泡沫混凝土制备与关键技术性能影响因素研究

2022-08-01赵志忠郑建安黎碧云黄显智

西部交通科技 2022年5期

赵志忠，郑建安，邹前，黎碧云，黄显智

(1.广西河田高速公路有限公司，广西百色 531500；2.广西交通投资集团有限公司，广西南宁 530022；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；4.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007；5.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心，广西南宁 530007)

0 引言

泡沫混凝土由水泥浆体与预先制备好的泡沫混合而成。硬化后的泡沫混凝土内部含有大量封闭的气孔，因此具有易施工、轻质、抗震等优势[1]。目前，泡沫混凝土已在软土地基回填、空洞填充、隧道塌方治理、漏水封堵等工程中得到了应用[2]，且工程应用量持续稳定增长。泡沫稳定性对泡沫混凝土性能有先决作用，直接影响泡沫混凝土的密度、强度和导热性能等。不稳定的泡沫用于制备泡沫混凝土时，通常会出现成型塌陷现象，从而对泡沫混凝土带来负面影响。正确评价发泡剂的稳泡能力，对其工程应用具有重要意义。国外学者Petkova R等[3]采用消泡时间评价泡沫的稳定性，国内学者荣辉等[4]则采用1 h沉降距对泡沫稳定性加以衡量，但其未进一步对这一评价指标的意义进行说明。

本文采用不同稀释倍率进行发泡，以不同方式对泡沫稳定性进行评价分析，并制备泡沫混凝土进行水固比影响研究，以期为工程设计及施工提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本研究所用水泥为海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能如表1所示。

表1 水泥物理性能表

本研究所用发泡剂为复合型发泡剂，为浅黄色透明色粘稠液体，无刺激性气味。

本研究所用水为饮用自来水。

1.2 试验方法

为选出适宜的发泡剂稀释倍率，本研究先进行了40倍、50倍、60倍三种不同稀释倍率下泡沫的稳定性试验。泡沫1 h沉降距、1 h泌水量参考《泡沫混凝土发泡剂》(JC/T 2199-2013)进行测试。

试验中的泡沫混凝土设计湿密度为600 kg/m3，具体配合比如表2所示。

表2 泡沫混凝土配合比计算结果表

本试验采用物理发泡方式，泡沫混凝土的主要制备流程如下：(1)将发泡剂与水按照一定的稀释倍率配制成稀释液，待搅拌均匀后，采用微型水泥发泡机以适合的发泡速率进行发泡；(2)将水泥、水按照规定质量比例称量，并投入搅拌机拌和2 min；(3)称取相应泡沫，与水泥浆体混合搅拌均匀，即可进行后续试验。

将混合均匀的拌和物一次性装入尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的模具中，边浇筑边轻轻敲打模具，使试件内无大气泡滞留。采用保鲜膜覆盖，养护至24 h后拆模，并密封养护至规定龄期。

本试验研究中泡沫混凝土流动性试验参考《泡沫混凝土应用技术规程》(JGJ/T 341-2014)进行，并以流值表征。

2 结果与讨论

2.1 稀释倍率对泡沫稳定性的影响

40倍、50倍、60倍稀释倍率下泡沫的稳定性如表3所示。由表3可以看出，三种稀释倍率下制备的泡沫在静置1 h后均未发生沉降现象，即泡沫1 h沉降距均为0。一般而言，在泡沫液膜的排液变薄、气体扩散和膜破裂[1]三种作用下，气泡群中的气泡将逐渐消减，直观上表现为高度下降，因此沉降距越小说明该气泡群越稳定。本试验中三种稀释倍率下泡沫1 h沉降距均为0，说明此时泡沫沉降距无法对该泡沫的稳定性进行评价。另一方面，也说明该发泡剂的稳定性相对较好，气泡虽然产生了部分破裂，但主要表现为相邻小气泡间融合、连通成大气泡[5]，因此在整体上下沉不明显，故其沉降距接近。

随着发泡剂稀释倍率的增加，泡沫1 h泌水量大幅增加。当发泡剂稀释倍率为40倍时，泡沫1 h泌水量为27.5 mL，稀释倍率增加到60倍时，泡沫1 h泌水量达50.1 mL，较前者增加了82.2%。泡沫中液体的析出是泡沫失稳的表现，这种现象主要来源于Plateau边界气泡的相互挤压和重力作用[6-7]，1 h泌水量越大，表明泡沫受到这两种作用的影响越大，泡沫消泡越多，泡沫群的稳定性越差。在本试验中，三种稀释倍率下泡沫稳定性由高到低分别为40倍、50倍、60倍，因此，在本文后续研究中均以40倍稀释倍率制备泡沫。

表3 稀释倍率对泡沫稳定性的影响试验结果表

2.2 水固比对泡沫混凝土性能的影响

2.2.1 水固比对流动性的影响

水为泡沫混凝土浆体组分中的流体，是影响其流动性的关键因素。在泡沫混凝土的应用工程中常以改变水固比(在本研究中固体指水泥)的方式调整浆体流动性。图1为泡沫混凝土流动性与水固比的关系曲线图。由图1可见，水固比为1∶1.6～1∶2.0的泡沫混凝土浆体，其流值为164～186 mm。水固比为1∶1.6和1∶1.7时，流值均为186 mm。继续增大固体比例时，随着固体比例增大，泡沫混凝土的流动性几乎呈线性下降趋势。这是由于固体比例增大时，泡沫液膜含的水分较少，浆体较为黏稠，因而流动性降低。

图1 水固比对泡沫混凝土流动性的影响曲线图

2.2.2 水固比对强度的影响

由图2可知，泡沫混凝土水固比从1∶1.6变化到1∶2.0时，其7 d和28 d无侧限抗压强度均先增后减，当水固比为1∶1.7时，泡沫混凝土的无侧限抗压强度达到最大值。水固比为1∶1.6时，7 d和28 d无侧限抗压强度分别为0.83 MPa和1.51 MPa；水固比为1∶1.7时，7 d和28 d无侧限抗压强度分别为1.17 MPa和2.03 MPa，较前者分别提高了41.0%和34.4%。水固比为1∶1.8时，泡沫混凝土无侧限抗压强度与水固比为1∶1.7时接近，固体参数超过1.8后，无侧限抗压强度降低。水固比为1∶2.0时，泡沫混凝土7 d和28 d无侧限抗压强度比水固比为1∶1.7时分别下降了21.4%和12.8%。

水固比中的固体比例较小，即水比例较大时，大量水分在泡沫混凝土硬化过程中被蒸发，使泡沫混凝土内部形成连通孔隙[8]，从而降低泡沫混凝土的密实度与强度，因此水固比为1∶1.6时的泡沫混凝土比水固比为1∶1.7时的泡沫混凝土强度低。然而，并非是固体比例越大，泡沫混凝土的强度越高。当固体比例增大时，泡沫与浆体之间的摩擦增大，更多泡沫将产生破裂与消减现象，从而使泡沫混凝土浆体内泡沫分布不均，导致泡沫混凝土缺陷增加，强度有所下降[8]。因此，当水固比中的固体参数>1.8时，出现明显的强度下降现象。