外掺料对气泡混合轻质土性能影响研究

2021-04-02胡丕海中铁十六局集团第三工程有限公司浙江湖州313000

安徽建筑 2021年3期

胡丕海（中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000）

1 引言

气泡混合轻质土是按照一定的比例将气泡、水泥、水及可选添加材料经充分混合搅拌凝固后所形成的微孔类轻型填筑材料。它具有许多优良特性，密度为200kg/m～1500kg/m，比普通混凝土和黏土砖低得多，也低于一般轻骨料混凝土。大量封闭微小气孔在其内部均匀分布，大大降低了其导热性能，保温隔热性能较好。通常密度为200kg/m～800kg/m的气泡混合轻质土，导热系数在0.05W/m·K～0.3W/m·K之间，相当于普通混凝土（1.5W/m·K）的1/30～1/5，黏土砖（0.81W/m·K）的 1/16～1/3。另外，多孔的结构使得气泡混合轻质土质量轻、弹性模量低，抗震吸能。

目前，气泡混合轻质土因其技术特点，市场应用越来越广泛，施工方量越来越多。在如此大体积施工情况下，为节约水泥、减少耗能，充分利用工业废渣，就地取用原状土，降低成本，绿色环保，分析研究了气泡混合轻质土抗压强度受各种不同外掺料的影响。

2 试验

2.1 原材料

水泥：浙江某公司生产的P.O425R早强型普通硅酸盐水泥；

发泡剂：浙江某公司生产的GSF40B复合型发泡剂；

粉煤灰：浙江某电厂出厂的二级粉煤灰；

矿渣：浙江某公司出厂的比表面积为406m/kg的S95级粒化高炉矿渣；

细砂：浙江某地产的河沙，最大粒径2.2mm，其筛分结果如表1。

砂的筛分结果表1

矿粉：又为碳酸钙粉，粒径为200目，浙江某矿厂生产；

尾矿砂：浙江某铁矿厂出厂废弃产物，颗粒粒径均在125目左右；

原状粘土：浙江某高速开挖的原状土，经筛分，直径为0.6mm以内。

2.2 试验方法

为了了解各外掺料对气泡混合轻质土性能的影响，拟定一个纯水泥的基准配合比，如表2所示，各掺合料试验在基准配合比基础上替代水泥试验。

基准配合比表2

试件制备：按要求将发泡剂稀释，利用发泡设备制取泡沫备用；将掺合料、水泥、水搅拌成水泥浆体，再与制取好的泡沫搅拌均匀，测试湿密度后注入100×100×100mm的试模中成型，拆模后置入封闭的塑料袋内室温养护至龄期28天测试强度。

3 试验结果分析

3.1 粉煤灰对气泡混合轻质土强度的影响

试验了不同的粉煤灰替代水泥用量比例，试验结果如图1所示。

图1 粉煤灰掺量-轻质土强度曲线图

从图中可以看出，用粉煤灰代替水泥不仅可以节省成本，而且在掺量不超过45%时还可提高气泡混合轻质土的28天抗压强度；粉煤灰代替量为40%左右时最佳，配置的气泡混合轻质土强度最高，与不掺粉煤灰的试件对比，强度可提高达20%；当粉煤灰替代量达50%时，气泡混合轻质土的强度相对开始降低。

对于早期强度，可以看出龄期3天之前，不管粉煤灰替代量为多少，抗压强度相对纯水泥制备的气泡混合轻质土均有所降低，掺量越多降低越明显。

究其原因，粉煤灰是具有火山灰质活性的混合材料，内部含有大量的球状玻璃体，颗粒粒径一般小于水泥颗粒粒径，当有Ca(OH)存在时，能够与水发生反应并生成胶凝物质，产生一定的强度。它具有“微集料效应”和“填充效应”，早龄期时只起填充作用，分布在水泥颗粒之间，可提高浆体的流动性，增加密实度，在高水灰比条件下，水泥有充足的水分参与水化反应，当粉煤灰替代部分水泥后，早期水泥的水化产物相对减少，因而早龄期时强度是降低的。

后期由于粉煤灰中含有大量的活性成分，能与水泥的水化产物Ca(OH)发生二次水化反应，生成CSH凝胶，水化产物填充气泡混合轻质土孔壁中的毛细孔，使其分段、细化或完全堵塞，降低总孔隙率，使得水化产物的结构越来越紧密，强度逐渐提高。

3.2 矿渣对气泡混合轻质土强度的影响

试验了不同的矿渣替代水泥用量比例，试验结果如图2所示。

图2 矿渣掺量-轻质土强度曲线图

从图中可以看出，矿渣的掺入对气泡混合轻质土强度影响较小，替代水泥量在33%时，强度稍有提高；但是不管水泥替代量为多少，气泡混合轻质土的强度均没有降低。

究其原因，作为一种矿物掺合料，矿渣也存在火山灰效应和微集料效应，可改善混凝土的工作性能，提高混凝土的强度。它含有 CaO、SiO、AlO，和水泥成分相近。它的比表面积406m/kg，具有较高的潜在活性，在碱性环境下能够发生水化反应，产生强度。因而其替代水泥并不会对气泡混合轻质土强度造成影响。

3.3 河沙、原状土、尾矿砂、矿粉对气泡混合轻质土强度的影响

河沙作为混凝土常用的细集料，为研究其对气泡混合轻质土强度的影响，设计了表3所示的几组试验。

河沙对气泡混合轻质土强度的影响表3

从表中结果可以看出，在同等容重条件下，河沙的掺入会大大降低气泡混合轻质土的抗压强度；只有减少气泡的掺量，增加气泡混合轻质土的容重，其强度才不会降低。这是因为细砂属于细集料，与粉煤灰等掺合料不同，它们不具有活性，因而掺入到轻质土中会在孔壁上形成大量的界面区，增大轻质土的孔隙率，在相同容重情况下大大降低轻质土的强度。

考虑到原状土、尾矿砂、矿粉与河沙一样，只能作为一种细集料而没有火山灰活性，其区别只是在粒径上，故设计几组试验，固定水泥掺量，改变各种细集料的掺量从而改变气泡混合轻质土的容重，研究各因素的影响，结果如图3所示。

图3 细集料掺量-轻质土强度曲线图

同样，从图中可以看出，在同等容重条件下，原状土、尾矿砂、矿粉的掺入会大大降低气泡混合轻质土的抗压强度；只有减少气泡的掺量，增加气泡混合轻质土的容重，其强度才不会降低。并且，细集料的粒径越大，对强度的影响越高，最大粒径的河沙掺入后，在同等容重条件下强度都是最低的。

这是因为，气泡混合轻质土的强度是由孔壁的基体强度和孔结构共同决定的，在同样水泥用量和气泡掺量的条件下，孔壁的强度成为最终成品强度的决定点；在粒径较大的河沙存在的情况下，孔壁增加了很多的水泥石-细集料界面区，增大了孔隙率，影响了强度；而且，在900kg/m以内的容重条件下，气泡混合轻质土内部孔壁的厚度均较小，只有1mm厚左右，大粒径的河沙基本会贯穿整个孔壁，界面区的毛隙孔很容易贯穿2个相邻的气孔从而形成通孔，造成强度大幅降低。从上图也可以看出，细集料的粒径越小，同等容重条件下强度越高，也是因为小粒径的集料周围不容易形成界面区，孔隙率也相对低一点，更不会贯穿2个相邻的气孔，因而强度相对较高。