两种泡沫轻质土的性能试验对比研究

刘 宝 铸

(中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济南 250399)

1 概述

泡沫轻质土作为一种新兴的工程材料，目前广泛应用于工程建设领域。其采用空气压缩机产生压缩气体通过发泡剂水溶液生成泡沫，与水泥、外加剂、原料土等混合均匀，经过自然养护后形成的一种轻质工程材料[1]。其优势在于施工时间短、施工高效高、施工作业面小等[2]，对于解决桥头跳车、降低软土地基回填土重量、公路扩建方面有着显著的优势及经济效益[3]。

自20世纪80年代后期日本等国研发泡沫轻质土以来，国内外学者对其均已取得显著成果。陈忠平等[4]通过大量实验证实了泡沫轻质土的优势和工程应用特点，并阐述了在实际工程建设中泡沫轻质土具有十分显著的效果。章灿林等[5]通过调整原料土掺入量，研究泡沫轻质土的基本性能，并对耐久性进行了研究。梁朋涛等[6]通过不同类型的气泡，原料土不同掺入比来研究泡沫轻质土的吸水性和抗干湿循环能力。裘友强等[7]发现掺入一定比例的粉煤灰能提高泡沫轻质土的性能。并且采用粉煤灰替代部分水泥有利于成本的控制、保护环境，而且能降低泡沫轻质土的流动性和增大其无侧限抗压强度。然而，在实际工程应用中，可以混合粉煤灰和减水剂等来制备泡沫轻质土，在满足工程上对轻质土性能要求下，降低造价。

2 试验过程

2.1 试验材料及设备

原料土：黏土质砂、淡化海砂，如表1所示。

水泥：P.O42.5，政和华厦水泥有限责任公司。

发泡剂：复合型水泥发泡剂，厦门金质建材有限公司。

减水剂：聚羧酸型减水剂粉末。

粉煤灰：F类粉煤灰。

试验设备：KL-20T微机控制电子万能试验机；水泥砂浆搅拌机；全自动蒸汽发生器；100 mm×100 mm×100 mm三联试模。

表1 原料土性能

2.2 配合比设计

原料土为淡化海砂试验设计中，每组均掺入适量减水剂，并调整水固比以使轻质土湿重度和流动度满足《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》[8]的要求，在此基础上再掺入一定比例粉煤灰，然后进行性能测定，确定最佳配合比，并具有一定经济效益。

原料土淡化海砂的掺入比例占水泥与淡化海砂质量的0%,25%,33%,40%,50%，减水剂占水泥质量的0.05%，水固比分别为0.40,0.32,0.30,0.28,0.23，如表2所示。

原料土为黏土质砂掺入比为20%，23%，粉煤灰等质量掺入比例为15%，20%，25%。黏土制砂掺入比例为40%，减水剂占水泥质量的0.05%，水固比0.25，如表3所示。

试样制作过程按照现有规程进行，将原料土、减水剂粉末、粉煤灰、水、水泥搅拌均匀，加入气泡拌和至重度稳定后，将混合物倒入100 mm×100 mm×100 mm的三联试模具中24 h后脱模，密封后放入标准养护室养护至性能试验要求日期。

表2 淡化海砂配合比

表3 黏土质砂配合比

2.3 实验步骤

制备泡沫轻质土试验流程图如图1所示，实验室内制备泡沫轻质土，采用空气压缩机制取泡沫，使用水泥砂浆搅拌机拌和。首先称取设计比例的原料土、水泥和减水剂粉末倒入搅拌机内，搅拌1 min～2 min使其混合均匀，再注入水搅拌不少于3 min，用空气压缩机将空气注入稀释后的发泡剂形成气泡群，搅拌至稳定轻质混合物，搅拌过程如图2所示。在制备过程中应取样称取容重，取样时暂停搅拌机，且应尽量取搅拌机中央的拌和物，以防泡沫轻质土未搅拌均匀，不具有代表性，而影响轻质土的性能。

实验室内制备泡沫轻质土过程中，需将模具涂上凡士林以便脱模，再将已混合完全的泡沫轻质土小心注入试模中并整平表面，用保鲜膜覆盖表面24 h以上后脱模，挑选无明显缺角的试块用塑料袋密封后，放入标准养护室养护至性能试验要求日期。

