气泡制备因素对河道淤泥气泡混合土性质的影响研究

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(苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011)

气泡制备因素对河道淤泥气泡混合土性质的影响研究

李荣贺,顾欢达

(苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011)

为考察气泡制备因素对河道淤泥气泡混合土性质的影响，以河道淤泥为原料土，通过对不同发泡剂成泡品质考察及发泡剂的优化配合设计，采用对比试验的方法，对河道淤泥气泡混合土的物理力学性质进行了研究。试验结果表明:不同类型的发泡剂及发泡剂成泡品质对混合土性质影响明显，所选蛋白发泡剂在料浆中稳泡性变差，不满足密度要求；在同等密度下，气泡品质好的F型发泡剂制备的轻质土，其强度、破坏应变和E50均高于K12A型。这种具备稳泡性好、发泡倍数不易过低、成泡较均匀、可与料浆共存的成泡品质，有利于轻质土综合性能的提升。

河道淤泥；气泡制备;轻质土；发泡剂；强度；密度

1 研究背景

我国海洋面积广阔，河流湖泊众多，在港口清淤、河道疏浚、生态清淤、抗洪整治等方面，每年都有大量的疏浚淤泥产生[1]。 通常淤泥具有含水量高、强度低、腐殖质含量大等特征，一般不作处理很难直接应用[2]。大量清淤出来的淤泥若不及时处理，一方面会对生态环境造成影响，另一方面不加以利用是一种资源浪费。如何处理清淤出来的淤泥，已成为各界关心的问题。实际情况表明，清淤以及对清出淤泥的后期处理，通常需要投入大量的人力物力资源。因此，将淤泥资源化再利用对于建设可持续发展的环保型社会，具有明显的积极意义。实际工程中，利用淤泥含水量高以及流动性好的性质，以其为原料土制备成流动性满足施工要求的气泡混合轻质土，既可以实现资源的再生利用目的，又可以满足日益紧缺的建设用土需要[3]。为此，开发以河道淤泥为原料土，制备河道淤泥气泡混合土并进一步考察其工程性质是否满足工程要求具有重要的工程意义及社会价值。

国内对淤泥轻质土研究起步较晚，大多数以塑料泡沫颗粒做为轻质材料,朱伟等[4]对疏浚淤泥泡沫塑料颗粒轻质混合土的抗剪强度特性进行了研究；卞夏等[5]对混合土密度、强度的影响因素进行了研究；沙玲、金菲力等[6-7]研究了淤泥再生混合轻质土的强度及变形特性；顾欢达等[3，8-9]对以河道淤泥为原料土的气泡混合轻质土的基本工程性质及稳定性进行了研究。而关于气泡制备因素对河道淤泥气泡混合土性质影响的相关研究尚未见报道。

气泡混合轻质土制备的关键在于气泡的品质，其指标主要包括发泡剂的发泡倍数，成泡后的稳泡性，成泡均匀性及尺度等。国外，三嶋他[10]的研究表明，气泡轻质混合土的密度随着硬化前的消泡而增加。国内的张志允等[11]研究得出气泡稳定性越好，气泡混合轻量土密度越小的结论，并在气泡混凝土的研究过程中发现，成泡的均匀性一方面影响气泡的稳定性，另一方面，气泡是形成气泡混凝土多孔结构的主要因素，气泡越均匀，所形成多孔结构均匀性越好，有利于应力在土体结构中的分布，强度发挥越好。通常，土中>1 mm的孔隙是土体应力集中的主要来源，所以在制备气泡时，应尽量避免>1 mm大泡的产生。通过考察气泡对水泥浆料的影响发现，有些情况下气泡对水泥料浆有缓凝的作用，有些发泡剂在与水泥料浆混合前成泡性较好，但成型后的混合料综合性能较差[12]。因此，在实际工程中为了获得比较理想的气泡混合轻质土，提高河道淤泥气泡混合土的品质，需要综合考察发泡剂的性能，其中成泡稳定性是衡量发泡剂质量的重要指标；同时结合发泡倍数、成泡均匀性等指标综合优化筛选出性能较好的发泡剂也十分重要。

