泡沫輕質(zhì)土耐久性能試驗(yàn)研究

陽(yáng)衛(wèi)平

(衡陽(yáng)公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 衡陽(yáng) 421001)

泡沫輕質(zhì)土耐久性能試驗(yàn)研究

陽(yáng)衛(wèi)平

(衡陽(yáng)公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 衡陽(yáng) 421001)

泡沫輕質(zhì)土是一種具有輕質(zhì)性、高流動(dòng)性、強(qiáng)度和密度可調(diào)節(jié)性和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)的混合材料，被廣泛應(yīng)用于道路拓寬、回填灌漿、地下工程減荷回填及地鐵隧道工程中?；谂菽p質(zhì)土的發(fā)泡原理及性能特點(diǎn)，研究不同S/C和不同養(yǎng)護(hù)方式下，泡沫輕質(zhì)土在長(zhǎng)期浸水環(huán)境下、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)作用下，抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，以此來(lái)表征泡沫輕質(zhì)土的耐久性能。結(jié)果表明： ①長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)中，隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度降低；在同一S/C、不同養(yǎng)護(hù)方法下，試件抗壓強(qiáng)度：室內(nèi)養(yǎng)護(hù)>浸水養(yǎng)護(hù)>室外暴露；同一S/C條件下，與最高強(qiáng)度相比較，室外暴露的泡沫輕質(zhì)土試件強(qiáng)度降低30%～60%，浸水養(yǎng)護(hù)和室內(nèi)養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度變化為20%左右。②干濕循環(huán)10次，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，S/C=0.5時(shí)抗壓強(qiáng)度逐漸減小，在S/C超過(guò)0.75后抗壓強(qiáng)度變化不明顯，當(dāng)S/C達(dá)到2時(shí)抗壓強(qiáng)度基本不變。③凍融循環(huán)10次，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)S/C達(dá)到2時(shí)抗壓強(qiáng)度基本不變。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將泡沫輕質(zhì)土用于工程實(shí)際中，為泡沫輕質(zhì)土的進(jìn)一步應(yīng)用打下理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

泡沫輕質(zhì)土； 干濕循環(huán)； 凍融循環(huán)； 工程應(yīng)用

泡沫輕質(zhì)土是利用發(fā)泡裝置將發(fā)泡劑水溶液制成泡沫，并與水泥基膠凝材料、集料、摻和料、外加劑、水及其他成分均勻混合，形成的一種輕質(zhì)混合材料。從制作工藝和施工角度來(lái)說(shuō)，泡沫輕質(zhì)土是將一定比例的泡沫和適量水泥砂漿或水泥凈漿攪拌均勻后經(jīng)過(guò)物理化學(xué)等作用形成的一種硬化混合料。純凈的水溶液表面張力作用較大，一方面，在攪拌后液體表面自動(dòng)縮小并不能形成大量均勻的氣泡；另一方面，液體的表面張力作用會(huì)使形成的兩個(gè)氣泡結(jié)合在一起，并引起氣泡破裂。而發(fā)泡劑是一種能夠溶于水并且能夠降低氣-液表面張力的化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)液體中形成的兩個(gè)氣泡相遇時(shí)，這種化學(xué)物質(zhì)能夠在兩個(gè)氣泡表面形成臨界層阻止氣泡結(jié)合；另一方面，這種臨界層具有緩沖作用，可以防止氣泡進(jìn)一步的相撞破裂。因此，在發(fā)泡裝置的作用下，空氣壓縮進(jìn)入發(fā)泡劑和水溶液中，可以形成大量微小且表面張力較大的均勻氣泡，這些氣泡按照一定的比例和適量水泥漿混合均勻后容重在5～16 kN/m3內(nèi)且可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，具有輕質(zhì)性、高流動(dòng)性、強(qiáng)度和密度可調(diào)節(jié)性和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。

