氣泡輕質(zhì)土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙 超

(中交一航局第一工程有限公司，天津 300456)

1 背 景

廣東省三堡至水口公路改擴(kuò)建工程TJ4標(biāo)氣泡混合輕質(zhì)土路基總長(zhǎng)度2 071 m，方量63 449.1 m3，最大填筑高度7.8 m。設(shè)計(jì)文件要求：輕質(zhì)土容重不大于6.5 kN，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.5 MPa/0.8 MPa。

項(xiàng)目部通過(guò)招標(biāo)選擇合格原材料用于氣泡輕質(zhì)土施工，材料基本情況見(jiàn)表1。

表1 原材料情況

委托某第三方試驗(yàn)檢測(cè)單位進(jìn)行氣泡輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 外委取得氣泡輕質(zhì)土配合比參數(shù)

經(jīng)試生產(chǎn)總結(jié)如下：①配合比1：現(xiàn)有設(shè)備能正常拌制，抗壓強(qiáng)度較富裕，可以適當(dāng)優(yōu)化，提高經(jīng)濟(jì)性；②配合比2：水膠比0.588現(xiàn)有設(shè)備在水泥凈漿制備環(huán)節(jié)有困難(水泥結(jié)團(tuán)，需長(zhǎng)時(shí)間攪拌)，影響施工效率，同時(shí)遠(yuǎn)距離(>400 m)泵送有偶爾輸送泵過(guò)熱停機(jī)及管道爆裂現(xiàn)象。

第三方檢測(cè)單位出具的配合比設(shè)計(jì)報(bào)告未考慮施工單位生產(chǎn)設(shè)備性能，可操作性較差。為掌握氣泡輕質(zhì)土的強(qiáng)度規(guī)律，利用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)及工地試驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備，參照以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)氣泡輕質(zhì)土強(qiáng)度影響因素進(jìn)行研究，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，明確質(zhì)量控制要點(diǎn)。

2 氣泡輕質(zhì)土強(qiáng)度影響因素

氣泡輕質(zhì)土由專用拌和站生產(chǎn)，拌和站主要由四大系統(tǒng)組成。水泥凈漿制備系統(tǒng)由自動(dòng)計(jì)量稱、高速攪拌機(jī)、儲(chǔ)料倉(cāng)、流量計(jì)等組成；發(fā)泡群制備系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、發(fā)泡劑泵、流量計(jì)等組成；輸送系統(tǒng)由起泡器-凈漿拌和器、輸送泵、管道等組成；控制系統(tǒng)采用基于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。

氣泡輕質(zhì)土是在水泥凈漿中加入一定比例起填充作用的氣泡群形成的微孔類材料，即“輕質(zhì)土=水泥凈漿+氣泡群”，影響強(qiáng)度主要因素比較明確，分別為水泥凈漿強(qiáng)度和氣泡群摻加比例。

水泥凈漿強(qiáng)度與其水膠比成反比[1]，即水膠比越小，水泥漿硬化后抗壓強(qiáng)度越高。另外，水膠比減少到一定程度后不易攪拌均勻，需采取技術(shù)措施，如延長(zhǎng)攪拌時(shí)間、增加減水劑或提高攪拌速率等。考慮現(xiàn)有氣泡輕質(zhì)土拌和站生產(chǎn)系統(tǒng)能力及節(jié)約成本(即不采取技術(shù)措施)，實(shí)測(cè)水泥凈漿制備系統(tǒng)在水膠比≥0.65，均能方便制備水泥凈漿，確定本項(xiàng)目氣泡輕質(zhì)土配合比中水膠比為0.65。

在此水膠比前提下，通過(guò)拌和站控制系統(tǒng)設(shè)置不同氣泡群摻入量，制作多種不同濕容重輕質(zhì)土試件，研究氣泡輕質(zhì)土濕容重與抗壓強(qiáng)度關(guān)系。每容重制作3組試件，取3組試件中單組抗壓強(qiáng)度平均值最小的結(jié)果作為強(qiáng)度代表值(較保守)，各濕容重輕質(zhì)土試驗(yàn)配合比及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同濕容重輕質(zhì)土試驗(yàn)配合比及結(jié)果

圖1為濕容重與強(qiáng)度關(guān)系曲線。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，利用EXCEL軟件進(jìn)行擬合，求得濕容重-強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式：

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

(1)

圖1 濕容重與強(qiáng)度關(guān)系曲線

3 基于濕容重-強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式的配合比設(shè)計(jì)

3.1 試配抗壓強(qiáng)度

試配抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度的1.05倍[2]：

f配=1.05×f設(shè)

3.2 濕容重計(jì)算

代入式(1)中，求解得到：

濕容重為：x1=4.5894；x2=-5.396(容重為正值，舍去)

3.3 輕質(zhì)土配合比中材料用量計(jì)算

依據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T177—2012)中相關(guān)公式計(jì)算：

mc+ mw+ mf=100×x1

(《技術(shù)規(guī)程》5.2.1-2)

mc/mw=0.65

(《技術(shù)規(guī)程》5.2.4 )

mf=0.05×(1000- mc/ρc- mw/ρw)

(《技術(shù)規(guī)程》5.2.6)

經(jīng)求解，獲得優(yōu)化后輕質(zhì)土配合比，見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化后氣泡輕質(zhì)土配合比

注：水泥用量向上取整，水用量向下取整。

4 應(yīng)用效果

1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用上述氣泡輕質(zhì)土配合比工作性能較好，平均強(qiáng)度值較設(shè)計(jì)值富裕，仍有繼續(xù)優(yōu)化的空間。

2)優(yōu)化配合比后單方水泥用量減少約25 kg/m3,累計(jì)節(jié)省水泥1 500余t，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3)輕質(zhì)土制備過(guò)程中氣泡群摻加率偶爾會(huì)有波動(dòng)較大現(xiàn)象，直接影響抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定性，施工中需嚴(yán)格控制發(fā)泡群(mf)流量，并定時(shí)抽查輕質(zhì)土混合物濕容重。

5 建 議

1)本文濕容重-強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式基于本單位現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備確定，屬于小樣本經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，其他生產(chǎn)設(shè)備不宜照搬使用。

2)基于濕容重-強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式的配合比設(shè)計(jì)方法滿足《氣泡混合輕質(zhì)土填筑技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177—2012)的相關(guān)規(guī)定，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性、可操作性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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