泡沫輕質土配方設計及性能分析

楊 寶 胡學文 李新宇 馬 浩 肖楠軒

（1.中交路橋建設有限公司，北京 100000；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

0 引言

泡沫輕質土強度比土路基要高，重量很輕，濕密度在400～1500kN/m3之間，其濕密度是其他常規填料的1/5~3/5[1]。而且，泡沫輕質土不需要壓實，沉降量比較小，在處治橋頭跳車，邊坡搶修方面具有特別的優勢。本文通過室內試驗，研究了泡沫輕質土的物理性能與力學性能，擬從原材料及配方設計、性能分析等幾方面對泡沫輕質土進行研究，以期得到工作性與經濟性都較好的泡沫輕質土配方。

1 原材料分析

泡沫輕質土的本質與其他水泥類材料類似，但又不盡相同，是由水泥、土、水以及泡沫組成的多孔材料。

1.1 水泥

根據《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJT 177-2012），泡沫輕質土所用水泥宜采用42.5 級及以上的通用硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥，該試驗選用重慶小南海水泥廠P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥。

1.2 原料土

泡沫輕質土的各項性能受原料土的影響較大，該試驗用土為浙江寧波某工程現場土樣。按規范要求，集料最大粒徑不宜超過5mm，試驗用5mm 篩網對土進行篩分，采用粒徑不大于5mm的土，實測土樣的天然含水率為4.7%。對土進行顆粒分析試驗與界限含水率試驗，為泡沫輕質土的制備提供依據。

1.2.1 原料土顆粒分析

依《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007），用水洗篩分法進行顆粒分析，各粒徑土樣質量與占比如表1所示。

表1 各粒徑土含量

1.2.2 原料土液塑限的測定

該試驗采用液塑限聯合測定法。將試驗所得數據繪制于雙對數坐標中，對試驗數據進行處理得到以下結果，結合塑性圖可知該土樣為低液限黏土，如表2所示。

表2 原料土液塑限測定結果

1.3 發泡劑分析

泡沫的生產主要有兩種方法，一是化學發泡，即利用如引氣劑、起泡劑等材料水化反應生產泡沫[2]。二是物理發泡，發泡原理是將發泡劑稀釋，將稀釋后的發泡劑通過空氣壓縮機進行發泡，從而產生均勻、連續、綿密的泡沫。該試驗采用物理發泡的方式生產泡沫，試驗共選取來源不同的三種發泡劑比對，發泡劑1沿用課題組以前所用發泡劑，發泡劑2為河南業豐化工產品有限公司生產，發泡劑3為鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產。發泡劑稀釋比例如表3所示。

表3 發泡劑稀釋比例

2 泡沫輕質土配比設計

由于摻入的泡沫質量很輕，主要起填充體積、減輕容重的作用。采用設計干密度為600kg/m3為基準進行配合比設計，通過選取市面上不同廠商的發泡劑，改變膠凝材料水泥與土的摻量，調節水料比進行配合比設計。取來源不同的3種發泡劑，水料比分別為：β＝0.45，0.50，0.55，土（/土＋水泥）分別為：α＝0，10%，20%，30%，40%，試驗配合比如表4所示。

3 泡沫輕質土的性能試驗

通過α和β兩個參數的變化，研究泡沫輕質土流動度及無側限抗壓強度的變化規律。

3.1 流動度

流動度是用于評價新拌泡沫輕質土流動性的指標，泡沫輕質土具有良好的流動性，現場澆筑后，強度未完全形成前，都具有較高的流動性。不同于其他材料，泡沫輕質土澆筑完成后不需要采用機械碾壓與搗實的方式使其更加密實均勻而實現自密實。為滿足施工要求，需控制流動度在（18±2）cm。

3.2 無側限抗壓強度

泡沫輕質土需要具有良好的強度，無側限抗壓強度是其最基本的強度指標。泡沫輕質土的強度取決于多項參數，如水泥用量、水料比、濕密度、發泡劑類型等因素，該試驗研究了3 種不同發泡劑，3 種不同水料比（0.55、0.50、0.45）與5種土摻量（0、10%、20%、30%、40%）下泡沫輕質土28d抗壓強度變化規律。該試驗采用微機控制油電混合伺服壓力試驗機，試件的抗壓強度按式（1）計算。

