高掺量陶瓷抛光渣对泡沫轻质土性能影响研究

成 浩 王 佳 曾国东 陈忠平 汪健斌 韩 健

(佛山市交通科技有限公司1) 佛山 528000) (佛山市建盈发展有限公司2) 佛山 528000)(广州大学土木工程学院3) 广州 510006) (广东盛瑞科技股份有限公司4) 广州 511400)

0 引 言

泡沫轻质土是由水泥浆与泡沫混合硬化而成的一种轻质材料，由于其具有轻质性、自硬性、良好的流动性等特性，广泛应用于高速公路、高速铁路、市政交通等领域[1-2]．国内外学者对泡沫轻质材料的制备参数、孔隙结构、无侧限抗压强度等物理力学性能[3-5]以及干湿、冻融、硫酸盐侵蚀作用下耐久性能[6-8]开展了系统的室内试验研究，并已成熟地应用于道路拓宽、桥台背回填、软土地基处理等工程领域．此外，在传统的水泥基泡沫轻质材料的基础上，部分学者研究了掺磷尾矿[9]、偏铝土尾矿[10]等对泡沫轻质土力学性能的影响．目前，寻求经济性更高、来源更广的掺和料用以部分替代水泥制备泡沫轻质材料已成为该领域的热点课题之一．

陶瓷抛光渣是陶瓷在抛光、研磨加工过程中所产生的废弃物，据不完全统计，每生产1 m2抛光砖，产生1.5～2.0 kg抛光渣，目前陶瓷抛光渣的年排量已超1 000万 t[11]．针对陶瓷抛光渣资源化利用难题，李丽霞[12]通过将陶瓷废料微粉与粉煤灰作为复合掺合料加入混凝土中，用以改善混凝土的工作性能和力学性能．田健等[13]利用陶瓷抛光泥与水泥、石灰、废弃铜尾矿等材料制备蒸压加气混凝土，并分析了陶瓷抛光泥的颗粒细度与掺量对混凝土砌块强度的影响．魏丽丽等[14]以陶瓷抛光渣等量取代水泥制备砂浆试样，分析了陶瓷抛光渣对水泥基材料碱集料反应的抑制机理，并提出陶瓷抛光渣的合理掺量应为20%～30%．谢力等[15]研究了陶瓷粉再生混凝土的抗碳化性能，分析陶瓷粉掺量对再生混凝土碳化深度以及动弹性模量的影响规律．尽管众多学者在陶瓷抛光渣资源化利用方面做出了很多有益的尝试，但目前仍存在资源再生技术较复杂、再生产品附加值较低，难以大规模推广应用等问题[16]．

文中通过分析陶瓷抛光渣掺量、设计湿密度等因素对泡沫轻质材料流动性、无侧限抗压强度，以及饱和吸水率的影响规律，基于室内试验结果分析提出泡沫轻质土中陶瓷抛光渣的合理掺量范围．

1 试验设计

1.1 原材料

水泥采用海螺牌PO42.5普通硅酸盐水泥；矿粉为广东某有限公司生产的S95级矿粉，密度为1.6 g/cm3，比表面积为430 m2/kg；发泡剂采用广东某有限公司生产的复合发泡剂，发泡倍率20～30倍，消泡率小于5%．

陶瓷抛光渣取自佛山市某陶瓷厂，其物理性能指标见表1，通过筛分试验得出该陶瓷抛光渣颗粒粒径小于0.075 mm的占比达84%．由表1中陶瓷抛光渣的液塑限值及颗粒分布特性来看，其性质与低液限粉土较为类似．对所取的陶瓷抛光渣进行室内击实试验，击实曲线见图1.由击实曲线获得陶瓷抛光渣最大干密度为1.59 g/cm3，最优含水率为20.5%．

表1 陶瓷抛光渣物理性能参数

图1 陶瓷抛光渣击实曲线

1.2 配合比设计

根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(以下简称《技术规程》)中泡沫轻质土配合比设计方法，开展不同湿密度与陶瓷抛光渣掺量的泡沫轻质土配合比设计，不同配合比泡沫轻质土的成分比例见表2．表中编号1～6为一组，研究设计湿密度对掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土力学性能的影响，固定胶凝材料中水泥∶矿粉∶陶瓷抛光渣的质量比例为20%∶20%∶60%，水胶比为0.65，设计湿密度变化范围为500～1 000 kg/m3；编号7～10为另一组，研究湿密度为600 kg/m3时，陶瓷抛光渣掺量对泡沫轻质土力学性能的影响，胶凝材料中矿粉掺量固定为20%，由陶瓷抛光渣部分取代水泥，其占胶凝材料总质量比分别为30%，40%，50%，60%．

