磨細石灰石粉在泡沫輕質土中的應用研究*

薛國毛 謝規(guī)球 鄭 中 陳 云

(1.中交第四公路工程局有限公司 北京 100022； 2.中南大學土木工程學院 長沙 410075)

泡沫輕質土的組成材料主要包括固化劑、細骨料、氣泡和水。許多學者通過研究不同的摻和料或外加劑對泡沫輕質土的改性影響以進一步提高泡沫輕質土的性能[1-3]。陳金威等[4-5]選用不同摻料研究不同摻合料對泡沫輕質土強度等性能的影響，認為摻加礦粉和粉煤灰的泡沫輕質土表現(xiàn)出了較高的強度特性。嵇鷹等[6-7]對不同粉煤灰制備的泡沫輕質土進行研究，分析了泡沫輕質土孔結構與抗壓強度之間的關系，并得到粉煤灰對泡沫混凝土的作用機理。

國內外現(xiàn)多使用粉煤灰作為泡沫混凝土的一種細骨料，但粉煤灰泡沫混凝土早期強度偏低，實際工程中泡沫輕質土早期強度過低會嚴重影響工期，并且隨著我國基礎建設的發(fā)展，粉煤灰已成為一種稀缺的材料。因此，選擇合適的廢棄材料代替全部或部分粉煤灰制備泡沫輕質土，在保證輕質土性能的同時做到節(jié)約環(huán)保、經濟高效。此外，細度較小的石灰石粉在混凝土中不僅可充當微骨料，還能促進水化反應，有利于提高混凝土的早期強度。因此，以磨細石灰石粉作為一種輔固化劑摻合料，分析其對泡沫輕質土性能的影響，具有一定研究價值。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

1) 發(fā)泡劑。試驗所用發(fā)泡劑為QW-100型號發(fā)泡劑，屬于物理發(fā)泡劑的一種。

2) 水泥。本試驗選用42.5級的普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能指標見表1。

表1 試驗用水泥主要性能指標

3) 粉煤灰。本試驗選用F類II級粉煤灰作為試驗原材料，其主要物理性能指標見表2。

表2 試驗用粉煤灰主要性能指標

4) 磨細石灰石粉。試驗采用比表面積為700 m2/kg的磨細石灰石粉，其主要化學組成見表3。

表3 磨細石灰石粉化學分析結果

5) 水。采用試驗室中雜質較少的自來水。

1.2 試驗方案

為了有效避免大量的試驗次數、節(jié)約成本，得到各試驗因子對泡沫輕質土性能的影響大小和規(guī)律，試驗采用均勻設計方法，選擇4個因素：水固比(水泥漿中單位質量固體所含水的質量即水的質量與水泥、粉煤灰、磨細石灰石粉等固化劑總量之和的比)、粉灰比(輔固化劑與主固化劑之比即粉煤灰、磨細石灰石粉質量和與水泥質量之比)、石灰石粉摻比(石灰石粉對粉煤灰的取代比)及氣泡率(單位泡沫輕質土中所含泡沫的體積)，每個因素選擇5個水平，以水平次數的3倍作為實際試驗次數，選擇U15×(157)使用表進行試驗設計，因素水平見表4。

表4 均勻試驗因素水平設計表

1.3 試驗方法

將以上試驗因素設計參數代入式(1)和(2)，每組按25 L泡沫輕質土計算，得到各組均勻試驗材料配比。按DB33/T 996-2015 《公路工程泡沫混凝土應用技術規(guī)范》對泡沫輕質土的濕重度、流值、消泡率，以及無側限抗壓強度等性能進行測定。

(1)

Mq=ρq×Vq

(2)

其中：Vq為泡沫輕質土的氣泡率；Mc為每立方泡沫輕質土中水泥的質量，kg/m3；Mw為每立方泡沫輕質土中水的質量，kg/m3；Mf為每立方泡沫輕質土中粉煤灰的質量，kg/m3；Ms為每立方泡沫輕質土中磨細石灰石粉的質量，kg/m3；ρc為水泥的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；ρf為粉煤灰的密度，kg/m3；ρs為磨細石灰石粉的密度，kg/m3；Mq為氣泡的質量，kg/m3；ρq為氣泡的密度，kg/m3。

泡沫輕質土制備方法具體步驟如下。

1) 量取10 L的水和0.25 L的發(fā)泡劑，按照40倍的稀釋倍率對發(fā)泡劑進行稀釋，得到發(fā)泡劑稀釋液，并利用便攜式發(fā)泡機將發(fā)泡液在壓力的作用下引入空氣，產生大量穩(wěn)定的泡沫。

