高掺量粉煤灰泡沫轻质土应用技术研究

杨帆 宋奕臻

【摘要】试验研究和工程实践表明，泡沫轻质土具有稳定的物理力学性质和良好的施工性，而高掺量粉煤灰泡沫轻质土是以工业废渣粉煤灰为主要掺和料，代替轻质土的部分水泥，它除了保持泡沫轻质土的特性以外，还具有低成本、良好的和易性与施工性，可降低水化热，减少成品的内部及表面裂缝。本文通过室内试验和工程实践，对高掺量粉煤灰泡沫轻质土进行研究，主要有以下几个方面：（1）利用正交试验的方法，研究影响高掺量粉煤灰泡沫轻质土强度的显著因素，并对适配方案进行优化，由此可以确定工程配合比。（2）根据试验配合比进行泡沫轻质土制作工艺的探究。（3）对泡沫轻质土的工程施工进行事前控制、事中控制、以及事后控制确保施工质量合格。

【关键词】高掺量粉煤灰；泡沫轻质土；制作工艺；工程质量。

1引言

1.1粉煤灰泡沫轻质土概念

粉煤灰泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分骨料、粉煤灰、外加剂等按一定比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。泡沫轻质土具有以下一些优点及特性：

（1）容重、强度可调节性。粉煤灰泡沫轻质土内含有大量的微小气泡群，其容重较小，可通过调整土体中的气泡和胶凝材料的含量，对容重在5kN/m3～16kN/m3范围内进行调整，对强度在300kN/m2～1500kN/m2范围内进行调整。

（2）高流动性。粉煤灰泡沫轻质土不含粗集料，流动性要远高于普通混凝土，可通过管道泵送，其最大输送距离可达500m，最大泵送高度可达30m。

（3）固化后的自立性。粉煤灰泡沫轻质土通常在浇筑5h后就会开始固化，且固化后可以自立，可进行垂直填土，且无侧限抗压力。

（4）良好的施工性。现场浇筑点占的施工空间较小，当泡沫轻质土作为路基填筑的替代材料时，则浇筑施工无须振捣碾压，施工便捷高效，施工工期短。

（5）整体均质性。使用预发泡后混合的施工工艺，泡沫是将发泡剂按照一定的稀释及发泡倍率生成致密、直径为30μm～300μm且互不连通的气泡群，且孔隙分布均匀。

（6）保温隔热性。因泡沫轻质土中含有大量的气泡，具有良好的隔热性。

（7）耐震特性。因其密度小（通常只有普通混凝土的25%），所以在同等条件下所受到的水平惯性力小，耐震性强。

（8）環保性。可节省土地资源，避免高填高挖等对环境的破坏，对保护自然生态环境意义重大。

1.2国内外研究现状

在粉煤灰泡沫轻质土研究方面，日本同行处于领先水平，80年代后期日本、荷兰等国开发出一种采用泡沫剂发泡而成的新型轻质填土材料，称为泡沫轻质土。对泡沫轻质土进行了大量研究，这些研究主要包括两个方面：对其基本特性和对其路用性能的研究。基本特性方面，主要研究泡沫轻质土的容重、气泡率及强度之间的关系，以及应力-应变关系、压缩变形特性、强度特性等。路用性能方面，主要研究泡沫轻质土的耐久性、稳定性及工程中的效果研究。日本道路公团研究表明，泡沫轻质土的密度可以通过改变发泡率来调节，强度也可以通过气泡率来调节。

广州大学陈忠平博士是国内此领域的领军人物，他经过7年多的攻关，实现了从材料、产品、工艺流程、相关设备的研究开发及标准的制定等项目产业化所需全过程的创新，取得了一系列创新性成果。其中，拥有自主知识产权的高性能发泡剂的发泡效率是国外同类产品的5倍以上，而成本只有国外同类产品的十分之一；泡沫轻质土制备设备的产能是国外同类产品的5倍以上，能耗却降低了40%，设备成本还不到国外同类产品的四分之一；编制出版了我国在这一领域的第一本部级标准――《现浇泡沫轻质土技术规程》。

2高掺量粉煤灰泡沫轻质土配合比

2.1试验原材料

2.1.1水泥

高掺量粉煤灰泡沫轻质土多应用于大体积回填，水泥粉煤灰料浆一般由搅拌站供应，从拌和到浇筑成块压实，一般需2h，因此应优先选用初凝时间较长的水泥，本文采用42.5级普通硅酸盐水泥，相关技术指标见表2-1：

表2-1水泥技术指标

检验项目

抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa）

比表面积 凝结时间 安定性

初凝 终凝 3天 28天

规范 ≥300 ≥45 ≤600 合格 ≥4.0 ≥22.0

实测 355 216 287 合格 6.2 28.3

2.1.2粉煤灰

本文采用二级粉煤灰，密度2.1g/cm3，相关术指标见表2-2：

表2-2粉煤灰技术指标

检验项目 细度/% 需水比 烧失量/% 含水率

规定 ≤25.0 ≤105 ≤8.0 ≤1.0

实测 15.8 96 5.8 0.5

2.1.3发泡剂

技术规程规定发泡剂的稀释倍率不小于100，标准泡沫密度宜为40kg/m3～60kg/m3。本文采用松香热聚物（KC-15）作为发泡剂，严禁使用动物蛋白发泡剂。常见的发泡剂性能见表2-3：

