泡沫轻质土配方设计及性能分析

2023-09-22胡学文李新宇肖楠轩

四川水泥 2023年9期

杨宝胡学文李新宇马浩肖楠轩

（1.中交路桥建设有限公司，北京 100000；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

泡沫轻质土强度比土路基要高，重量很轻，湿密度在400～1500kN/m³之间，其湿密度是其他常规填料的1/5~3/5[1]。而且，泡沫轻质土不需要压实，沉降量比较小，在处治桥头跳车，边坡抢修方面具有特别的优势。本文通过室内试验，研究了泡沫轻质土的物理性能与力学性能，拟从原材料及配方设计、性能分析等几方面对泡沫轻质土进行研究，以期得到工作性与经济性都较好的泡沫轻质土配方。

1 原材料分析

泡沫轻质土的本质与其他水泥类材料类似，但又不尽相同，是由水泥、土、水以及泡沫组成的多孔材料。

1.1 水泥

根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJT 177-2012），泡沫轻质土所用水泥宜采用42.5 级及以上的通用硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥，该试验选用重庆小南海水泥厂P·O42.5R级普通硅酸盐水泥。

1.2 原料土

泡沫轻质土的各项性能受原料土的影响较大，该试验用土为浙江宁波某工程现场土样。按规范要求，集料最大粒径不宜超过5mm，试验用5mm 筛网对土进行筛分，采用粒径不大于5mm的土，实测土样的天然含水率为4.7%。对土进行颗粒分析试验与界限含水率试验，为泡沫轻质土的制备提供依据。

1.2.1 原料土颗粒分析

依《公路土工试验规程》（JTG E40-2007），用水洗筛分法进行颗粒分析，各粒径土样质量与占比如表1所示。

表1 各粒径土含量

1.2.2 原料土液塑限的测定

该试验采用液塑限联合测定法。将试验所得数据绘制于双对数坐标中，对试验数据进行处理得到以下结果，结合塑性图可知该土样为低液限黏土，如表2所示。

表2 原料土液塑限测定结果

1.3 发泡剂分析

泡沫的生产主要有两种方法，一是化学发泡，即利用如引气剂、起泡剂等材料水化反应生产泡沫[2]。二是物理发泡，发泡原理是将发泡剂稀释，将稀释后的发泡剂通过空气压缩机进行发泡，从而产生均匀、连续、绵密的泡沫。该试验采用物理发泡的方式生产泡沫，试验共选取来源不同的三种发泡剂比对，发泡剂1沿用课题组以前所用发泡剂，发泡剂2为河南业丰化工产品有限公司生产，发泡剂3为郑州市鹏翼化工建材有限公司生产。发泡剂稀释比例如表3所示。

表3 发泡剂稀释比例

2 泡沫轻质土配比设计

由于掺入的泡沫质量很轻，主要起填充体积、减轻容重的作用。采用设计干密度为600kg/m³为基准进行配合比设计，通过选取市面上不同厂商的发泡剂，改变胶凝材料水泥与土的掺量，调节水料比进行配合比设计。取来源不同的3种发泡剂，水料比分别为：β＝0.45，0.50，0.55，土（/土＋水泥）分别为：α＝0，10%，20%，30%，40%，试验配合比如表4所示。

3 泡沫轻质土的性能试验

通过α和β两个参数的变化，研究泡沫轻质土流动度及无侧限抗压强度的变化规律。

3.1 流动度

流动度是用于评价新拌泡沫轻质土流动性的指标，泡沫轻质土具有良好的流动性，现场浇筑后，强度未完全形成前，都具有较高的流动性。不同于其他材料，泡沫轻质土浇筑完成后不需要采用机械碾压与捣实的方式使其更加密实均匀而实现自密实。为满足施工要求，需控制流动度在（18±2）cm。

3.2 无侧限抗压强度

泡沫轻质土需要具有良好的强度，无侧限抗压强度是其最基本的强度指标。泡沫轻质土的强度取决于多项参数，如水泥用量、水料比、湿密度、发泡剂类型等因素，该试验研究了3 种不同发泡剂，3 种不同水料比（0.55、0.50、0.45）与5种土掺量（0、10%、20%、30%、40%）下泡沫轻质土28d抗压强度变化规律。该试验采用微机控制油电混合伺服压力试验机，试件的抗压强度按式（1）计算。

式中：qu——抗压强度，MPa，精确至0.01MPa；

P——试件的破坏荷载，N；

A——试件的承压面积，mm2。

4 试验结果与分析

4.1 流动度

泡沫轻质土的流动度受发泡剂、土掺量、湿密度、水料比等因素共同影响。发泡剂土掺量与流动度关系如图1～图3所示。由图1～图3可知，不同的发泡剂对流动度的影响程度不同，研究同一发泡剂下不同土掺量与水胶比对泡沫轻质土流动度的影响。泡沫轻质土的流动度随土掺量的增加逐渐增大，土掺量越大，即掺入的水泥比例越低，水泥在泡沫轻质土中起胶凝作用，水泥比例降低使流动度降低增大。其次，泡沫轻质土流动度随水料比的降低而减小。《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJT 177-2012）要求，为满足施工要求，泡沫轻质土的流动度为（18±2）cm。

图1 1号发泡剂的土掺量与流动度

图2 2号发泡剂的土掺量与流动度

图3 3号发泡剂的土掺量与流动度

4.2 无侧限抗压强度

发泡剂的土掺量与抗压强度的关系如图4~图6 所示。

图4 1号发泡剂的土掺量与抗压强度

图5 2号发泡剂的土掺量与抗压强度

图6 3号发泡剂的土掺量与抗压强度

由图可知，1 号发泡剂，土掺量每增加10%，28d 无侧限抗压强度降低8%至22.1%不等；2号发泡剂，土掺量每增加10%，28d 无侧限抗压强度降低10.7%至38.7%不等；3 号发泡剂，土掺量每增加10%，28d 无侧限抗压强度降低9%至38.8%不等。掺加1号发泡剂的泡沫轻质土其28d 无侧限抗压强度随土掺量的增加衰减率较低，土掺量从0 增至40% 其强度损失率在39.8%~46.2%（1.97~2.12MPa），远低于其他2 种发泡剂的55.4%~70.5%（3.04~4.14MPa）与52.6%~60.5%（2.52~4.12MPa），由此可证明1 号发泡剂较其他两种发泡剂稳定，土掺量对其强度影响较低，适用于高土掺量的泡沫轻质土。如今市场发泡剂有松香型发泡剂、表面活性剂类发泡剂、蛋白类发泡剂和复合发泡剂等[3]，各种发泡剂优势与劣势不同，因此对泡沫轻质土的性能影响不同。泡沫轻质土28d 无侧限抗压强度随水料比的降低而增大。泡沫轻质土中均匀分布着大量气泡，随着水料比的减小，泡沫轻质土气孔的数量会显著减少，降低硬化后泡沫轻质土的孔隙率，且气孔的贯通程度会变浅，逐渐形成较密实和较完整的内部整体结构。当水料比较小时，泡沫轻质土会形成坚实、密实和较完整的气孔－孔壁结构，使泡沫轻质土的无侧限抗压强度提高[4]。