不同原料土的气泡轻质土制备与性能对比

2020-02-14孟祥军

价值工程 2020年1期

孟祥军

摘要：选用多种原料土制备气泡轻质土，详细的研究其物理力学性能。对比了不同比例原料土掺入时湿重度、流动度、无侧限抗压强度和造价的差异。结果表明：以机制砂制备的气泡轻质土的强度总体上大于河砂、淡化海砂和黏土质砂;在保证水固比不变的前提下，增加黏土质砂的掺入比例流动度增加，而抗压强度会减少小;在满足一定抗压强度下，选用黏土质砂时的造价最低。

Abstract： A variety of raw material soils are used to prepare bubble light soil， and their physical and mechanical properties are studied in detail. The differences of wet weight， fluidity， unconfined compressive strength， and cost when different proportions of raw material soils are compared. The results show that the strength of the bubble light soil made from machined sand is generally greater than that of river sand， desalinated sea sand， and clay sand; and under the premise of ensuring that the water-solid ratio is constant， increasing the proportion of clay sand increases the fluidity， but the compressive strength will be reduced; under certain compressive strength， the cost of clay sand is the lowest.

关键词：气泡轻质土;不同原料土;流动度;抗压强度;造价对比

Key words： bubble light soil;different raw material soils;fluidity;compressive strength;cost comparison

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）01-0197-03

0 引言

气泡混合轻质土是一种新型的建筑材料，它是将一定比例的原料土、水泥、水、气泡、外加剂混合并搅拌均匀后形成的轻型材料，原料土可以选择工程废土、矿渣颗粒等[1]。由于该材料具有轻质性、强度可调节性、可泵送和固化后的自立和隔热保温性等优良特性，在实际工程建设中应用十分广泛，如软土地基处理，路基土回填，寒区冻土路基隔热保温和冻土置换及道路加宽等[2]。自20世纪80年代末期气泡混合轻质土研制成功以来[3]，其工程性质一直为国内学者和工程界所关注。

目前，气泡轻质土在国内外已经取得了大量的研究成果，周云东等[4]通过研究发现，水泥掺量和密实度是影响气泡轻质土试样的强度主要因素，并且早期强度受温差和温度的共同影响。章灿林等[5]研究了不同原料土掺入对物理性能和耐久性的影响。何国杰等[2]通过研制不同种类的发泡剂，选择黏性土为原料，研究了发泡剂对湿重度和强度的影响。在酸碱腐蚀方面，顾达欢等[6]研究对气泡混合轻质土的强度和稳定性在酸雨作用下的变化。然而，在实际工程应用中，制备气泡轻质土选用的原料土和发泡剂多数会考虑到运输方便和经济等因素。本文中原料土选用福建地区的黏土质砂、机制砂、淡化海砂和河砂，发泡剂选用施工中常见的复合型发泡剂，以此来制备不同配合比下的气泡轻质土，并且测试其流动度和强度等性能，通过对比选出最优配合比以应用于实际工程中。

1 试验

1.1 原材料及仪器

水泥固化剂：建福牌PO42.5普通硅酸盐水泥，福建永安建福水泥有限公司;

发泡剂：复合型发泡剂，潍坊宏金镒机械设备有限公司;

水：自来水;

原料土：机制砂、黏土质砂、河砂、淡化海砂。

本次试验的仪器主要包括：WDW-50电子万能试验机;JJ-5型水泥砂浆搅拌机;100·100·100mm试模;筛分机;550-8L空气压缩机等。

1.2 配合比设计

本次试验的目的是为了满足工程建筑中的实际需求并能合理的降低预算，所制备的气泡轻质土的湿重度为8kN/m3。试验所选取的原材料中包括工程中常做为集料的机制砂、河砂、黏土质砂和淡化海砂。其中以机制砂、河砂、淡化海砂和黏土质砂为原料土的掺入量为0%、25%、33%、40%、50%，所对应的水泥掺量为100%、75%、67%、60%、50%。记机制砂为A组，河砂为B组，淡化海砂为C组、黏土质砂为D组。

水固比是影响流动度的一个重要因素，随着水固比增大，流动度就会增加。当流动度超过200mm，水泥的胶结作用在未充分发挥出来的时候试样就已经出现分层的现象，这导致泡沫、水、水泥和砂体的混合物分离。其中机制砂、河砂、淡化海砂的细粒组（粒径<0.075mm）含量较低，吸水性能力较差，所以为了防止出现上述的分层现象和获得满足工程建设中的需求，在适当的在增加原料土的同时降低水固比。经过多次调试所选取的水固比分别为0.5、0.43、0.39、0.35、0.32。而由于黏土质砂的细粒组（粒径<0.075mm）含量为35.5%，增加原料土的比例，但水固比為0.5不变，以研究流动度的大小和原料土掺量之间的关系。具体配合比如表2和表3所示。

