泡沫轻质土耐久性能试验研究

阳卫平

(衡阳公路桥梁建设有限公司， 湖南 衡阳 421001)

泡沫轻质土耐久性能试验研究

阳卫平

(衡阳公路桥梁建设有限公司， 湖南 衡阳 421001)

泡沫轻质土是一种具有轻质性、高流动性、强度和密度可调节性和施工便捷等优点的混合材料，被广泛应用于道路拓宽、回填灌浆、地下工程减荷回填及地铁隧道工程中。基于泡沫轻质土的发泡原理及性能特点，研究不同S/C和不同养护方式下，泡沫轻质土在长期浸水环境下、干湿循环及冻融循环作用下，抗压强度的变化规律，以此来表征泡沫轻质土的耐久性能。结果表明： ①长期养护试验中，随着S/C的增大，泡沫轻质土的抗压强度降低；在同一S/C、不同养护方法下，试件抗压强度：室内养护>浸水养护>室外暴露；同一S/C条件下，与最高强度相比较，室外暴露的泡沫轻质土试件强度降低30%～60%，浸水养护和室内养护试件强度变化为20%左右。②干湿循环10次，随着循环次数的增加，S/C=0.5时抗压强度逐渐减小，在S/C超过0.75后抗压强度变化不明显，当S/C达到2时抗压强度基本不变。③冻融循环10次，随着冻融循环次数的增加，泡沫轻质土的抗压强度逐渐减小，当S/C达到2时抗压强度基本不变。根据试验结果将泡沫轻质土用于工程实际中，为泡沫轻质土的进一步应用打下理论和试验基础。

泡沫轻质土； 干湿循环； 冻融循环； 工程应用

泡沫轻质土是利用发泡装置将发泡剂水溶液制成泡沫，并与水泥基胶凝材料、集料、掺和料、外加剂、水及其他成分均匀混合，形成的一种轻质混合材料。从制作工艺和施工角度来说，泡沫轻质土是将一定比例的泡沫和适量水泥砂浆或水泥净浆搅拌均匀后经过物理化学等作用形成的一种硬化混合料。纯净的水溶液表面张力作用较大，一方面，在搅拌后液体表面自动缩小并不能形成大量均匀的气泡；另一方面，液体的表面张力作用会使形成的两个气泡结合在一起，并引起气泡破裂。而发泡剂是一种能够溶于水并且能够降低气-液表面张力的化学物质，当液体中形成的两个气泡相遇时，这种化学物质能够在两个气泡表面形成临界层阻止气泡结合；另一方面，这种临界层具有缓冲作用，可以防止气泡进一步的相撞破裂。因此，在发泡装置的作用下，空气压缩进入发泡剂和水溶液中，可以形成大量微小且表面张力较大的均匀气泡，这些气泡按照一定的比例和适量水泥浆混合均匀后容重在5～16 kN/m3内且可根据需要调节，具有轻质性、高流动性、强度和密度可调节性和施工便捷等优点。

目前，在我国泡沫轻质土已被广泛地应用于道路拓宽、回填灌浆、地下工程减荷回填及地铁隧道工程中，在使用过程中泡沫轻质土的耐久性是各国专家学者关心的重要问题[1,2]。泡沫轻质土的耐久性能主要体现在长期水作用、干湿环境的影响、冻融的影响及其渗透性和吸水性能。本文基于泡沫轻质土的发泡原理及性能特点，研究不同S/C和不同养护方式下，泡沫轻质土在长期浸水环境下、干湿循环及冻融循环作用下，抗压强度的变化规律，以此来表征泡沫轻质土的耐久性能，并根据试验结果将泡沫轻质土用于工程实际中，为泡沫轻质土的进一步应用打下理论和试验基础。

1 试验

1.1 原材料

1) 水泥。

表1 水泥的技术性能指标

2) 矿物掺和料。

粉煤灰： 某电厂二级粉煤灰，45 μm方孔筛筛余细度为8.8%，需水量比为93%。粉煤灰其他性能指标均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596 — 2005中的相关规定。

磨细矿渣粉：采用某厂生产的磨细矿渣粉，其比表面积为348 m2/kg，7 d活性指数69%，28 d活性指数95%，磨细矿渣粉其他性能指标均符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB /T18046 — 2008中的相关规定。

3) 减水剂。

减水剂主要性能指标见表2，各项性能指标均满足GB/T8076 — 2008《混凝土外加剂》的要求。

表2 减水剂的性能指标 %

1.2 试件制备及试验方法

相关研究表明[3]： 泡沫轻质土的强度随着气泡含有率的增加而降低，且在气泡率含量相同的条件下，泡沫轻质土的抗压强度随着砂的含量增大而降低，影响泡沫轻质土强度和耐久性能的主要是配合比。本文选择集料和胶凝材料比例即S/C分别为0.5、0.75、1、2的4组配合比来进行耐久性能试验，采用长期养护试验、干湿循环试验及冻融循环试验来评价泡沫轻质土的耐久性能。长期试验中养护时间为6 a，养护方法分别为室内暴露、室外暴露、完全浸水；试件干湿循环试验和冻融循环试验的循环次数均为10次。混凝土抗压强度按照GB/T50081-2009《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 试验结果与分析