表2 掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土配合比设计

1.3 试样制备

首先将陶瓷抛光渣烘干后碾压破碎，按照表2中配合比要求将其与适量的水进行搅拌混合均匀后，加入水泥与矿粉继续搅拌制成混合料浆；将发泡剂和水按稀释倍率50的要求进行等比例稀释后，利用空气压缩发泡机产生均匀致密的泡沫群，随后分别将混合料浆和泡沫群混合搅拌均匀．将拌和物倒入尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体模具中成型，待硬化成型后拆模即可得到掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土试块，将试块放入温度为(20±2) ℃、相对湿度为95%以上的标准养护箱中进行养护．

1.4 试验内容

根据技术规程中相关试验要求，对掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土进行流动性、无侧限抗压强度，以及饱和吸水率等性能的测试．流动性测试中先将空心圆筒置于光滑湿润平板中心处，随后在空心圆筒中倒入新制拌和物，将表面刮平后垂直提升圆筒，用游标卡尺分别在正交方向上测量圆饼状塌落体的直径，取二者平均值为泡沫轻质土的流动值．

无侧限抗压强度实验采用万能材料试验机，分别对龄期为7，14和28 d的标准立方体轻质土试块进行抗压强度测试．试验过程中控制加载速率恒定为2 kN/s，直至试件发生破坏并记录峰值强度，取三个试块峰值强度的平均值作为最终的抗压强度．

吸水率测试方法参考文献[10]，取28 d龄期的试块浸泡于常温水容器内，并保证试块完全处于水面以下，记录不同浸泡时间(0、0.5、1、2、4、8、14、28 d)后试块的质量，试块的体积吸水率为

(1)

式中：Wv为轻质土体积吸水率；m0和V0分别为试验前泡沫轻质土初始质量与体积；mi为浸泡第i天泡沫轻质土的质量；ρw为水的天然密度．

2 试验结果分析

2.1 流动性

各组轻质土试样在搅拌完成后立即进行流动性测试，图2为不同设计湿密度与陶瓷抛光渣掺量时泡沫轻质土的流动值．文献[16]在研究不同矿物掺和料对水泥砂浆流动性影响时指出，矿物掺和料对水泥浆体流动性的改善作用主要与矿物颗粒形貌效应及微集料效应有关．陶瓷抛光渣的颗粒较水泥颗粒更细，且颗粒表面形态不规则，这导致陶瓷抛光渣颗粒比表面积更大，颗粒表面吸附水较多，因此在陶瓷抛光渣掺量由30%增大至50%时，泡沫轻质土的流动值几乎呈线性降低趋势；另一方面，陶瓷抛光渣具有的微集料效应使得颗粒能够填充于水泥颗粒之间的孔隙中，替代孔隙中的自由水，这在一定程度上能改善泡沫轻质土的流动性．陶瓷抛光渣颗粒的形貌效应与微集料效应相互作用，共同影响着泡沫轻质土的流动性，而当陶瓷抛光渣颗粒完全填充于孔隙中时，其掺量进一步的增大对泡沫轻质土流动性的影响很小．

图2 湿密度和陶瓷抛光渣掺量对泡沫轻质土流动性的影响

2.2 饱和吸水特性

通过对不同初始湿密度时掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土吸水特性进行测试，得到不同初始湿密度条件下泡沫轻质土湿密度随浸泡时间的变化曲线，见图3a)．由图3a)可知：初始湿密度对泡沫轻质土的饱和吸水特性影响显著，初始湿密度越小，泡沫轻质土在浸泡初期的湿密度增长幅度越大，且最终饱和(28 d)吸水率越大．根据式(1)计算得到泡沫轻质土吸水率随浸泡时间的变化曲线，见图3b)．由图3b)可知：初始湿密度为500 kg/m3时，其饱和吸水率达到了26.1%；而初始湿密度为1 000 kg/m3时，其饱和吸水率仅为6.5%．这是因为泡沫轻质土初始湿密度越小，其内部孔隙越多，且存在更多的相互连通的孔隙，因此在长期的浸泡过程中外部水进入内部孔隙中，造成其湿密度不断增大．由此可知，泡沫轻质土初始湿密度越小，其水稳定性越差，在长期的水环境中容易吸水增重，降低了泡沫轻质土的减荷效果，因此在实际工程中需特别注重轻质路基结构的防排水设计．

图3 初始湿密度对泡沫轻质土吸水特性的影响

图4为湿密度为600 kg/m3时，不同陶瓷抛光渣掺量时泡沫轻质土湿密度随浸泡时间的变化曲线．由图4可知：陶瓷抛光渣掺量对泡沫轻质土的吸水特性也具有一定的影响，随着陶瓷掺量由30%增大到60%，轻质土吸水率22.8%减小至17.5%，说明适当的提高泡沫轻质土中陶瓷抛光渣的掺量，有助于提高其水稳定性．