2.4 实验内容

2.4.1流动度试验

流动度试验依照现有规程进行，流动度结果应满足规程中要求，即180 mm±20 mm。流动度太大可能会在制备过程中出现离析现象，若流动度太小会导致试样在养护过程中出现大孔，影响后续实验内容。

2.4.2无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度测试应依照现有规程进行，加载速度为2 kN/s，直到试样破坏，记录峰值。

3 实验结果分析

选用的试验原材料为淡化海砂和黏土质砂，根据设计的试验的配合比来检测泡沫轻质土的流值、湿重度、无侧限抗压强度指标，试验结果如表4所示。

表4 实验结果

从表4可以看出，原料土为淡化海砂的流动度数值结果均落在180 mm±20 mm，本次试验有水固比和原料土掺量两个变量，两个变量均能影响流动度大小，故流动度结果与原料土掺量不能满足一定线性关系。

3.1 流动度结果分析

原料土为黏土质砂的流动度试验结果如图3所示。由图3可以看出：在黏土质砂掺入量确定下，泡沫轻质土的流动度随粉煤灰掺入比例的增大而增大。粉煤灰比例增大，即水泥的掺入比例对应减少，故在拌制泡沫轻质土过程中，粉煤灰的吸水能力大于水泥。水含量越小，粘滞性越强，故流动度值越小。当粉煤灰掺入量不变时，20%黏土质砂拌制的轻质土流动度基本大于23%掺入量下的轻质土的流动度，表明黏土质砂的吸水性能小于胶凝材料。

3.2 无侧限抗压强度

将7 d和28 d养护的两种泡沫轻质土进行无侧限抗压试验，强度结果如图4，图5所示。

由图4可得，泡沫轻质土抗压强度受到淡化海砂掺入比例和水固比的影响。抗压强度大致随着淡化海砂掺入比例增大而减小，原因在于本次试验为满足流动度达到规定值，在改变海砂掺入比例的同时也调整水固比。当淡化砂掺入比例为33%时，7 d和28 d强度均出现拐点，28 d强度为1.59 MPa，继续增大掺入比例，强度迅速下降，当掺入比例为50%时，其28 d强度仅为0.74 MPa<0.8 MPa。故最佳原料土掺入可以选择在33%，既满足强度和流动度要求，又具有经济性。28 d强度和7 d强化度的比值ηA=1.32～1.64，平均值为1.47，也与陈忠平等[9]通过大量实验数据确定泡沫轻质土的28 d强度和7 d强化度比值基本吻合。

由图5可得，粉煤灰掺入比例增加，泡沫轻质土的7 d和28 d无侧限抗压强度均逐渐降低，且28 d降低速率更快。如当粉煤灰掺入比例为0%时，泡沫轻质土的强度最高，黏土质砂掺入量20%时，28 d泡沫轻质土抗压强度达到1.85 MPa。掺入粉煤灰后，水固比减小，但由于粉煤灰的水硬性远小于水泥，对轻质土整体的胶结能力更弱，故强度减小。且23%黏土质砂掺入比例下的轻质土整体强度均小于20%掺入下的轻质土，原料土比例增加引起胶凝材料的降低，导致无侧限抗压强度减小。在满足工程建设对强度和流动度要求下，原料土为黏土质砂的掺入比例为23%，水固比0.5，粉煤灰掺入比例25%为最佳配合比。

4 结语

1)两种泡沫轻质土的最佳配比分别为：原料土为淡化海砂的掺入比例为33%，水固比0.3，减水剂0.05%；原料土为黏土质砂的掺入比例为23%，水固比0.5，粉煤灰掺入比例为25%。

2)由于粉煤灰的吸水能力大于水泥，导致泡沫轻质土的流动度随着粉煤灰掺入比例的增大而增大，且黏土质砂的吸水性能小于胶凝材料。

3)随着粉煤灰掺入比例增加，泡沫轻质土无侧限抗压强度均逐渐降低，且28 d强度降低速率大于7 d强度降低速率。