气泡轻质土配合比优化设计

赵 超

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

1 背 景

广东省三堡至水口公路改扩建工程TJ4标气泡混合轻质土路基总长度2 071 m，方量63 449.1 m3，最大填筑高度7.8 m。设计文件要求：轻质土容重不大于6.5 kN，无侧限抗压强度不小于0.5 MPa/0.8 MPa。

项目部通过招标选择合格原材料用于气泡轻质土施工，材料基本情况见表1。

表1 原材料情况

委托某第三方试验检测单位进行气泡轻质土配合比设计，结果见表2。

表2 外委取得气泡轻质土配合比参数

经试生产总结如下：①配合比1：现有设备能正常拌制，抗压强度较富裕，可以适当优化，提高经济性；②配合比2：水胶比0.588现有设备在水泥净浆制备环节有困难(水泥结团，需长时间搅拌)，影响施工效率，同时远距离(>400 m)泵送有偶尔输送泵过热停机及管道爆裂现象。

第三方检测单位出具的配合比设计报告未考虑施工单位生产设备性能，可操作性较差。为掌握气泡轻质土的强度规律，利用现场生产及工地试验室试验设备，参照以往经验，对气泡轻质土强度影响因素进行研究，优化配合比设计，明确质量控制要点。

2 气泡轻质土强度影响因素

气泡轻质土由专用拌和站生产，拌和站主要由四大系统组成。水泥净浆制备系统由自动计量称、高速搅拌机、储料仓、流量计等组成；发泡群制备系统由空气压缩机、发泡剂泵、流量计等组成；输送系统由起泡器-净浆拌和器、输送泵、管道等组成；控制系统采用基于PLC自动控制系统。

气泡轻质土是在水泥净浆中加入一定比例起填充作用的气泡群形成的微孔类材料，即“轻质土=水泥净浆+气泡群”，影响强度主要因素比较明确，分别为水泥净浆强度和气泡群掺加比例。

水泥净浆强度与其水胶比成反比[1]，即水胶比越小，水泥浆硬化后抗压强度越高。另外，水胶比减少到一定程度后不易搅拌均匀，需采取技术措施，如延长搅拌时间、增加减水剂或提高搅拌速率等。考虑现有气泡轻质土拌和站生产系统能力及节约成本(即不采取技术措施)，实测水泥净浆制备系统在水胶比≥0.65，均能方便制备水泥净浆，确定本项目气泡轻质土配合比中水胶比为0.65。

在此水胶比前提下，通过拌和站控制系统设置不同气泡群掺入量，制作多种不同湿容重轻质土试件，研究气泡轻质土湿容重与抗压强度关系。每容重制作3组试件，取3组试件中单组抗压强度平均值最小的结果作为强度代表值(较保守)，各湿容重轻质土试验配合比及结果见表3。

表3 不同湿容重轻质土试验配合比及结果

图1为湿容重与强度关系曲线。根据上述试验结果，利用EXCEL软件进行拟合，求得湿容重-强度经验公式：

y=0.0213x2+0.0174x (R2=0.9747)

(1)

图1 湿容重与强度关系曲线

3 基于湿容重-强度经验公式的配合比设计

3.1 试配抗压强度

试配抗压强度应大于设计抗压强度的1.05倍[2]：

f配=1.05×f设

3.2 湿容重计算

代入式(1)中，求解得到：

湿容重为：x1=4.5894；x2=-5.396(容重为正值，舍去)

3.3 轻质土配合比中材料用量计算

依据《气泡混合轻质土填筑技术规程》(CJJ/T177—2012)中相关公式计算：

mc+ mw+ mf=100×x1

(《技术规程》5.2.1-2)

mc/mw=0.65

(《技术规程》5.2.4 )

mf=0.05×(1000- mc/ρc- mw/ρw)

(《技术规程》5.2.6)

经求解，获得优化后轻质土配合比，见表4。

表4 优化后气泡轻质土配合比

注：水泥用量向上取整，水用量向下取整。

4 应用效果

1)经现场实际使用上述气泡轻质土配合比工作性能较好，平均强度值较设计值富裕，仍有继续优化的空间。

2)优化配合比后单方水泥用量减少约25 kg/m3,累计节省水泥1 500余t，经济效益明显。

3)轻质土制备过程中气泡群掺加率偶尔会有波动较大现象，直接影响抗压强度稳定性，施工中需严格控制发泡群(mf)流量，并定时抽查轻质土混合物湿容重。

5 建 议

1)本文湿容重-强度经验公式基于本单位现有生产设备确定，属于小样本经验总结，其他生产设备不宜照搬使用。

2)基于湿容重-强度经验公式的配合比设计方法满足《气泡混合轻质土填筑技术规程》(CJJ/T 177—2012)的相关规定，同时在经济性、可操作性方面具有明显优势。

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