2 发泡剂性能试验及复配优化

目前，常用的发泡剂主要有植物蛋白型、动物蛋白型、复配型等多种类型。不同类型的发泡剂在成分及配合条件不同的情况下，成泡效果及成泡质量不尽相同。国外对发泡剂的研究较早，技术比较成熟，发泡剂产品主要以具有发泡倍数大、稳定性能好、气泡不易破裂等特点的蛋白质类发泡剂为主；在国内随着气泡混凝土的开发应用，先后开发出松香树脂类、表面活性剂类、动植物蛋白类和复合类等发泡剂型，目前四代并存。前3类发泡剂，各自都存在一定缺陷，如松香类发泡剂稳泡性与起泡力均较差;阴离子表面活性剂发泡性好但稳泡性不足;蛋白类发泡剂稳泡好但发泡倍数低;复合类发泡剂采用多元复配优化，有效解决单一成分发泡剂性质指标不全面的问题，使发泡剂的综合性能得以提升。

2.1 发泡剂成泡性能检验方法

反映发泡剂性能的指标通常由发泡剂的起泡性和稳泡性2部分组成。关于影响气泡稳定性的影响因素，可根据气泡形成和破坏机理进行考察。一方面，单个气泡由泡沫水膜和内部包裹的空气组成，泡沫水膜实质是定向排列的双分子水膜，由表面活性分子组成，单个气泡表面活性剂分子由疏水亲油的非极性基团和亲水疏油的极性基团所组成，表面活性剂分子的定向排列，对表面张力的降低作用以及液面吸附性决定了泡沫的形成；另一方面，液膜的重力排液和大小气泡接触造成的泡内气体扩散是泡沫破坏的主要原因，整个泡沫由气相和液相两部分组成，液相密度大于气相密度，在重力的作用下，使得液膜中的水向气泡下部流失，而上部液膜变薄，最终泡沫破裂，在制备气泡的过程中，不可能使制备的气泡尺度完全一致，当气泡相互接触时，根据young-laplace公式附加压力与曲率半径成反比的原理，小气泡中的气压大于大气泡中的气压，小气泡中的气体透过液膜向大气泡中扩散，小气泡变小甚至消失，而大气泡尺度变大，气泡膜变薄，最终导致气泡破裂。

研究中采用的发泡剂原料主要包括发泡剂(十二烷基硫酸铵为阴离子表面活性剂，简称K12A，分子式：C24H54NO4)与稳泡剂(硅树脂聚醚乳液，简称MPS；羟甲基纤维素钠，简称CMC，分子式：[C6H7O2(OH)2CH2COONa]n)。采用发泡倍数指标测试发泡剂的发泡性能，用气泡半衰期来检验发泡剂成泡稳泡性，其中发泡倍数指泡沫体积与发泡剂溶液体积的比值，气泡半衰期指气泡质量减少50%所对应的时间。将K12A分别以0.1%,0.3%,0.5%,0.7%,0.9%,1.1%的浓度配制成发泡剂母液，用实验室自制发泡机制取泡沫，将泡沫放入1 100 mL量筒中，通过测试发泡倍数和半衰期确定K12A最佳浓度，并以其最佳浓度为基础，分别添加不同的稳泡组分进行发泡剂的复配研究。

2.2 检验结果

为了获得比较理想的复配型发泡剂，从气泡破坏机理出发，通过改善气泡的均匀性和气泡液膜的黏度，来达到提高气泡稳定性的目的，并结合气泡的发泡性能，制备出综合性能较为良好的发泡剂。气泡性能测试及改性研究成果如图1所示。