式中：qu——抗壓強度，MPa，精確至0.01MPa；

P——試件的破壞荷載，N；

A——試件的承壓面積，mm2。

4 試驗結果與分析

4.1 流動度

泡沫輕質土的流動度受發泡劑、土摻量、濕密度、水料比等因素共同影響。發泡劑土摻量與流動度關系如圖1～圖3所示。由圖1～圖3可知，不同的發泡劑對流動度的影響程度不同，研究同一發泡劑下不同土摻量與水膠比對泡沫輕質土流動度的影響。泡沫輕質土的流動度隨土摻量的增加逐漸增大，土摻量越大，即摻入的水泥比例越低，水泥在泡沫輕質土中起膠凝作用，水泥比例降低使流動度降低增大。其次，泡沫輕質土流動度隨水料比的降低而減小。《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJT 177-2012）要求，為滿足施工要求，泡沫輕質土的流動度為（18±2）cm。

圖1 1號發泡劑的土摻量與流動度

圖2 2號發泡劑的土摻量與流動度

圖3 3號發泡劑的土摻量與流動度

4.2 無側限抗壓強度

發泡劑的土摻量與抗壓強度的關系如圖4~圖6 所示。

圖4 1號發泡劑的土摻量與抗壓強度

圖5 2號發泡劑的土摻量與抗壓強度

圖6 3號發泡劑的土摻量與抗壓強度

由圖可知，1 號發泡劑，土摻量每增加10%，28d 無側限抗壓強度降低8%至22.1%不等；2號發泡劑，土摻量每增加10%，28d 無側限抗壓強度降低10.7%至38.7%不等；3 號發泡劑，土摻量每增加10%，28d 無側限抗壓強度降低9%至38.8%不等。摻加1號發泡劑的泡沫輕質土其28d 無側限抗壓強度隨土摻量的增加衰減率較低，土摻量從0 增至40% 其強度損失率在39.8%~46.2%（1.97~2.12MPa），遠低于其他2 種發泡劑的55.4%~70.5%（3.04~4.14MPa）與52.6%~60.5%（2.52~4.12MPa），由此可證明1 號發泡劑較其他兩種發泡劑穩定，土摻量對其強度影響較低，適用于高土摻量的泡沫輕質土。如今市場發泡劑有松香型發泡劑、表面活性劑類發泡劑、蛋白類發泡劑和復合發泡劑等[3]，各種發泡劑優勢與劣勢不同，因此對泡沫輕質土的性能影響不同。泡沫輕質土28d 無側限抗壓強度隨水料比的降低而增大。泡沫輕質土中均勻分布著大量氣泡，隨著水料比的減小，泡沫輕質土氣孔的數量會顯著減少，降低硬化后泡沫輕質土的孔隙率，且氣孔的貫通程度會變淺，逐漸形成較密實和較完整的內部整體結構。當水料比較小時，泡沫輕質土會形成堅實、密實和較完整的氣孔－孔壁結構，使泡沫輕質土的無側限抗壓強度提高[4]。

5 結束語

泡沫輕質土的性能與土、水泥、發泡劑等原材料的性能相關，本文從原材料出發總結了泡沫輕質土的配方設計，并進行性能分析，得出如下結論：

（1）不同的發泡劑對流動度的影響程度不同。泡沫輕質土的流動度隨土摻量的增加逐漸增大，土摻量越大，即摻入的水泥比例越低，水泥在泡沫輕質土中起膠凝作用，水泥比例降低便使流動度增大。

（2）泡沫輕質土流動度隨水料比的降低而減小。

（3）泡沫輕質土28d無側限抗壓強度隨水料比的降低而增大。泡沫輕質土中均勻分布著大量氣泡，隨著水料比的減小，泡沫輕質土氣孔的數量會顯著減少，降低硬化后泡沫輕質土的孔隙率，且氣孔的貫通程度會變淺，逐漸形成較密實和較完整的內部整體結構。