乳膠粉改性泡沫輕質土的性能研究

韓雙宇

（沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870）

目前，無論是在研究還是應用層面，我國對于泡沫輕質土的發展尚處于初期階段，對該技術的發展主要著重于對其應用材料的相關性能以及工藝加工方面。陳忠平在研究過程中，將自己在日本學習的關于泡沫輕質土技術內容引入到國內的相關研究中，在研究過程中同樣介紹了該種材料在使用過程中的物理力學性能特點。張小平在研究過程中，采用三軸壓縮試驗的方式，重點分析了泡沫輕質土的特點并針對強度方面的特性做了進一步的闡述。喬歡歡等研究人員在相關研究中闡述了硅粉對不同密度等級的泡沫輕質土性能的影響。朱紅英在研究過程中應用了正交試驗設計的方式，針對泡沫輕質土中關于配合的相關內容進行研究設計，并在特性方面得出了一系列的結果。單本星對不同密度泡沫輕質土的抗凍性進行了研究。文獻[13]提到：作者通過進行兩個不同的試驗，分別是干濕循環試驗以及凍融試驗，對其相關環境參數進行了研究，包括水穩定性以及抗凍性。文獻[14]提到：作者進行了動三軸實驗，分別在多個層面的密度條件下，計算出輕質土所對應的潮濕參數，同時設置多個循環載指標，研究對應的動力參數。文獻[15]指出，通過正交試驗，針對泡沫輕質土的干縮特性、干濕循環特性以及抗凍性能等方面進行微觀研究。

但是在實際工程應用中，由于泡沫輕質土具有多種不同的特性，例如其材料具有多孔的特征，并且其柔韌性、抗沖擊能力以及強度參數比較差，并且在研究過程中也會受到一些外界因素的影響，特別是干濕循環的作用材料的力學性能等方面也會受到影響。本試驗針對泡沫輕質土材料存在的問題進行改性研究，通過添加乳膠粉進行改性試驗，研究泡沫輕質土力學和變形性能的變化規律，為該材料的理論發展和應用提供一定的借鑒。

1 實驗概況

1.1 原材料

實驗采用的膨脹珍珠巖取自遼寧昱霖保溫材料有限公司，乳膠粉為山西三維集團生產，水泥原料采用A公司生產的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用遼寧山水工源水泥有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，發泡劑采用北京亞設建材科技有限公司生產的YS-水泥發泡劑，本試驗采用羥丙基甲基纖維素醚 HPMC作為穩泡劑的材料之一，其具有良好的材料性能，并且采用了聚羧酸型高效減水劑。

1.2 方案設計

在本研究中，實驗過程要配比5次實驗，采用正交實驗的方式進行研究，首先按照最佳配合比進行配比，研究過程中采取控制變量的方式進行研究，研究的實驗過程要在其他的條件不變的情況下進行，要求乳膠粉含量以及相關配比情況，其中要求膠凝材料含量要在0%、2.5%、5.0%、7.5%、10%，表示為B1、B2、B3、B4、B5.沖擊試驗中，進行試驗的過程期間，需要嚴格把關泡沫輕質土的密度參數，防止其產生誤差，通過對乳膠粉摻量的配比進行轉變，并且對泡沫摻量的配比數據進行轉變，其中乳膠粉含量占膠凝材料含量的配比情況如下0%、2.5%、5.0%、7.5%、10%，泡沫含量占膠凝材料含量的 0.25%、0.28%、0.30%、0.33%、0.35%，表示為 C1、C2、C3、 C4、C5，針對不同配比情況進行合理實驗。

1.3 試驗過程

根據相關規范的試驗方法，本文抗壓試驗、干濕循環試驗所用試件為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，自然干燥收縮試驗所用試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的立方體試件，試件根據配合比澆筑成型48 h后拆模，在室內標準養護至試驗所需的齡期。

2 實驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

隨著乳膠粉摻量的提升，泡沫輕質土的有兩個參數會相接近，分別是抗壓能力參數以及抗壓強度參數，若乳膠粉摻量為10%，抗壓強度在一定程度上提高了160%。由于泡沫輕質土會有一定的膠凝作用，其在一定程度上提升乳膠粉的介入數量，進而改變骨料以及水泥兩者之間的結力參數，一定程度上提升輕質土的抗壓強度。對于輕質土密度參數相同的研究中，其需要對改性后的內容進行分析。可以確定出的結果表明泡沫輕質土通過本次實驗可以確定泡沫輕質土強度也會逐漸增加，增長的相對比較快。可以得出如下結論，乳膠粉可以有效改變泡沫輕質土強度，有一定的提高作用。當增加養護時間，整體的抗壓強度也會逐漸上升。改性前后泡沫輕質土密度和抗壓強度變化趨勢可以按照一次多項式代替，擬合公式為：

在實驗過程中，可以從不同摻量來確定乳膠粉泡沫輕質土試件的單軸壓縮應力-應變曲呈現出四個階段的變化情況：密實階段的變化、彈性階段變化情況、彈塑性階段和破壞階段的變化情況。