2) 按配方量稱取水泥、粉煤灰、磨細石灰石粉和水，對其進行充分攪拌，形成水泥漿液。

3) 稱取一定量的泡沫與水泥漿液進行混合攪拌，形成泡沫輕質土混合液。

4) 對制成的泡沫輕質土漿液進行流值、濕重度和消泡試驗等性能測定，同時將漿液倒入模具中進行試樣制備，養(yǎng)護到一定齡期后進行無側限抗壓強度測定。

2 試驗結果與模型建立

2.1 試驗結果

在實際工程應用中，評價泡沫輕質土物理力學性能最基本的指標是：無側限抗壓強度、濕重度、流值。同時本文添加消泡試驗對試樣進行檢測。對上節(jié)均勻試驗設計得到的各組泡沫輕質土進行性能測定。測定結果表明，各試驗組泡沫輕質土流值實測值為170～195 mm；濕重度實測值為5～8 kN/m3；消泡率為5%～13%；24 h無側限抗壓強度為0.17～0.60 MPa；3 d抗壓強度實測值為0.42～1.01 MPa；7 d抗壓強度為0.64～1.49 MPa；14 d抗壓強度為0.91～2.49 MPa；28 d抗壓強度實測值為1.26～2.80 MPa。

根據規(guī)范及現(xiàn)場泡沫輕質土性能要求，泡沫輕質土為滿足泵送要求，流值應大于170 mm，同時為保證其早期強度性能，流值不得超過190 mm，并且7 d抗壓強度不低于0.6 MPa，28 d抗壓強度不低于1.2 MPa，濕重度不超過7.5 kN/m3，消泡率低于10%。15個試驗組的各項性能指標試驗值幾乎全部將現(xiàn)場及規(guī)范要求的區(qū)間范圍包含在內，說明本次均勻試驗設計合理，可為后續(xù)分析提供數據支撐和理論依據。

2.2 建立模型

回歸分析是用來研究因變量與自變量之間關系的首選方法，在預測建模、查找變量間關系等領域有較為廣泛的應用?；貧w分析法可以有2個及2個以上的自變量數目，其主要優(yōu)勢在于兩方面：①得到回歸模型，描述因變量與自變量間的顯著關系；②描述多個獨立變量對因變量的不同影響程度。

本研究采用多元二次回歸模型，將4個自變量水固比、粉灰比、石灰石粉摻比和氣泡率及其兩兩組合所得項考慮為回歸模型的自變量，選用SPSS(statistical product and service solutions)軟件中的多元線性回歸模塊，將二次多元非線性回歸轉化為線性回歸以進行回歸分析，數據輸入見圖1。

圖1 SPSS數據輸入

程序每次只能進行1個因變量的回歸分析，總體統(tǒng)計檢驗值符合F分布，采用后退法，對泡沫輕質土關鍵性能指標進行多元回歸分析，得到回歸模型，見式(3)。

fγw=59.784+27.093x2-164.939x4-

42.231x2x4+127.342x42

fJ=114.023+317.024x1-124.387x2+

26.544x1x3-242.570x1x4-108.614x22

fδ=-0.310+0.525x1+1.377x2-0.801x1x3-

2.158x2x4+0.402x32+0.509x42fC1=1.336-4.542x2-3.132x1x3+3.307x2x3+4.689x22+1.008x32

fC3=9.879-3.097x2-23.767x4-2.33x1x3+

4.502x2x3+17.095x42

fC7=3.724-5.207x2+5.623x1x3-

7.176x1x4+7.262x2x4-4.623x3x4

fC14=12.458-22.888x2-16.685x4+

33.890x2x4

fC28=79.257-125.552x1-116.284x4-

1.3x1x3+188.329x1x4-

0.304x2x3+1.65x3x4

式中：γw為泡沫輕質土的濕重度；J為泡沫輕質土的流值；δ為泡沫輕質土的消泡率；Ci為泡沫輕質土養(yǎng)護i天后的無側限抗壓強度；x1為水固比；x2為粉灰比；x3為石灰石摻比；x4為氣泡率。

表5 回歸模型評價參數表

由表5可見，各回歸方程的相關系數與決定系數均非常接近于1，且顯著性水平均遠小于0.01，說明回歸方程的擬合程度較好，回歸極顯著，回歸模型的可信度很高。

3 泡沫輕質土各性能影響因素分析

利用上述回歸分析模型進行泡沫輕質土性能的單因素影響分析，以水固比為1∶1.75、粉灰比為0.3、磨細石灰石粉摻比為0.55、氣泡率為0.65作為基礎配比進行分析。

1) 濕重度。泡沫輕質土配比各影響因素與濕重度之間的關系曲線見圖2。

圖2 各因素對泡沫輕質土濕重度的影響

由圖2可見，在試驗因素取值范圍內，泡沫輕質土濕重度主要受粉灰比和氣泡率的影響。其中氣泡率的影響較粉灰比更為顯著。泡沫輕質土濕重度均隨著粉灰比和氣泡率的增大而減小，隨粉灰比的增大呈線性減小，隨氣泡率的增大呈開口向上的二次拋物線形減小。