目前，在我國(guó)泡沫輕質(zhì)土已被廣泛地應(yīng)用于道路拓寬、回填灌漿、地下工程減荷回填及地鐵隧道工程中，在使用過(guò)程中泡沫輕質(zhì)土的耐久性是各國(guó)專家學(xué)者關(guān)心的重要問(wèn)題[1,2]。泡沫輕質(zhì)土的耐久性能主要體現(xiàn)在長(zhǎng)期水作用、干濕環(huán)境的影響、凍融的影響及其滲透性和吸水性能。本文基于泡沫輕質(zhì)土的發(fā)泡原理及性能特點(diǎn)，研究不同S/C和不同養(yǎng)護(hù)方式下，泡沫輕質(zhì)土在長(zhǎng)期浸水環(huán)境下、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)作用下，抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，以此來(lái)表征泡沫輕質(zhì)土的耐久性能，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將泡沫輕質(zhì)土用于工程實(shí)際中，為泡沫輕質(zhì)土的進(jìn)一步應(yīng)用打下理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1) 水泥。

表1 水泥的技術(shù)性能指標(biāo)

2) 礦物摻和料。

粉煤灰： 某電廠二級(jí)粉煤灰，45 μm方孔篩篩余細(xì)度為8.8%，需水量比為93%。粉煤灰其他性能指標(biāo)均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596 — 2005中的相關(guān)規(guī)定。

磨細(xì)礦渣粉：采用某廠生產(chǎn)的磨細(xì)礦渣粉，其比表面積為348 m2/kg，7 d活性指數(shù)69%，28 d活性指數(shù)95%，磨細(xì)礦渣粉其他性能指標(biāo)均符合《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》GB /T18046 — 2008中的相關(guān)規(guī)定。

3) 減水劑。

減水劑主要性能指標(biāo)見表2，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足GB/T8076 — 2008《混凝土外加劑》的要求。

表2 減水劑的性能指標(biāo) %

1.2 試件制備及試驗(yàn)方法

相關(guān)研究表明[3]： 泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度隨著氣泡含有率的增加而降低，且在氣泡率含量相同的條件下，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度隨著砂的含量增大而降低，影響泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度和耐久性能的主要是配合比。本文選擇集料和膠凝材料比例即S/C分別為0.5、0.75、1、2的4組配合比來(lái)進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)，采用長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)及凍融循環(huán)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)泡沫輕質(zhì)土的耐久性能。長(zhǎng)期試驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)時(shí)間為6 a，養(yǎng)護(hù)方法分別為室內(nèi)暴露、室外暴露、完全浸水；試件干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)均為10次?；炷量箟簭?qiáng)度按照GB/T50081-2009《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)

（1）項(xiàng)目環(huán)境復(fù)雜，圍護(hù)型式多樣、地下障礙物多，圍護(hù)質(zhì)量管理風(fēng)險(xiǎn)大：基坑北側(cè)距離黃浦江防汛墻 50 m，基坑內(nèi)水位高、開挖深度平均達(dá)到 18.25 m，最深處為20.25 m。地質(zhì)條件復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)大。項(xiàng)目地下障礙物多：整個(gè)場(chǎng)地密布船廠吊車基礎(chǔ)樁，還遺留了深埋的柱下基礎(chǔ)承臺(tái)等障礙物，給樁基施工和圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制帶來(lái)了很大的影響，清障不到位，極易產(chǎn)生圍護(hù)施工質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生工程安全風(fēng)險(xiǎn)。

長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)中，不同S/C和不同養(yǎng)護(hù)方式下，試件的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同S/C時(shí)長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可以看出，隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土的初始抗壓強(qiáng)度降低；在同一S/C，不同養(yǎng)護(hù)方法條件下，試件抗壓強(qiáng)度：室內(nèi)養(yǎng)護(hù)>浸水養(yǎng)護(hù)>室外暴露；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，室外暴露試件抗壓強(qiáng)度降低，室內(nèi)養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度整體變化較??；同一S/C條件下，與最高強(qiáng)度相比較，室外暴露的泡沫輕質(zhì)土試件強(qiáng)度降低30%～60%，浸水養(yǎng)護(hù)和室內(nèi)養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度變化為20%左右。

隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土中的含沙量增加，膠凝材料相對(duì)減少，水泥漿不足以包裹住全部的集料，使混合物的整體性變差，抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)泡沫輕質(zhì)土在室外暴露環(huán)境中養(yǎng)護(hù)時(shí)，受溫度和濕度的影響，其中的膠凝材料水化不充分，強(qiáng)度達(dá)不到預(yù)期的要求。因此，泡沫輕質(zhì)土在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)避免長(zhǎng)期和直接地暴露在室外環(huán)境中；當(dāng)其應(yīng)用于含有地下水的部位時(shí)，應(yīng)注意采取措施如提高水泥用量、摻加礦物摻和料或者使用高強(qiáng)度的水泥等。

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)試驗(yàn)中，不同S/C條件下，試件的抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，干濕循環(huán)10次，隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，S/C=0.5時(shí)抗壓強(qiáng)度逐漸減小，在S/C超過(guò)0.75后抗壓強(qiáng)度變化不明顯，當(dāng)S/C達(dá)到2時(shí)抗壓強(qiáng)度基本不變。由發(fā)泡裝置形成的泡沫加入水泥砂漿中，使得硬化后形成的泡沫混凝土混合物氣泡量增加，這種氣泡的內(nèi)壁在毛細(xì)管的作用下會(huì)由于自身的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生變形，因此在泡沫輕質(zhì)土中的氣泡分布的越均勻、氣泡尺寸越小，則形成的混合物強(qiáng)度亦會(huì)越高。

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，不同的S/C條件下，試件的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出，凍融循環(huán)10次，隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸減??；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)S/C達(dá)到2時(shí)抗壓強(qiáng)度基本不變。泡沫輕質(zhì)土含有大量的氣泡，隨著S/C增大，含沙量增加，膠凝材料相對(duì)減少，水泥漿不足以包裹住全部的集料而形成大量的開口孔隙，這些開口孔在充水狀態(tài)下，隨著凍融循環(huán)，會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生進(jìn)而強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

1) 隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度降低；在同一S/C、不同養(yǎng)護(hù)方法下，試件抗壓強(qiáng)度：室內(nèi)養(yǎng)護(hù)>浸水養(yǎng)護(hù)>室外暴露；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，室外暴露試件抗壓強(qiáng)度降低，室內(nèi)養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度整體變化較??；同一S/C條件下，與最高強(qiáng)度相比較，室外暴露的泡沫輕質(zhì)土試件強(qiáng)度降低30%～60%，浸水養(yǎng)護(hù)和室內(nèi)養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度變化為20%左右。

2) 泡沫輕質(zhì)土在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)避免長(zhǎng)期和直接地暴露在室外環(huán)境中；當(dāng)其應(yīng)用于含有地下水的部位時(shí)，應(yīng)注意采取措施如提高水泥用量、摻加礦物摻和料或者使用高強(qiáng)度的水泥等。

3) 干濕循環(huán)10次，隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，S/C=0.5時(shí)抗壓強(qiáng)度逐漸減小，在S/C超過(guò)0.75后抗壓強(qiáng)度變化不明顯，當(dāng)S/C達(dá)到2時(shí)抗壓強(qiáng)度基本不變。

4) 凍融循環(huán)10次，隨著S/C的增大，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)S/C達(dá)到2時(shí)抗壓強(qiáng)度基本不變。

[1] 盧志賓. 淺談軟土路基處理及泡沫輕質(zhì)土施工的技術(shù)措施[J].建材與裝飾, 2010 (12): 262-264.

[2] 陳忠平, 王樹林. 氣泡混合輕質(zhì)土及其應(yīng)用綜述[J]. 中外公路, 2003, 23(5): 117-120.

[3] 陳忠平. 輕質(zhì)土的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及其施工工藝的研究[Z]. 2003.

2016-10-20

陽(yáng)衛(wèi)平(1979-)，男，工程師，主要從事路橋建設(shè)與管理。

1008-844X(2017)02-0099-03

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