關于各階段變化曲線情況，密實階段應力曲線發生變化，呈現出增長的趨勢。主體材料主要是依靠胞壁的彎曲程度不變化的；曲線近似直線為應力應變的線性關系。當試件內部產生裂隙變化的情況，要求卸載后可以進一步恢復彈性變形。出現彈塑性階段應力峰值，隨著載荷增加試件中的胞壁出現應力集中，應力大于胞壁的斷裂強，此時材料會存在塑性破壞，其具有瞬間性的特點，此時會伴隨著微裂紋的出現，若其出現不斷延申的狀況，則進入破壞階段，同時隨著宏裂紋以及微裂紋的擴散作用，其會出現局部破壞，進而導致局部材料的穩定性減弱，一定程度上降低材料的承載能力。

在實驗中用普通混凝土材料與泡沫輕質土材料進行對比，可以了解到抗壓強度后會馬上產生破壞，但是也會有一定的承載能力，對某些試件進行研究后，可以發現試件的強度會產生變化表明泡沫輕質土材料的載荷情況出現明顯的變化，設備的韌性也有一定的延展性特征。

2.2 自然干燥收縮

測量試驗中涉及的 7d、14d、21d、28d、56d中產生的變形讀數 Lt的相關要求，相關計算公式為：

式中：εat代表的是 t 天中砂漿試件的自然收縮數值；L0為也行收縮讀數。Lt為第t天的關于試件的讀數；L為試塊的長度相關數值偉160 mm；Ld 為收縮長度之和。

對試樣的干縮分析主要涉及3個階段。初期：相關數值偉0 d~7 d，通過研究發現氣泡漿體凝結后出現硬化的現象，會形成大量的微觀毛細孔，水容易產生的潤濕水泥基材料也會發生變化，引起氣泡孔的水分飽和，蒸發難度增加，毛細孔蒸發出現失水越難的現象，導致干縮實驗比較緩慢。中期：干縮中期維持在7 d~28 d，出現氣泡孔先蒸發失水的現象，氣泡孔尺寸大增加，沒有產生毛細孔效應，失水難以產生收縮，毛細孔失水引起凹液面出現曲率變大的情況，試樣容易產生收縮，干縮的收縮值增加。干縮變形屬于作用機理特性，乳膠粉溶于水產會產生乳膠膜且其中含有水分。在本次實驗中，乳膠粉摻量也按照一定的比例增加，最終形成的乳膠膜也比較完整，水分子在其中阻礙會增加，會對硬化泡沫輕質土產生影響，當出現水分較多的時候，干燥過程中乳膠膜中所失去的水分也增多，而硬化泡沫輕質土中的水分減少。

2.3 干濕循環

試驗參照GB/T 11975-1997《加氣混凝土干濕循環試驗方法》，研究泡沫輕質土經受3次、6次、9次和12次循環后的抗壓強度的變化。

干濕循環次數出現增加的現象，可以發現無側限的整體強度也會產生變化。當不加入乳膠粉后，整體的強度缺失最快，當循環次數達到12次時，材料的損壞程度會達到25.3%，同時其試件參數也會具有一定程度的改變；若乳膠粉摻量改變了2.5%，此時通過循環12次，其損壞程度會變為15.5%，因此，試件的完整性良好；當摻量為 10%的時候，干濕循環強度損失率有所降低，可以達到6.14%，同樣試件沒有被破壞，可以說明乳膠粉摻量逐漸增加的情況，可以確定偉強度損失率也會逐漸減少。

當實驗數據進行調整后，可以將R2調整為0.97，說回歸反應的實驗數據的擬合度可以達到96.9%，整體的線性回歸方程也會出現擬合度逐漸增加的趨勢，統計量的數值為0.73。

試件抗壓強度隨乳膠粉摻量、干濕循環次數曲面如圖1所示。

圖1 抗壓強度隨乳膠粉摻量和干濕循環次數的變化曲面

3 結論

文章對改性前后泡沫輕質土進行了無側限抗壓強度、自然干燥收縮和干濕循環試驗，對比實驗前后的相關性能特點，主要結論如下：

（1）實驗后樣本的干密度與抗壓強度存在線性關系特點，出現線性遞增趨勢，抗壓強度的冪函數出現遞減的現象，其會導致應力參數發生一定程度的改變，實驗結束后，在壓縮并且載荷的狀態下，泡沫輕質土會出現兩種特性，分別是延性以及韌性。

（2）結合干縮實驗，失水率摻和量的增加，會導致干縮逐漸增加，前期干縮數值增加，到收縮后期干縮數值在逐漸降低，與無乳膠粉的泡沫輕質土相比，其抗壓強度隨乳膠粉摻量的增大，損失率不斷減少.改性前的泡沫輕質土第9次干濕循環后試件已破壞，當乳膠粉摻量為10%時，第12次干濕循環后試件未破壞.乳膠粉改性后的泡沫輕質土泡沫輕質土具有良好的水穩定性。