2) 流值。泡沫輕質土配比各影響因素與流值之間的關系曲線見圖3。

圖3 各因素對泡沫輕質土流值的影響

由圖3可見，水固比、粉灰比、磨細石灰石粉摻比及氣泡率均可對泡沫輕質土的流值大小產生影響，并且影響均較為顯著。其中，泡沫輕質土的流值隨著水固比的增大呈線性增大，隨粉灰比的增大呈開口向上的二次拋物線形變化，粉灰比為0.3左右時達到峰值。同時，隨著磨細石灰石粉摻入量的增加泡沫輕質土的流動度逐漸減小，并且隨著氣泡率的增加泡沫輕質土的流值呈線性減小。

3) 消泡率。泡沫輕質土配比各影響因素與消泡率之間的關系曲線見圖4。

圖4 各因素對泡沫輕質土消泡率的影響

由圖4可見，水固比、粉灰比、磨細石灰石粉摻比及氣泡率均可對泡沫輕質土的消泡率大小產生影響。其中，粉灰比和石灰石粉摻比對泡沫輕質土消泡率的影響更為顯著。泡沫輕質土的消泡率隨著水固比的增大呈線性增長，隨粉灰比的增大呈線性減小。氣泡率對消泡率幾乎無影響，同時，隨著磨細石灰石粉摻入量的增加泡沫輕質土的消泡率均呈開口向上的二次拋物線形變化，在磨細石灰石粉摻比在55%左右時消泡率達到最低。

4) 無側限抗壓強度。泡沫輕質土各配比因子與無側限抗壓強度之間的關系曲線見圖5。

圖5 各因素對泡沫輕質土抗壓強度的影響

由圖5可見，1 d的泡沫輕質土抗壓強度受水固比、粉灰比和石灰石粉摻比的影響，其中隨著水固比的增大呈線性減小，隨粉灰比的增大抗壓強度呈現(xiàn)先減小后增大的二次拋物線形變化，隨磨細石灰石粉摻比的增大呈二次拋物線形增大；3 d和7 d的泡沫輕質土抗壓強度受水固比、粉灰比、石灰石粉摻比和氣泡率的影響，其中3 d泡沫輕質土抗壓強度受粉灰比和氣泡率的影響顯著，水固比和石灰石粉摻比的影響較顯著，7 d泡沫輕質土抗壓強度受石灰石粉摻比和氣泡率的影響大，水固比和粉灰比對7 d泡沫輕質土抗壓強度的影響較大。并且3 d的泡沫輕質土抗壓強度和7 d的泡沫輕質土抗壓強度均隨著水固比、粉灰比和氣泡率的增大呈線性減小，隨磨細石灰石粉摻比的增大呈線性增大；14 d的泡沫輕質土抗壓強度僅受粉灰比和氣泡率的影響，并且隨著粉灰比和氣泡率的增大均呈線性減小，氣泡率的影響更為顯著；28 d的泡沫輕質土抗壓強度受水固比、粉灰比、石灰石粉摻比和氣泡率的影響，并且隨著水固比、粉灰比和氣泡率的增大呈線性減小，隨磨細石灰石粉摻比的增大呈線性增大。

對比水固比、粉灰比、磨細石灰石粉摻比和氣泡率影響下的泡沫輕質土1，3，7，14，28 d的抗壓強度曲線，發(fā)現(xiàn)整體變化較為穩(wěn)定，不同齡期抗壓強度之間差值變化較小。

4 結論

1) 磨細石灰石粉對泡沫輕質土的流動性有改善作用，并且在替代率為55%之前對泡沫的消泡作用有抑制效果，可提高泡沫質量，同時磨細石灰石粉可提高泡沫輕質土早期抗壓強度。對石灰石粉這一廢棄資源進行利用，在改善泡沫輕質土性能的同時可緩解粉煤灰緊缺的現(xiàn)狀。

2) 通過SPSS軟件對多因素與泡沫輕質土各性能之間的關系進行擬合分析，得到了回歸模型，且各回歸方程擬合系數均達到0.9附近，顯著性水平均遠小于0.01，說明模型擬合程度好，顯著性高，因此，各回歸模型是可信的。

3) 單因素影響分析顯示，泡沫輕質土的各項性能在各個單因素的影響下均為線性與二次拋物線形的變化形式。其中，泡沫輕質土流動度主要受氣泡率和水固比的影響；濕重度主要受粉灰比和氣泡率的影響；消泡率主要受粉灰比和磨細石灰石粉摻比的影響；泡沫輕質土抗壓強度主要受水固比、磨細石灰石粉摻比和氣泡率影響。