高摻量陶瓷拋光渣對泡沫輕質土性能影響研究

成 浩 王 佳 曾國東 陳忠平 汪健斌 韓 健

(佛山市交通科技有限公司1) 佛山 528000) (佛山市建盈發展有限公司2) 佛山 528000)(廣州大學土木工程學院3) 廣州 510006) (廣東盛瑞科技股份有限公司4) 廣州 511400)

0 引 言

泡沫輕質土是由水泥漿與泡沫混合硬化而成的一種輕質材料，由于其具有輕質性、自硬性、良好的流動性等特性，廣泛應用于高速公路、高速鐵路、市政交通等領域[1-2]．國內外學者對泡沫輕質材料的制備參數、孔隙結構、無側限抗壓強度等物理力學性能[3-5]以及干濕、凍融、硫酸鹽侵蝕作用下耐久性能[6-8]開展了系統的室內試驗研究，并已成熟地應用于道路拓寬、橋臺背回填、軟土地基處理等工程領域．此外，在傳統的水泥基泡沫輕質材料的基礎上，部分學者研究了摻磷尾礦[9]、偏鋁土尾礦[10]等對泡沫輕質土力學性能的影響．目前，尋求經濟性更高、來源更廣的摻和料用以部分替代水泥制備泡沫輕質材料已成為該領域的熱點課題之一．

陶瓷拋光渣是陶瓷在拋光、研磨加工過程中所產生的廢棄物，據不完全統計，每生產1 m2拋光磚，產生1.5～2.0 kg拋光渣，目前陶瓷拋光渣的年排量已超1 000萬 t[11]．針對陶瓷拋光渣資源化利用難題，李麗霞[12]通過將陶瓷廢料微粉與粉煤灰作為復合摻合料加入混凝土中，用以改善混凝土的工作性能和力學性能．田健等[13]利用陶瓷拋光泥與水泥、石灰、廢棄銅尾礦等材料制備蒸壓加氣混凝土，并分析了陶瓷拋光泥的顆粒細度與摻量對混凝土砌塊強度的影響．魏麗麗等[14]以陶瓷拋光渣等量取代水泥制備砂漿試樣，分析了陶瓷拋光渣對水泥基材料堿集料反應的抑制機理，并提出陶瓷拋光渣的合理摻量應為20%～30%．謝力等[15]研究了陶瓷粉再生混凝土的抗碳化性能，分析陶瓷粉摻量對再生混凝土碳化深度以及動彈性模量的影響規律．盡管眾多學者在陶瓷拋光渣資源化利用方面做出了很多有益的嘗試，但目前仍存在資源再生技術較復雜、再生產品附加值較低，難以大規模推廣應用等問題[16]．

文中通過分析陶瓷拋光渣摻量、設計濕密度等因素對泡沫輕質材料流動性、無側限抗壓強度，以及飽和吸水率的影響規律，基于室內試驗結果分析提出泡沫輕質土中陶瓷拋光渣的合理摻量范圍．

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥采用海螺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉為廣東某有限公司生產的S95級礦粉，密度為1.6 g/cm3，比表面積為430 m2/kg；發泡劑采用廣東某有限公司生產的復合發泡劑，發泡倍率20～30倍，消泡率小于5%．

陶瓷拋光渣取自佛山市某陶瓷廠，其物理性能指標見表1，通過篩分試驗得出該陶瓷拋光渣顆粒粒徑小于0.075 mm的占比達84%．由表1中陶瓷拋光渣的液塑限值及顆粒分布特性來看，其性質與低液限粉土較為類似．對所取的陶瓷拋光渣進行室內擊實試驗，擊實曲線見圖1.由擊實曲線獲得陶瓷拋光渣最大干密度為1.59 g/cm3，最優含水率為20.5%．

表1 陶瓷拋光渣物理性能參數

圖1 陶瓷拋光渣擊實曲線

1.2 配合比設計

根據《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》(以下簡稱《技術規程》)中泡沫輕質土配合比設計方法，開展不同濕密度與陶瓷拋光渣摻量的泡沫輕質土配合比設計，不同配合比泡沫輕質土的成分比例見表2．表中編號1～6為一組，研究設計濕密度對摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土力學性能的影響，固定膠凝材料中水泥∶礦粉∶陶瓷拋光渣的質量比例為20%∶20%∶60%，水膠比為0.65，設計濕密度變化范圍為500～1 000 kg/m3；編號7～10為另一組，研究濕密度為600 kg/m3時，陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質土力學性能的影響，膠凝材料中礦粉摻量固定為20%，由陶瓷拋光渣部分取代水泥，其占膠凝材料總質量比分別為30%，40%，50%，60%．