1.3 样品制备流程

本次气泡混合轻质土的制备流程如图1所示。

根据设计的配合比称取一定比例的原料土倒入搅拌机内，再掺入一定量的胶凝材料和减水剂粉末，搅拌2min使其混合均匀，再接着倒入自来水搅拌3min使材料均匀混合形成浆料，最后将发泡剂与自来水按1∶60的质量比稀释后，用压缩空气法使其形成泡沫，再注入搅拌机，搅拌3-5min使气泡均匀分散，注意加入泡沫时要少量多次添加，以防止制备的轻质土重度偏小。

将模具涂上油性脱模剂以便脱模，再把制备完成的轻质土倒入100×100×100mm的试模中用抹刀刮平（试样略高于模具）后盖上保鲜膜且放置在20±2℃室温下养护，待24h后脱模，如图2和图3所示，并将试件放置于标准养护条件下进行密封养护至各个试验所需要的时间后进行相应的实验并记录，以比较抗压强度的差异。

1.4 试验内容

1.4.1 流动度

流动度的大小是气泡轻质土的重要指标，将直接影响现场的泵送距离和高度。试验中流动度依照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程CJJ/T177-2012》[6]的规定测量，即流动度范围应该在180±20mm。流动度过大会出现上述的分层的现象，过小会导致在搅拌过程中出现消泡和蜂窝状塌模。

1.4.2 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是反映试块的物理性能和最重要的力学性能指标。本次试验通过改变轻质土制备时多种原料土的掺入比例，以研究不同因素影响下对气泡混合轻质土强度的影响。抗压强度测试按照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程CJJ/T177-2012》进行。

2 实验结果分析

为了防止出现偶然现象导致试验数据的错误，每组试验列3组平行试验。试验中测试的流动度、湿重度和养护至规定日期后的强度，如表4～表7所示。

2.1 流动度结果分析

在A、B、C三组中，每组的水固比都有在变化，即随着原料土掺入量的增加，水固比在适量的降低，这样得到的流动度能够满足180±20mm的要求。在相同的原料土掺入下的A组、B组、C组的流动度均有差异，说明轻质土试样的流动度受到掺入原料土的影响。

相对于前三组，黏土质砂D组的水固比为0.5，从表6中可以看出流动度随着原料土的比例增加而增大，最小值为179mm，最大值为196mm，均满足流动度的要求。原料土的掺入比例从0%到50%，流动度数值从179mm上升到196mm，变化仅19mm，尽管说明黏土质砂的吸水性不如水泥好，但是两者的吸水性相差不大。轻质土试样的流动度受到掺入原料土的影响。

2.2 无侧限抗压强度分析

气泡轻质土试块的无侧限抗压强度受到原料土不同和其掺入量的影响，每组的7天强度和28天强度的点线图，如图4和图5所示。

由图4和图5可见，尽管A、B、C三组的水固比在变化，但是从整体上看，随着轻质土的掺量增加，相应的水泥含量就减少，其强度的明显降低，原料图掺入比例是影响抗压强度的主要因素，这一结论更可以从水固比不变的D组加以证实。

就28天强度和7天强化度的比值η来看，机制砂的ηA=1.06～1.67，平均值为1.26;河砂的ηb=1.28～1.60，平均值为1.47;淡化海砂的ηc=1.28～1.64，平均值为1.40;黏土质砂的ηd=1.28～1.8，平均值为1.52，虽然原料土的掺入不同，但是整体上而言，其分布基本在一定范围内，两者基本呈线性关系。用7天强度来预估计28天强度的目的是为了满足实际工程的需求，为后续的试验减少一定的工作量。

3 造价对比

以路基填筑材料对强度的要求为例，在路面层以下0～0.8m时抗压强度的要求应不小于0.8MPa，当安全系数为1.05时，抗压强度应大于等于0.84MPa，此时在上述实验中的大部分的配合比均满足强度和流动度要求，但以经济性考虑选取A5、B4、C4、D5进行原料土和水泥造价初步的估计，如表8所示。

由表8可见，仅估计了掺入的原料土和水泥的价格，未涉及其他的因素，这是由于每制备1m3的气泡轻质土所需要的水和发泡剂的价格很低，故单从原料土和水泥的总造价可以看出在满足抗压强度和流动度要求的情况下，黏土质砂的价格最低，约为124元/m3。

4 结论

①相同配合比下，以机制砂为原料土制备的气泡轻质土的抗压强度整体会高于淡化海砂和河砂。

②相同配合比下，流动度大小受到原料土的种类不同的影响，当在水固比为0.5不变时，流动性随着黏土质砂掺入比例的增加而增大，但整体变化不大。但是掺入的黏土质砂的比例越大，抗压强度越小。

③28天强度和7天强度的比值η介于1.2～1.6，可以通过7天强度得出28天强度的参考值。

④通过对轻质土造价的对比可知，掺入50%黏土质砂所制备的气泡轻质土即能满足抗压强度和流动度的要求，又能使得造价最低。

参考文献：

[1]陈忠平，王树林.气泡混合轻质上及其应用综述[J].中外公路，2003，23（1）：117-120.

[2]何国杰，丁振洲，郑颖人.气泡混合轻质土的研究及其性能[J].地下空间与工程学报，2009，25（1）：18-22.

[3]三岛信雄，长尾和之.気泡セメント盛土工法（FBC工法）の研究[J].土木学会志，1994（1）：18-21.