表2-3常见几种发泡剂性能

发泡剂种类 十二烷基苯磺酸钠 松香皂 松香热聚物 动物蛋白

PH 6～8 7～9 7～9 6.5～8

发泡倍数 30 28 26 22

1h泌水量 140 120 130 40

1h沉陷距 40 32 35 5

2.1.4其他

集料一般指为砂，粒径不宜超过5mm；拌和水中不能含有影响泡沫稳定性、泡沫轻质土强度耐久性的有机物、油污等。

2.2正交配合比设计

正交设计具有“均匀分散性”和“整齐可比性”的优点。由于均匀分散，正交设计可以大幅节省试验次数，使每一个试验点有很好的代表性；由于整齐可比，正交设计便于做方差分析，在水平数不大时易于估计每个试验因素的主效应和因素间的交互效应。

2.2.1正交因素

本试验采用3个水平3个因素的正交试验，按L9（34）设计，以胶凝材料、粉煤灰掺量和水胶比3个因素进行研究，每个因素取3个水平，胶凝材料以A表示，粉煤灰掺量以B表示，水胶比以C表示，详细情况如表2-4：

表2-4正交试验因素与水平

水平 因素

A B C

胶凝材料（kg/m3） 粉煤灰掺量（%） 水胶比

1 320 20 0.55

2 350 30 0.65

3 380 40 0.75

正交设计如表2-5所示：

表2-5正交L9（34）设计

试验号 A（kg/m3） B（%） C

1 2 3 4

1 1（320） 1（20） 1（0.55） 1

2 1（320） 2（30） 2（0.65） 2

3 1（320） 3（40） 3（0.75） 3

4 2（350） 1（20） 2（0.65） 3

5 2（350） 2（30） 3（0.75） 1

6 2（350） 3（40） 1（0.55） 2

7 3（380） 1（20） 3（0.75） 2

8 3（380） 2（30） 1（0.55） 3

9 3（380） 3（40） 2（0.65） 1

對28d抗压强度进行极差分析，如表2-6所示，28d抗压强度与各因素的关系如图2-1～图2-3所示：

表2-6 极差分析结果表

试验号 1（A） 2（B） 3（C） 4 抗压强度/MPa

1 1 1 1 1 0.35

2 1 2 2 2 0.61

3 1 3 3 3 0.55

4 2 1 2 3 0.98

5 2 2 3 1 0.85

6 2 3 1 2 0.35

7 3 1 3 2 0.97

8 3 2 1 3 0.47

9 3 3 2 1 0.90

I 1.51 2.30 1.17 2.10

T=6.03

II 2.18 1.93 2.49 1.93

III 2.34 1.80 2.37 2.00

K1 0.50 0.77 0.39 0.70

K2 0.73 0.64 0.83 0.64

K3 0.78 0.60 0.79 0.67

R 0.28 0.12 0.44 0.06

注：I、II、III为各水平相应的3次试验强度之和；K1为I的平均值；R为极差。

图2-1凝胶材料用量（kg/m3）对抗压强度的影响

图2-2粉煤灰掺量（%）对抗压强度的影响

图2-3水胶比对抗压强度的影响

1）从表2-6可知，4号抗压强度最大，其组合为A2B1C2；从极差结果来看，影响轻质土28d抗压强度的主次因素从大到小为：C>A>B。

2）从图2-1～图2-3可知，使得轻质土28抗压强度最大的组合为C2A3B1，与A2B1C2相比，主要区别为A，即胶凝材料用量，而A为次要因素，从380kg/m3降到350 kg/m3时轻质土强度降低幅度很小，故从节约原材料角度考虑可选A2。故最后确定最佳组合为 C2A2B1。

3）最终确定高掺量粉煤灰泡沫轻质土1m3各组成材料用量为：水泥280 kg/m3，粉煤灰70 kg/m3，水228 kg/m3，气泡率为63.8%。测得7d抗压强度0.43MPa，28d抗压强度0.83MPa，满足工程设计要求。

3工程应用

3.1试样的制备

1）制备泡沫轻质土之前，应先将适量的发泡剂按稀释倍率稀释好并置于发泡装置中，并事先根据标准泡沫密度调整好发泡剂水溶液的发泡倍率，用以随时发泡。发泡剂溶液在发泡装置中通过空气压缩机压缩，生成微小空隙的泡沫。发泡装置如图3-1所示：

图3-1发泡剂装置

2）规程中规定不得使用搅拌的方式发泡，原因是若搅拌速度过快会使泡沫破灭。但在试验条件有限的情况下，可以将发泡剂溶液放在800r/min高速下进行搅拌，然后再和水泥砂浆一起低速搅拌。