图1 气泡性能测试及改性研究Fig.1 Modification tests for foaming performance

图1(a)为不同K12A浓度条件下的发泡剂半衰期及发泡倍数的变化规律。试验结果显示:随着K12A浓度的增大，发泡剂的发泡倍数相应提高。在0%～0.7%浓度范围内增长比较明显;在0.7%～0.9%范围内增速减缓，仅增长11.5%;当浓度超过0.9%时发泡倍数不再上升，此时达到临界浓度;浓度继续增大，发泡倍数变化不大。分析其原因为：随着溶液浓度的增大，溶液中活性分子数量增加，溶液表面张力降低，发泡倍数随之提高，但达到临界浓度后，气液界面的表面吸附达到饱和，溶液表面张力不再下降，发泡能力反而有所降低。

根据气泡半衰期随K12A浓度的变化可进一步考察发泡剂的成泡稳定性。从图1(a)还可以看出:气泡半衰期在0.1%～0.9%范围内有先快后慢的变化趋势;当浓度为0.9%时，曲线出现拐点，半衰期开始下降。原因是低浓度时，气泡含水较高泌水较多且液膜仅为单分子膜，半衰期较低；随着浓度的增加，气泡的含水降低且附着在气泡膜上的活性剂分子增多，气泡与空气接触，形成致密的双分子液膜，气泡稳定性上升。达到临界浓度后，浓度增大，使得气泡膜壁质量和厚度增大，膜壁排液速度加快，膜壁弹性减弱，半衰期下降。综合发泡倍数及稳定性因素，可以认为0.9%的K12A浓度为比较理想的复配浓度。

但此时气泡膜黏弹性、稳定性仍有不足，泡沫均匀性较差，混有>1 mm的大泡，导致土体中易形成大孔隙，因此，需要对K12A进行改性研究，以改善其稳定性和气泡的均匀性。为此，以K12A理想浓度(0.9%)与不同浓度的MPS进行复配试验，确定MPS的最佳浓度。图1(b) 显示：当MPS质量浓度为0～0.05%时，泡沫半衰期增长较为显著，增长60%，发泡倍数下降了13.8%；随后半衰期以约4.7%的增长率缓慢增长，而发泡倍数同样降低程度较低；当MPS浓度为0.10%时，半衰期达到最高，而发泡倍数下降并不很明显，可以认为是比较理想的MPS浓度；随着MPS浓度继续增加，发泡能力显著降低，同时稳泡性也在降低。

MPS能够改变分子内部排列顺序，使气泡之间紧密整齐地排列，所形成的内层膜较致密，改善气泡液膜结构，同时液膜上的表面活性剂分子开始有秩序地分布，提高气泡的自修复能力和弹性，泡径不断减小，大小分布更均匀，从而提高气泡的稳泡性。根据以上试验结果，在后期试验中选取MPS浓度为0.10%。此时发泡倍数约为24倍，半衰期为67 min。

为了进一步提高发泡剂的成泡品质，在K12A浓度为0.9%、MPS浓度为0.1%的基础上，与不同浓度的羧甲基纤维素(提高液相黏度，进一步提高泡沫稳定性)进行复配试验，以确定羟甲基纤维素的最适宜含量。

图1(c)为不同CMC含量情况下发泡倍数与半衰期的变化情况。图1(c)结果表明:随着CMC含量的增加，气泡稳定性改善较为显著，这是因为CMC能够增大溶液黏度，降低气泡的排液速度，使得液膜的黏弹性提高，减小了气泡的透气性，抑制气泡变薄，从而提高气泡的稳定性。但同时随着CMC掺量增大，发泡倍数有所降低。在满足气泡稳定性的同时，发泡倍数不宜过低。根据试验结果可以认为，在CMC含量为0.15%时，发泡倍数约为21倍，半衰期为106 min，此时，既可以保持比较高的发泡倍数，又能获得比较好的稳泡性能。为便于使用，将上述复配型发泡剂记为F型发泡剂。