2.1 长期养护试验

（1）项目环境复杂，围护型式多样、地下障碍物多，围护质量管理风险大：基坑北侧距离黄浦江防汛墙 50 m，基坑内水位高、开挖深度平均达到 18.25 m，最深处为20.25 m。地质条件复杂，施工风险大。项目地下障碍物多：整个场地密布船厂吊车基础桩，还遗留了深埋的柱下基础承台等障碍物，给桩基施工和围护结构施工的质量控制带来了很大的影响，清障不到位，极易产生围护施工质量问题，进而产生工程安全风险。

长期养护试验中，不同S/C和不同养护方式下，试件的抗压强度随养护时间的变化规律如图1所示。

图1 不同S/C时长期养护试验结果

由图1可以看出，随着S/C的增大，泡沫轻质土的初始抗压强度降低；在同一S/C，不同养护方法条件下，试件抗压强度：室内养护>浸水养护>室外暴露；随着养护龄期的增加，室外暴露试件抗压强度降低，室内养护和浸水养护试件的抗压强度整体变化较小；同一S/C条件下，与最高强度相比较，室外暴露的泡沫轻质土试件强度降低30%～60%，浸水养护和室内养护试件强度变化为20%左右。

随着S/C的增大，泡沫轻质土中的含沙量增加，胶凝材料相对减少，水泥浆不足以包裹住全部的集料，使混合物的整体性变差，抗压强度降低。当泡沫轻质土在室外暴露环境中养护时，受温度和湿度的影响，其中的胶凝材料水化不充分，强度达不到预期的要求。因此，泡沫轻质土在工程实际应用中，应避免长期和直接地暴露在室外环境中；当其应用于含有地下水的部位时，应注意采取措施如提高水泥用量、掺加矿物掺和料或者使用高强度的水泥等。

2.2 干湿循环试验

干湿循环试验中，不同S/C条件下，试件的抗压强度随干湿循环次数的变化规律如图2所示。

图2 干湿循环试验结果

由图2可以看出，干湿循环10次，随着S/C的增大，泡沫轻质土的抗压强度逐渐减小；随着干湿循环次数的增加，S/C=0.5时抗压强度逐渐减小，在S/C超过0.75后抗压强度变化不明显，当S/C达到2时抗压强度基本不变。由发泡装置形成的泡沫加入水泥砂浆中，使得硬化后形成的泡沫混凝土混合物气泡量增加，这种气泡的内壁在毛细管的作用下会由于自身的结构而产生变形，因此在泡沫轻质土中的气泡分布的越均匀、气泡尺寸越小，则形成的混合物强度亦会越高。

2.3 冻融循环试验

在冻融循环试验中，不同的S/C条件下，试件的抗压强度随冻融循环次数的变化规律如图3所示。

图3 冻融循环试验结果

由图3可以看出，冻融循环10次，随着S/C的增大，泡沫轻质土的抗压强度逐渐减小；随着冻融循环次数的增加，泡沫轻质土的抗压强度逐渐减小，当S/C达到2时抗压强度基本不变。泡沫轻质土含有大量的气泡，随着S/C增大，含沙量增加，胶凝材料相对减少，水泥浆不足以包裹住全部的集料而形成大量的开口孔隙，这些开口孔在充水状态下，随着冻融循环，会产生膨胀和收缩应力，导致裂缝的产生进而强度降低。

3 结论

1) 随着S/C的增大，泡沫轻质土的抗压强度降低；在同一S/C、不同养护方法下，试件抗压强度：室内养护>浸水养护>室外暴露；随着养护龄期的增加，室外暴露试件抗压强度降低，室内养护和浸水养护试件的抗压强度整体变化较小；同一S/C条件下，与最高强度相比较，室外暴露的泡沫轻质土试件强度降低30%～60%，浸水养护和室内养护试件强度变化为20%左右。

2) 泡沫轻质土在工程实际应用中，应避免长期和直接地暴露在室外环境中；当其应用于含有地下水的部位时，应注意采取措施如提高水泥用量、掺加矿物掺和料或者使用高强度的水泥等。

3) 干湿循环10次，随着S/C的增大，泡沫轻质土的抗压强度逐渐减小；随着干湿循环次数的增加，S/C=0.5时抗压强度逐渐减小，在S/C超过0.75后抗压强度变化不明显，当S/C达到2时抗压强度基本不变。

4) 冻融循环10次，随着S/C的增大，泡沫轻质土的抗压强度逐渐减小；随着冻融循环次数的增加，泡沫轻质土的抗压强度逐渐减小，当S/C达到2时抗压强度基本不变。

[1] 卢志宾. 浅谈软土路基处理及泡沫轻质土施工的技术措施[J].建材与装饰, 2010 (12): 262-264.

[2] 陈忠平, 王树林. 气泡混合轻质土及其应用综述[J]. 中外公路, 2003, 23(5): 117-120.

[3] 陈忠平. 轻质土的关键技术开发及其施工工艺的研究[Z]. 2003.

2016-10-20

阳卫平(1979-)，男，工程师，主要从事路桥建设与管理。

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

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