3）制备泡沫轻质土应用搅拌机拌和，拌和时室内温度为20℃～25℃。先将水泥、粉煤灰和水按设计配合比拌和，拌和时间不少于2min，然后加入泡沫再次拌和，再次拌和时间为2min，拌和料总量应不小于拌和机容量的20%。泡沫轻质土的制备总过程如图3-2所示：

图3-2泡沫轻质土制备过程

3.2工程施工

3.2.1事前控制

1）消泡试验

消泡试验的目的是为了测出最大湿密度，按照CECS249-2008现浇泡沫轻质土技术规程的方法进行消泡试验，测出最大湿密度ρmax，再算出湿密度增加率δ，规程中规定δ不超过10%。

2）抗压强度试验

如消泡试验的结果为δ不超过10%，则可以进行泡沫轻质土的抗压试验。试验方法应符合《蒸压加气混凝土性能试验方法》GB/T11969-2008的规定。

3.2.2事中控制

1）设备的要求

上文所述的发泡装置应采用压缩空气与发泡剂水溶液混合的方式生成泡沫，由此得到的泡沫体积大小才会均匀。高掺量粉煤灰泡沫轻质土制作设备应具有原材料自动化计量功能，在拌和制作高掺量粉煤灰泡沫轻质土时，应有调节水泥砂浆或泡沫流量的功能，材料计量精度应满足规范要求。设备单台泵送能力不应小于50m/h3，满足路堤大面积、大体积施工，达到水泥初凝前浇筑成块。

2）分区与分层浇筑

①浇筑区与浇筑层的划分

当路基纵横向尺寸较大时，单个浇注区顶面面积最大不应超400m2 ，以200m2～300m2为宜。施工平面单个浇注区长轴方向长度按20m为一个浇注区进行划分。浇筑层按每个浇注区路基高度进行划分，单层厚度宜在0.3m～1.0m范围内按0.5m控制，以保证单层浇注的正常施工时间在水泥浆初凝前完成。路床部位应按2×0.4m划分浇注层。设计有金属网的位置，应为浇注层分层界面。

②泡沫轻质土的浇筑

a、如施工地点在底下水位以下，应采取临时降水措施以保证基底无积水。

b、对于纵向与桥梁、通道相连的泡沫轻质土路基，应待桥梁桥面铺装完成后再进行泡沫轻质土的浇注施工，严禁在泡沫轻质土路基两侧修筑上行便道进行路面施工。

c、泡沫轻质土单个浇注区浇注层的浇注施工时间应控制在水泥浆初凝时间内。单个浇注层宜一次性浇注完毕，必要时最多分两次浇注，且两次浇注的间隔时间应控制在6h～24h。

e、同一区段上下相邻浇注层，当施工期气温不低于15～C，最短浇注间隔时间可按8～12h控制；否则浇注间隔时间应不低于2天。

f、应沿浇注区长轴方向自一端向另一端浇注；如采用一条以上浇注管浇注时，则可并排地从一端开始浇注，或采用对角的浇注方式。

g、浇注过程中，当需要移动浇注管时，应沿浇注管放置的方向前后移动，而不宜左右移动浇注管；如确实需要左右移动浇注管，则应将浇注管尽可能提出当前已浇注轻质土表面后再移动。

h、浇筑时出料口宜埋入泡沫轻质土内。进行扫平表面时，应尽量使浇注口保持水平，并使浇注口离当前浇筑轻质土表面尽可能低。

i、出料口在浇注过程中，不宜悬空。在移动浇注管、自出料口取样、扫平表面或需要冲散浇注区内多余的泡沫时，出料口离当前泡沫轻质土流动表面的高差宜控制在lm以内。

3.2.3事后控制

1）成品保护

待高掺量粉煤灰泡沫轻质土终凝后，应在表面覆盖一次塑料薄膜并采取洒水养护。在泡沫轻质土没有达到规定强度之前，严禁车辆和重型机械上路。

2）硬化后的一般项目检验

泡沫轻质土硬化后要进行准干密度、顶面高程、平面位置及尺寸的检验：

①准干密度的检验方法参照CECS249-2008现浇泡沫轻质土技术规程的方法进行。准干密度检验合格标准应满足：ρn<ρw

式中：ρn——单组试件3个试块准干密度平均值或代表值（kg/m3）

ρw——湿密度设计值（kg/m3）

②高程采用水准仪测量，平面位置采用经纬仪测量，平面尺寸采用钢卷尺测量。顶面高程与设计高程之差不应超过5cm；平面尺寸以浇筑边界不小于设计边界为合格标准。

5总结与展望

本文对泡沫轻质土的材料组成，施工工艺进行了研究，得到了以下结论：

（1）对高掺量粉煤灰泡沫轻质土强度影响的因素显著性为：水胶比（C）>胶凝材料用量（A）>粉煤灰掺量（B），且存在一最优水胶比，最优水胶 比应控制在0.6～0.7，施工基准配合比：胶凝材料用量为350kg/m3，粉煤灰掺量为20%，水胶比0.65

（2）运用事前控制、事中控制、事后控制的过程及方法，监测全过程中的消泡率、湿密度等重要指标，由此确保了工程施工质量。

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