3 河道淤泥气泡混合土性能

为了检验气泡制备因素对气泡混合轻质土性质的影响，以河道淤泥作为原料土，以室内经复配优化得到的F型发泡剂及其他常用发泡剂分别制备河道淤泥气泡混合土，通过比对试验考察其物理力学性质，并在此基础上进一步探讨气泡制备因素对河道淤泥气泡混合土性质的影响。

3.1 试验原料及配比设计

试验所用原料土为苏州某河道淤泥质土，先过4.75 mm的网筛，去除淤泥中的杂质，通过室内土工试验，得到原料土的基本物理指标如表1所示；所选用的发泡剂有K12A，复配发泡剂F、市售某动物蛋白型发泡剂，经测试各发泡剂的理想性能如表2所示;原料土的颗粒级配曲线如图2所示,水采用普通自来水，固化剂为PO42.5普通硅酸盐水泥。

表1 原料土的物理性质指标Table 1 Physics parameters of original river sludge

表2 各发泡剂的性能Table 2 Performance of foaming agents

图2 淤泥的颗粒级配曲线Fig.2 Gradation curve of sludge

试验中各组成材料的配比以干土质量为标准，气泡掺入比为气泡质量与干土质量的比值，水泥掺入比为水泥质量与干土质量的比值，含水率指掺入水之后包含原料土中的水的质量与试样干土质量的比值。试验重点考察不同类型的发泡剂对河道淤泥气泡混合土物理力学性质的影响，试验配合方案如表3所示。

表3 不同材料试验方案Table 3 Design of material proportions

3.2 试样制备及试验方法

根据表3试验方案，先将水加入原料土中，对原料土的含水量进行调整，用搅拌机搅拌，使土与水混合均匀；再加入水泥，搅拌均匀，最后加入预制的气泡，通过搅拌直至气泡完全融入到水泥土料浆中。将混合料装入内径3.91 cm，高7.8 cm的模具，浆体分3层装入模具，每层沿模具4个方向各震动30次，保证密实，每个试样至少制备3个平行样，然后置于标准养护室养护24 h后脱模，再将试样继续养护至试验龄期。

为测定其密度，对每种配比制成的3个试样称量其质量，并测得密度ρ，其公式为

ρ=M/V。

(1)

式中：V是试样体积(cm3)；M为试样质量(g)。当满足任何2个试样的密度差Δρ<1%，即可认为制成的试样比较均匀，可用于后续试验。

强度试验主要采用无侧限抗压强度仪，试验中轴向应变速率约为1 mm/min。

3.3 试验结果分析

河道淤泥气泡混合土的密度ρ、强度qu、气泡掺入比ωe三者之间的关系曲线如图3所示。

图3 河道淤泥气泡混合土试验结果Fig.3 Relations among density, strength, and bubble ratio of the foamed mixture soil using river sludge

密度指标是控制河道淤泥气泡混合土质量的重要因素。制备气泡的品质指标如发泡倍数、气泡均匀性及稳泡性等对气泡混合土密度影响明显，在相同的气泡掺入比条件下，气泡不均匀造成大尺度气泡过多或消泡过多将使得成型后的气泡混合土密度增大而影响轻量化效果。

图3(a)为3种不同发泡剂制备的河道淤泥气泡混合土密度变化情况。随着气泡掺入比的增大，土样密度在不断降低，但不同的发泡剂在相同掺量下对密度的影响不同，K12A对密度的降低效果较为明显，最大降幅20.7%，F型次之为19.4%，蛋白发泡剂效果最差，仅为5.4%。由于K12A的发泡倍数相对于其他2种发泡剂较大，相同质量的泡沫掺入的体积较多，制得的轻质土密度较小，但相比于F型，其密度的降低程度并不是很明显。K12A发泡剂在搅拌过程中，由于稳定性较差，部分泡沫破灭，且在水泥土料浆中，稳定性也较低；相对于F型泡沫，破坏较多。所选市售蛋白型泡沫在掺入料浆之前，稳定性较好，但在水泥土料浆中并没有表现出良好的稳定性，泡沫大量破灭，效果较差，且蛋白发泡剂溶液相对于其他2种发泡剂溶液浓度较高，因而成本较高。

