也是因為小粒徑的集料周圍不容易形成界面區，孔隙率也相對低一點，更不會貫穿2個相鄰的氣孔，因而強度相對較高。

4 結論

①粉煤灰、礦渣等具有火山灰活性的礦物摻合料摻入氣泡混合輕質土替代部分水泥不會影響其強度；粉煤灰替代水泥量不高時，對氣泡混合輕質土的早期強度有所影響，后期強度反而會提高。

②河沙、原狀土、尾礦砂、礦粉等不具有火山灰活性的細集料摻入氣泡混合輕質土中，在同等容重條件下，會降低其強度，摻入越多影響越大。保證強度不變的情況下，需要減少氣泡摻量，提高氣泡混合輕質土的濕容重。

③細集料的粒徑對氣泡混合輕質土強度的影響較大，粒徑越大，強度降低越多；就地取材將原狀土研磨至一定細度摻入到氣泡混合輕質土中，并不會影響其強度。