泡沫混凝土制備與關(guān)鍵技術(shù)性能影響因素研究

趙志忠，鄭建安，鄒 前，黎碧云，黃顯智

(1.廣西河田高速公路有限公司，廣西 百色 531500；2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；4.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；5.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心，廣西 南寧 530007)

0 引言

泡沫混凝土由水泥漿體與預(yù)先制備好的泡沫混合而成。硬化后的泡沫混凝土內(nèi)部含有大量封閉的氣孔，因此具有易施工、輕質(zhì)、抗震等優(yōu)勢(shì)[1]。目前，泡沫混凝土已在軟土地基回填、空洞填充、隧道塌方治理、漏水封堵等工程中得到了應(yīng)用[2]，且工程應(yīng)用量持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。泡沫穩(wěn)定性對(duì)泡沫混凝土性能有先決作用，直接影響泡沫混凝土的密度、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能等。不穩(wěn)定的泡沫用于制備泡沫混凝土?xí)r，通常會(huì)出現(xiàn)成型塌陷現(xiàn)象，從而對(duì)泡沫混凝土帶來(lái)負(fù)面影響。正確評(píng)價(jià)發(fā)泡劑的穩(wěn)泡能力，對(duì)其工程應(yīng)用具有重要意義。國(guó)外學(xué)者Petkova R等[3]采用消泡時(shí)間評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)學(xué)者榮輝等[4]則采用1 h沉降距對(duì)泡沫穩(wěn)定性加以衡量，但其未進(jìn)一步對(duì)這一評(píng)價(jià)指標(biāo)的意義進(jìn)行說(shuō)明。

本文采用不同稀釋倍率進(jìn)行發(fā)泡，以不同方式對(duì)泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并制備泡沫混凝土進(jìn)行水固比影響研究，以期為工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究所用水泥為海螺牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理性能如表1所示。

表1 水泥物理性能表

本研究所用發(fā)泡劑為復(fù)合型發(fā)泡劑，為淺黃色透明色粘稠液體，無(wú)刺激性氣味。

本研究所用水為飲用自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

為選出適宜的發(fā)泡劑稀釋倍率，本研究先進(jìn)行了40倍、50倍、60倍三種不同稀釋倍率下泡沫的穩(wěn)定性試驗(yàn)。泡沫1 h沉降距、1 h泌水量參考《泡沫混凝土發(fā)泡劑》(JC/T 2199-2013)進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)中的泡沫混凝土設(shè)計(jì)濕密度為600 kg/m3，具體配合比如表2所示。

表2 泡沫混凝土配合比計(jì)算結(jié)果表

本試驗(yàn)采用物理發(fā)泡方式，泡沫混凝土的主要制備流程如下：(1)將發(fā)泡劑與水按照一定的稀釋倍率配制成稀釋液，待攪拌均勻后，采用微型水泥發(fā)泡機(jī)以適合的發(fā)泡速率進(jìn)行發(fā)泡；(2)將水泥、水按照規(guī)定質(zhì)量比例稱量，并投入攪拌機(jī)拌和2 min；(3)稱取相應(yīng)泡沫，與水泥漿體混合攪拌均勻，即可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

將混合均勻的拌和物一次性裝入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的模具中，邊澆筑邊輕輕敲打模具，使試件內(nèi)無(wú)大氣泡滯留。采用保鮮膜覆蓋，養(yǎng)護(hù)至24 h后拆模，并密封養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

本試驗(yàn)研究中泡沫混凝土流動(dòng)性試驗(yàn)參考《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 341-2014)進(jìn)行，并以流值表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋倍率對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

40倍、50倍、60倍稀釋倍率下泡沫的穩(wěn)定性如表3所示。由表3可以看出，三種稀釋倍率下制備的泡沫在靜置1 h后均未發(fā)生沉降現(xiàn)象，即泡沫1 h沉降距均為0。一般而言，在泡沫液膜的排液變薄、氣體擴(kuò)散和膜破裂[1]三種作用下，氣泡群中的氣泡將逐漸消減，直觀上表現(xiàn)為高度下降，因此沉降距越小說(shuō)明該氣泡群越穩(wěn)定。本試驗(yàn)中三種稀釋倍率下泡沫1 h沉降距均為0，說(shuō)明此時(shí)泡沫沉降距無(wú)法對(duì)該泡沫的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。另一方面，也說(shuō)明該發(fā)泡劑的穩(wěn)定性相對(duì)較好，氣泡雖然產(chǎn)生了部分破裂，但主要表現(xiàn)為相鄰小氣泡間融合、連通成大氣泡[5]，因此在整體上下沉不明顯，故其沉降距接近。