表2 摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土配合比設計

1.3 試樣制備

首先將陶瓷拋光渣烘干后碾壓破碎，按照表2中配合比要求將其與適量的水進行攪拌混合均勻后，加入水泥與礦粉繼續攪拌制成混合料漿；將發泡劑和水按稀釋倍率50的要求進行等比例稀釋后，利用空氣壓縮發泡機產生均勻致密的泡沫群，隨后分別將混合料漿和泡沫群混合攪拌均勻．將拌和物倒入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具中成型，待硬化成型后拆模即可得到摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土試塊，將試塊放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的標準養護箱中進行養護．

1.4 試驗內容

根據技術規程中相關試驗要求，對摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土進行流動性、無側限抗壓強度，以及飽和吸水率等性能的測試．流動性測試中先將空心圓筒置于光滑濕潤平板中心處，隨后在空心圓筒中倒入新制拌和物，將表面刮平后垂直提升圓筒，用游標卡尺分別在正交方向上測量圓餅狀塌落體的直徑，取二者平均值為泡沫輕質土的流動值．

無側限抗壓強度實驗采用萬能材料試驗機，分別對齡期為7，14和28 d的標準立方體輕質土試塊進行抗壓強度測試．試驗過程中控制加載速率恒定為2 kN/s，直至試件發生破壞并記錄峰值強度，取三個試塊峰值強度的平均值作為最終的抗壓強度．

吸水率測試方法參考文獻[10]，取28 d齡期的試塊浸泡于常溫水容器內，并保證試塊完全處于水面以下，記錄不同浸泡時間(0、0.5、1、2、4、8、14、28 d)后試塊的質量，試塊的體積吸水率為

(1)

式中：Wv為輕質土體積吸水率；m0和V0分別為試驗前泡沫輕質土初始質量與體積；mi為浸泡第i天泡沫輕質土的質量；ρw為水的天然密度．

2 試驗結果分析

2.1 流動性

各組輕質土試樣在攪拌完成后立即進行流動性測試，圖2為不同設計濕密度與陶瓷拋光渣摻量時泡沫輕質土的流動值．文獻[16]在研究不同礦物摻和料對水泥砂漿流動性影響時指出，礦物摻和料對水泥漿體流動性的改善作用主要與礦物顆粒形貌效應及微集料效應有關．陶瓷拋光渣的顆粒較水泥顆粒更細，且顆粒表面形態不規則，這導致陶瓷拋光渣顆粒比表面積更大，顆粒表面吸附水較多，因此在陶瓷拋光渣摻量由30%增大至50%時，泡沫輕質土的流動值幾乎呈線性降低趨勢；另一方面，陶瓷拋光渣具有的微集料效應使得顆粒能夠填充于水泥顆粒之間的孔隙中，替代孔隙中的自由水，這在一定程度上能改善泡沫輕質土的流動性．陶瓷拋光渣顆粒的形貌效應與微集料效應相互作用，共同影響著泡沫輕質土的流動性，而當陶瓷拋光渣顆粒完全填充于孔隙中時，其摻量進一步的增大對泡沫輕質土流動性的影響很小．

圖2 濕密度和陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質土流動性的影響

2.2 飽和吸水特性

通過對不同初始濕密度時摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土吸水特性進行測試，得到不同初始濕密度條件下泡沫輕質土濕密度隨浸泡時間的變化曲線，見圖3a)．由圖3a)可知：初始濕密度對泡沫輕質土的飽和吸水特性影響顯著，初始濕密度越小，泡沫輕質土在浸泡初期的濕密度增長幅度越大，且最終飽和(28 d)吸水率越大．根據式(1)計算得到泡沫輕質土吸水率隨浸泡時間的變化曲線，見圖3b)．由圖3b)可知：初始濕密度為500 kg/m3時，其飽和吸水率達到了26.1%；而初始濕密度為1 000 kg/m3時，其飽和吸水率僅為6.5%．這是因為泡沫輕質土初始濕密度越小，其內部孔隙越多，且存在更多的相互連通的孔隙，因此在長期的浸泡過程中外部水進入內部孔隙中，造成其濕密度不斷增大．由此可知，泡沫輕質土初始濕密度越小，其水穩定性越差，在長期的水環境中容易吸水增重，降低了泡沫輕質土的減荷效果，因此在實際工程中需特別注重輕質路基結構的防排水設計．

圖3 初始濕密度對泡沫輕質土吸水特性的影響

圖4為濕密度為600 kg/m3時，不同陶瓷拋光渣摻量時泡沫輕質土濕密度隨浸泡時間的變化曲線．由圖4可知：陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質土的吸水特性也具有一定的影響，隨著陶瓷摻量由30%增大到60%，輕質土吸水率22.8%減小至17.5%，說明適當的提高泡沫輕質土中陶瓷拋光渣的摻量，有助于提高其水穩定性．