强度发挥是衡量河道淤泥气泡混合土能否满足工程要求的重要指标。在实际工程中，为了满足低地基承载力条件或降低侧向压力的轻量化要求，往往需要在满足强度发挥指标的前提下尽可能降低气泡混合土的密度，因此，在同等强度条件下气泡混合土密度越小越有利。同样，在相同的气泡混合比条件下，气泡分布越均匀及气泡尺度越小越有利于气泡混合土的强度发挥。

由图3(b)可以看出，不同发泡剂制得的轻质土，其强度都随着气泡掺入比的增大有不同程度的降低。气泡置换了相同体积的水泥土，气泡的增加，使得单位体积内土骨架逐渐减小，强度降低；同时在气泡掺量较低时，泡沫在水泥料浆中分布较为均匀，所形成的孔壁较厚；随着气泡掺量的增加，孔壁逐渐变薄，所形成的薄弱面增多，强度降低；同时可以看出，蛋白型轻质土受气泡掺入比的影响很小，最大降幅为21.2%，F型次之为51.3%，K12A型轻质土受气泡掺入比的影响最大，最大降幅为64.3%。分析的原因为:蛋白型泡沫在料浆中大量破灭，所置换的水泥土体积较小，密度大，土骨架占比多，导致虽然强度较高，但达不到轻量化的目的;K12A发泡剂制备的泡沫的黏弹性不足、大小不均匀且泡径>1 mm的大泡较多，在轻质土中形成较多的大孔隙，应力集中使得强度降低明显，不利于强度的发挥;F型泡沫大小均匀，稳泡性能好，所形成的气孔大小差异不大，应力在土样中均匀分布，在保持比较好的轻量化特征的同时，具备较好的土强度发挥特性。

图3(c)为上述3种轻质土密度与强度的关系。同等密度下，F型强度高，K12A型次之，蛋白型最差。三者强度差异在不同的密度阶段表现不同：当密度>1.45g/cm3时，差异较小，原因可能为此阶段掺入气泡较少，K12A均匀分散于土体中，所形成大孔较少；在密度为1.35～1.45g/cm3之间，强度差异增大，原因可能为K12A掺量增大，大泡增多，与稳定性好的F型相比，强度降低较多；在密度<1.35g/cm3时，强度差异有减小的趋势，原因可能为随着气泡继续增多土骨架进一步被削弱，水泥的固化作用减小明显，密度差异开始变小。

根据无侧限抗压强度试验过程中应力-应变关系，可以进一步分析不同发泡剂类型对河道淤泥气泡混合土的变形性质的影响。

图4为几种不同配比条件下的应力-应变关系。结果显示:气泡掺入比为1%时，不同发泡剂对轻质土应力-应变曲线影响不明显;随着气泡掺入比增大，影响逐渐明显，蛋白型初始弹性模量最大，破坏峰值强度高，K12A型初始弹性模量最小，破坏峰值强度最小。同时随着气泡含量的增加，气泡轻质土的弹性模量逐渐减小，破坏峰值强度逐渐降低，破坏形式由脆性破坏逐渐变成延性破坏。

图4 气泡轻质土应力-应变关系Fig.4 Stress-strain curves of the foamed mixture soil using river sludge with different material proportions

图5(a)为3种轻质土的E50(割线模量E50为曲线峰值点对应轴向应变的一半处所对应的点与原点连线的斜率[13-14])随密度的变化。对E50随密度的变化进行拟合，结果显示:E50与密度有良好的线性相关性，F型、K12A型、蛋白型拟合度分别为0.951 93,0.907 66,0.950 37，E50随密度降低而线性降低;同时，在同等密度下，F型轻质土的E50最大，蛋白型最小。通过图5(b)可以看出：破坏应变受密度的影响不大，但总体可以看出，F型轻质土破坏应变在1.4%～1.8%之间，K12A型在1.2%～1.5%之间，蛋白型在1.3% ～1.9%之间;同等密度之下，F型较K12A型破坏应变大。