图4 陶瓷抛光渣掺量对泡沫轻质土吸水特性的影响

2.3 强度特性

图5为不同龄期时，泡沫轻质土无侧限抗压强度随湿密度的变化曲线．由图5可知：泡沫轻质土无侧限抗压强度随湿密度的增大呈非线性增大趋势，此外，随着湿密度的增大，不同龄期间的强度差也逐渐增大．掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土内部主要由水泥、矿粉与部分陶瓷抛光渣经水化反应形成的胶结硬化体、未参与反应的陶瓷抛光渣，以及大量气孔组成，未参与反应的陶瓷抛光渣作为微细集料可以起到填充作用，而包裹着气孔的胶结硬化体与细集料为强度的主要来源．

图5 泡沫轻质土无侧限抗压强度随湿密度变化曲线

泡沫轻质土湿密度主要通过其内部气泡率来进行调节，湿密度越小，对应其内部气泡率越大，气孔数量越多，且内部存在连通孔隙的可能性越大，宏观上表现为强度降低；而湿密度越大，气泡率较低，内部以胶结硬化体和微细集料为主，整体结构较为密实，宏观上表现为强度的增大．根据技术规程中相关要求，泡沫轻质土应用于城市快速路、一级公路及高速公路上路床时，其28 d无侧限抗压强度不得低于0.8 MPa；应用于路堤时，其28 d无侧限抗压强度不得小于0.4 MPa．因此，在实际工程中建议掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土湿密度不低于700 kg/m3．

由图5可知：泡沫轻质土无侧限抗压强度与湿密度间近似符合指数函数关系，采用式(2)中指数函数对二者关系进行拟合.式中：qu为抗压强度；ρ为湿密度；A和B为拟合参数．指数函数式(2)的拟合效果良好，相关系数均在0.975以上，因此，可采用该式对不同湿密度条件下掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土无侧限抗压强度进行预测．

qu=A·exp(Bρ)

(2)

图6为泡沫轻质土无侧限抗压强度随陶瓷抛光渣掺量的变化曲线．由图6可知：随陶瓷抛光渣掺量的增大，泡沫轻质土无侧限抗压强度初始时增大，在掺量为40%时达到最大值．由于陶瓷抛光渣中SiO2和Al2O3等硅铝氧化物含量较高，可一定程度起到调节水泥-矿粉-陶瓷抛光渣复合胶凝体系中硅铝成分的作用，加速水化产物的产出，从而提高泡沫轻质土的强度；此外陶瓷抛光渣颗粒较细，可作为微细集料起到一定的填充作用，提高泡沫轻质土孔隙结构的密实度．因此，适量掺入陶瓷抛光渣对于泡沫轻质土抗压强度的提高具有有益的作用．在陶瓷抛光渣掺量达到40%以后，导致复合反应体系中硅酸盐水泥的掺比过少，使得水化反应变弱，且未参与水化反应的陶瓷抛光渣颗粒增多导致气泡易受到挤压发生破裂，内部形成连通的大孔隙，因而泡沫轻质土强度反而出现较大幅度降低．这与秦志生[16-17]得到的结论类似，所不同的是二者在研究将陶瓷抛光渣作为混凝土外掺料时得到的最佳掺量为30%．

图6 泡沫轻质土无侧限抗压强度随陶瓷抛光渣掺量变化曲线

综上可知，根据《技术规程》以及《公路路基施工技术规范》中对于泡沫轻质土流动度、无侧限抗压强度等关键性能指标的要求，掺入适当陶瓷抛光渣的泡沫轻质土可以应用于轻质路堤填筑施工．根据本文的试验结果，建议掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土设计湿密度不小于700 kg/m3．

3 结 论

1) 湿密度对泡沫轻质土流动性影响较小，而陶瓷抛光渣掺量对泡沫轻质土流动性影响较为明显，掺量的提高会显著降低泡沫轻质土的流动性，且在掺量为50%时流动值最低为165 mm．

2) 泡沫轻质土作为典型多孔材料，其湿密度越小，气泡率越大，在长期浸水环境下饱和吸水率越高；而陶瓷抛光渣颗粒较细，在泡沫轻质土中可起到孔隙填充作用，适当掺入陶瓷抛光渣可降低泡沫轻质土的饱和吸水率，提高其水稳定性．

3) 泡沫轻质土无侧限抗压强度随湿密度的增大呈指数增长，随陶瓷抛光渣掺量的增大呈先增大后减小趋势，且在掺量为40%时达到最大值；根据技术规程中对于泡沫轻质土流动值与无侧限抗压强度的要求，建议掺陶瓷抛光渣泡沫轻质土设计湿密度不小于700 kg/m3．