隨著發(fā)泡劑稀釋倍率的增加，泡沫1 h泌水量大幅增加。當(dāng)發(fā)泡劑稀釋倍率為40倍時(shí)，泡沫1 h泌水量為27.5 mL，稀釋倍率增加到60倍時(shí)，泡沫1 h泌水量達(dá)50.1 mL，較前者增加了82.2%。泡沫中液體的析出是泡沫失穩(wěn)的表現(xiàn)，這種現(xiàn)象主要來(lái)源于Plateau邊界氣泡的相互擠壓和重力作用[6-7]，1 h泌水量越大，表明泡沫受到這兩種作用的影響越大，泡沫消泡越多，泡沫群的穩(wěn)定性越差。在本試驗(yàn)中，三種稀釋倍率下泡沫穩(wěn)定性由高到低分別為40倍、50倍、60倍，因此，在本文后續(xù)研究中均以40倍稀釋倍率制備泡沫。

表3 稀釋倍率對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 水固比對(duì)泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 水固比對(duì)流動(dòng)性的影響

水為泡沫混凝土漿體組分中的流體，是影響其流動(dòng)性的關(guān)鍵因素。在泡沫混凝土的應(yīng)用工程中常以改變水固比(在本研究中固體指水泥)的方式調(diào)整漿體流動(dòng)性。圖1為泡沫混凝土流動(dòng)性與水固比的關(guān)系曲線圖。由圖1可見(jiàn)，水固比為1∶1.6～1∶2.0的泡沫混凝土漿體，其流值為164～186 mm。水固比為1∶1.6和1∶1.7時(shí)，流值均為186 mm。繼續(xù)增大固體比例時(shí)，隨著固體比例增大，泡沫混凝土的流動(dòng)性幾乎呈線性下降趨勢(shì)。這是由于固體比例增大時(shí)，泡沫液膜含的水分較少，漿體較為黏稠，因而流動(dòng)性降低。

圖1 水固比對(duì)泡沫混凝土流動(dòng)性的影響曲線圖

2.2.2 水固比對(duì)強(qiáng)度的影響

由圖2可知，泡沫混凝土水固比從1∶1.6變化到1∶2.0時(shí)，其7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均先增后減，當(dāng)水固比為1∶1.7時(shí)，泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。水固比為1∶1.6時(shí)，7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.83 MPa和1.51 MPa；水固比為1∶1.7時(shí)，7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為1.17 MPa和2.03 MPa，較前者分別提高了41.0%和34.4%。水固比為1∶1.8時(shí)，泡沫混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水固比為1∶1.7時(shí)接近，固體參數(shù)超過(guò)1.8后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。水固比為1∶2.0時(shí)，泡沫混凝土7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水固比為1∶1.7時(shí)分別下降了21.4%和12.8%。

水固比中的固體比例較小，即水比例較大時(shí)，大量水分在泡沫混凝土硬化過(guò)程中被蒸發(fā)，使泡沫混凝土內(nèi)部形成連通孔隙[8]，從而降低泡沫混凝土的密實(shí)度與強(qiáng)度，因此水固比為1∶1.6時(shí)的泡沫混凝土比水固比為1∶1.7時(shí)的泡沫混凝土強(qiáng)度低。然而，并非是固體比例越大，泡沫混凝土的強(qiáng)度越高。當(dāng)固體比例增大時(shí)，泡沫與漿體之間的摩擦增大，更多泡沫將產(chǎn)生破裂與消減現(xiàn)象，從而使泡沫混凝土漿體內(nèi)泡沫分布不均，導(dǎo)致泡沫混凝土缺陷增加，強(qiáng)度有所下降[8]。因此，當(dāng)水固比中的固體參數(shù)>1.8時(shí)，出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度下降現(xiàn)象。

圖2 水固比對(duì)泡沫混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響柱狀圖

綜合考慮，在目標(biāo)密度為600 kg/m3的情況下，水固比為1∶1.7時(shí)流值最大，有利于施工。同時(shí)，該比例下泡沫混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)比例范圍內(nèi)的最大值。因此，本研究中的最佳水固比為1∶1.7。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究可以得到以下主要結(jié)論：

(1)發(fā)泡劑的穩(wěn)定性相對(duì)較好時(shí)，氣泡雖產(chǎn)生了部分破裂，但以相鄰小氣泡間融合、連通成大氣泡為主，泡沫群整體下沉不明顯，因此，泡沫沉降距無(wú)法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。隨著發(fā)泡劑稀釋倍率的增加，泡沫1 h泌水量增加，泡沫穩(wěn)定性越差。40倍稀釋倍率下該發(fā)泡劑制備的泡沫穩(wěn)定性最好。

(2)隨著水固比中固體比例的增加，泡沫混凝土的流

動(dòng)性降低，7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均先增后減。

(3)當(dāng)設(shè)計(jì)濕密度為600 kg/m3，水固比在1∶1.6～1∶2.0間變化時(shí)，最佳水固比為1∶1.7，此時(shí)泡沫混凝土流值、7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為186 mm、1.17 MPa和2.03 MPa。