图5 密度与E50和破坏应变的关系Fig.5 Relations of density vs. E50 and strain at failure

由于气泡轻质土是由气泡代替水泥土所形成的结构，土体中由气泡所形成的空隙具有一定的变形储备，随着荷载逐渐增大，气孔不断被压缩，当所承受的荷载超过气孔的极限承载力后，气孔就会被压坏，更容易形成连通孔，产生微裂缝，微裂缝向相对薄弱的部位延伸，沿着土骨架的薄弱部位不断地发展，使得土体承重能力降低。特别是在气孔不均匀的K12A型轻质土中，应力集中更容易发生，使得强度较低，同时抵御变形的能力也较弱。

4 结 论

通过对发泡剂的改性研究，制备出性能较好的发泡剂，并对阴离子型、蛋白型、复配型发泡剂对气泡混合土性能的影响进行论证考察，得出以下结论。

(1) 对发泡性好、稳泡性和均匀性较差的K12A进行复配优化，制备的发泡剂F，其泡径较小、气泡群较为均匀、气泡膜黏弹性较高，综合性能较好。

(2) 气泡应与轻质土料浆共存，所选蛋白发泡剂，其气泡在掺入料浆之前稳泡性较好，但在料浆中破灭严重，所得制品不满足密度要求，且成本较高。

(3) 通过对轻质土密度、强度、变形特性的研究，试验结果显示:随着气泡含量的增大，轻质土的密度和强度均降低，脆性破坏向延性破坏发展;同等气泡掺量下，K12A与发泡剂F对轻质土密度的降低程度差异较小，但K12A型轻质土强度相对于F型降低较多;同等密度下，F型强度、破坏应变和E50均高于K12A型，复配型发泡剂表现出良好的性能。

(4) 稳泡性是制备轻质土的主要因素，发泡倍数需满足经济指标为次要因素，同时泡沫群要兼具自身的均匀性、与混合土料浆的共存性。气泡液膜黏弹性满足要求、稳定性较好，同时气泡不受料浆的影响，不容易在料浆中破灭或者融合成大泡，则有利于土密度的降低，强度、变形的发挥，提高轻质土的综合性能。

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(编辑：姜小兰)

Influence of Bubble Preparation Factors on Properties ofFoamed Mixture Soil Using River Sludge

LI Rong-he, GU Huan-da
(School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011,China)

The aim of this research is to investigate the influence of bubble preparation factors on the properties of foamed mixture soil using river sludge. We examined the foaming performance of different foaming agents and prepared a mixed foaming agent F by optimizing the proportions of foaming agents. On this basis, we analyzed the physical and mechanical properties of the foamed mixture soil with river sludge as raw material through contrast test. Results showed that different types and qualities of foam agents have apparent influence on the properties of the mixture soil. Protein foaming agent is of poor ability in stabilizing foams, hence could not meet density requirement. Under the same density, the lightweight soil prepared by foaming agent F is superior to that by foaming agent K12A in terms of strength, strain at failure andE50. In conclusion, good performance of foam-stabilization, expansion rate of foam, uniform bubbles, and co-existence with soil slurry would be beneficial to improving the comprehensive performance of light-weighted soil.

river sludge; bubble preparation; light-weighted soil; foaming agent; strength; density

2016-06-15；

：2016-09-30

国家自然科学基金项目(51378327)

李荣贺(1989-)，男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事软土地基处理及技术应用方面的研究，(电话)18206200631(电子信箱)lrh3050@sina.com。

顾欢达(1958-)，男，江苏无锡人，教授，博士，主要从事软土地基处理技术及原理方面的工作，(电话)0512-68786743(电子信箱)ghdgx@163.com。

10.11988/ckyyb.20160612

2017,34(9):137-141,149

TU411

：A

：1001-5485(2017)09-0137-05