圖4 陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質土吸水特性的影響

2.3 強度特性

圖5為不同齡期時，泡沫輕質土無側限抗壓強度隨濕密度的變化曲線．由圖5可知：泡沫輕質土無側限抗壓強度隨濕密度的增大呈非線性增大趨勢，此外，隨著濕密度的增大，不同齡期間的強度差也逐漸增大．摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土內部主要由水泥、礦粉與部分陶瓷拋光渣經水化反應形成的膠結硬化體、未參與反應的陶瓷拋光渣，以及大量氣孔組成，未參與反應的陶瓷拋光渣作為微細集料可以起到填充作用，而包裹著氣孔的膠結硬化體與細集料為強度的主要來源．

圖5 泡沫輕質土無側限抗壓強度隨濕密度變化曲線

泡沫輕質土濕密度主要通過其內部氣泡率來進行調節，濕密度越小，對應其內部氣泡率越大，氣孔數量越多，且內部存在連通孔隙的可能性越大，宏觀上表現為強度降低；而濕密度越大，氣泡率較低，內部以膠結硬化體和微細集料為主，整體結構較為密實，宏觀上表現為強度的增大．根據技術規程中相關要求，泡沫輕質土應用于城市快速路、一級公路及高速公路上路床時，其28 d無側限抗壓強度不得低于0.8 MPa；應用于路堤時，其28 d無側限抗壓強度不得小于0.4 MPa．因此，在實際工程中建議摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土濕密度不低于700 kg/m3．

由圖5可知：泡沫輕質土無側限抗壓強度與濕密度間近似符合指數函數關系，采用式(2)中指數函數對二者關系進行擬合.式中：qu為抗壓強度；ρ為濕密度；A和B為擬合參數．指數函數式(2)的擬合效果良好，相關系數均在0.975以上，因此，可采用該式對不同濕密度條件下摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土無側限抗壓強度進行預測．

qu=A·exp(Bρ)

(2)

圖6為泡沫輕質土無側限抗壓強度隨陶瓷拋光渣摻量的變化曲線．由圖6可知：隨陶瓷拋光渣摻量的增大，泡沫輕質土無側限抗壓強度初始時增大，在摻量為40%時達到最大值．由于陶瓷拋光渣中SiO2和Al2O3等硅鋁氧化物含量較高，可一定程度起到調節水泥-礦粉-陶瓷拋光渣復合膠凝體系中硅鋁成分的作用，加速水化產物的產出，從而提高泡沫輕質土的強度；此外陶瓷拋光渣顆粒較細，可作為微細集料起到一定的填充作用，提高泡沫輕質土孔隙結構的密實度．因此，適量摻入陶瓷拋光渣對于泡沫輕質土抗壓強度的提高具有有益的作用．在陶瓷拋光渣摻量達到40%以后，導致復合反應體系中硅酸鹽水泥的摻比過少，使得水化反應變弱，且未參與水化反應的陶瓷拋光渣顆粒增多導致氣泡易受到擠壓發生破裂，內部形成連通的大孔隙，因而泡沫輕質土強度反而出現較大幅度降低．這與秦志生[16-17]得到的結論類似，所不同的是二者在研究將陶瓷拋光渣作為混凝土外摻料時得到的最佳摻量為30%．

圖6 泡沫輕質土無側限抗壓強度隨陶瓷拋光渣摻量變化曲線

綜上可知，根據《技術規程》以及《公路路基施工技術規范》中對于泡沫輕質土流動度、無側限抗壓強度等關鍵性能指標的要求，摻入適當陶瓷拋光渣的泡沫輕質土可以應用于輕質路堤填筑施工．根據本文的試驗結果，建議摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土設計濕密度不小于700 kg/m3．

3 結 論

1) 濕密度對泡沫輕質土流動性影響較小，而陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質土流動性影響較為明顯，摻量的提高會顯著降低泡沫輕質土的流動性，且在摻量為50%時流動值最低為165 mm．

2) 泡沫輕質土作為典型多孔材料，其濕密度越小，氣泡率越大，在長期浸水環境下飽和吸水率越高；而陶瓷拋光渣顆粒較細，在泡沫輕質土中可起到孔隙填充作用，適當摻入陶瓷拋光渣可降低泡沫輕質土的飽和吸水率，提高其水穩定性．

3) 泡沫輕質土無側限抗壓強度隨濕密度的增大呈指數增長，隨陶瓷拋光渣摻量的增大呈先增大后減小趨勢，且在摻量為40%時達到最大值；根據技術規程中對于泡沫輕質土流動值與無側限抗壓強度的要求，建議摻陶瓷拋光渣泡沫輕質土設計濕密度不小于700 kg/m3．