泡沫混凝土配合比的設計與調整

蘆江龍

（中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

泡沫混凝土是通過發泡機的發泡系統，將發泡劑用機械方式充分發泡，并將泡沫與水泥漿和其他外摻材料按一定的比例充分混合均勻，然后經過發泡機的泵送系統進行現場澆注施工，經自然條件下養護所形成的一種含有大量封閉氣孔的輕型填筑材料。故具有輕質性、高流動性、底彈減震性好等特點，通過配合比設計滿足具有適當的強度、輕質、高流動以及環保等工程需要。

其特點是發泡劑形成泡沫，泡沫是形成泡沫混凝土氣孔的基礎，在泡沫混凝土內均勻分布著大量的獨立閉合膠質氣泡，從而保證了它的輕質性，泡沫混凝土因無骨料，所以其混凝土抗壓強度很低。因為材料的特殊性，可以在軟基路堤的填筑、橋臺臺背填土、滑坡路段路堤的填筑、隧道坑口的填筑、寒冷地區道路的隔熱層等部位得到廣泛應用。因此，作為重量和環境負荷減少型混凝土，泡沫混凝土的研究和應用受到越來越多的重視。

1 泡沫混凝土的應用實例

在筆者參與施工的寧波繞城高速以及蒲都高速工程中，為了在較短的施工工期內，解決不良地基、臺背填料自身收縮等因素引起的沉降，在橋臺與路基結合部，填充泡沫混凝土，以發揮泡沫混凝土的優勢，達到結合部及其附近沉降曲線的梯度變化緩慢化、均勻化的目的。現建235國道泰順段改建工程中施工設計圖紙[2]中就有泡沫混凝土，根據圖紙設計要求：其設計用量3萬m3，要求干重度為5.5～6.5kN/m3，抗壓強度≥1.0MPa，流動度為160～200mm，其它技術指標要符合浙江省地方標準《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》DB33/T996-2015執行。作者根據其標準及規范要求，對泡沫混凝土的材料選用和配合比進行了設計。

2 泡沫混凝土配合比設計與調整

2.1 原材料的選擇及用量

（1）水泥。水泥是泡沫混凝土強度的主要來源，也是首要影響因素，因為泡沫混凝土多數在常溫下養護，且又摻入大量泡沫，水泥用量偏少，會造成泡沫混凝土強度偏低，這就需要加大水泥用量，但為了保證泡沫混凝土合理的容重，就應該在滿足產品性能的基礎上，盡量降低水泥用量，通常情況下，水泥的用量占干物料總量的70%～100%。在本工程中，選用樂清海螺水泥廠生產的海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥，圖紙要求終凝時間不大于10h。其物理性能指標經檢測合格[3]，符合普通硅酸鹽水泥技術指標要求。

（2）發泡劑。依據圖紙要求：稀釋倍率≥40，發泡率≥20；產生的氣泡應均勻、細微；產生的氣泡泌水率低，穩定性好，且互不連通，能產生泡沫的物質很多，但并非所有能產生泡沫的物質都能作為泡沫劑使用。只有產生的泡沫在凈漿混合時不破裂，具有足夠穩定性，且不影響膠凝材料凝結硬化的物質才能用于制備泡沫劑。泡沫是形成泡沫混凝土氣孔的基礎，提高泡沫混凝土的強度，保持氣孔的均勻性是重要的技術指標，想要獲得符合技術要求的氣孔結構，就必須有符合技術要求的泡沫，其發泡劑（稀釋60倍）應滿足表1所列性能要求[1]：

表1 發泡劑性能指標要求

依據指標，選擇了溫州國大土木工程技術有限公司生產的復合型發泡劑，經檢測，該發泡劑沉降距、泌水量、發泡倍數符合《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》[1]中技術要求，其中泡沫密度實測值為48kg/m3。

（3）水。拌合用水采用山澗溪水，經外委檢測符合《混凝土用水標準》[5]、《公路橋涵施工技術規范》[4]中用于素混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土的技術要求。

2.2 配合比設計

2.2.1 泡沫劑的配比

泡沫的自身的性能決定了泡沫混凝土具有較低的抗壓強度，配合比設計時，通過控制泡沫混凝土的干密度，來確定泡沫混凝土強度：（1）按泡沫混凝土干密度要求，確定水泥用量；（2）通過水泥用量，確定泡沫混凝土用水量；（3）按照膠凝材料、用水量，確定水泥凈漿體積；（4）通過水泥凈漿體積，確定泡沫體積；（5）按泡沫體積、實測泡沫密度，確定泡沫劑質量。根據這個原則，可以初步確定泡沫混凝土的配合比。

2.2.2 水料比

水料比是影響泡沫混凝土的一個重要技術參數，是總用水量與各種干物料質量的比值，水料比不僅要滿足水泥水化反應的需要，更要滿足攪拌及澆注成型的需要，既要容易澆注，又不會影響澆注的穩定性。

2.3 計算初步配合比

2.3.1 計算和確定泡沫混凝土配制強度

（1）確定泡沫混凝土立方體抗壓強調標準值fcu，k=1.0MPa，

（2）按照《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》5.2.3配合比試驗28d抗壓強度宜采用目標設計值的1.05倍，確定混凝土配制強度fcu，o=1.05MPa。

2.3.2 計算和確定泡沫混凝土材料用量

（1）按照《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》查附錄D混凝土試驗配合比推薦值經驗數據，選取水泥用量mc=450kg/m3，用水量mw=270kg/m3。

（2）按照《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》5.2.2根據已知的水泥用量及水用量確定單位體積泡沫混凝土所需泡沫體積Vf：

（3）確定泡沫用量，泡沫用量mf=pf×Vf=28.03kg/m3

2.3.3 確定基準配合比各種材料用量

經試拌，泡沫混凝土流動度為216mm，不滿足設計要求，對配合比進行用水量調整，調整用水量為258kg/m3，測得泡沫混凝土流動度為196mm，滿足設計要求，確定基準配合比摻配為：mc∶mf∶mw=450∶28.03∶258。

2.4 配合比調整

（1）保持泡沫用量不變，以基準配合比水泥用量可分別減少和增加10%進行配合比調整。

配合比1：水泥用量為405kg/m3，各材料為：

mc∶mf∶mw=450∶28.03∶258經試拌流動度為224mm，不滿足設計要求，對配合比用水量調整，調整為240kg/m3，測得流動度為192mm，滿足設計要求，其配合比1摻配為：mc∶mf∶mw=450∶28.03∶240。

配合比2：水泥用量為495kg/m3，各材料為：

mc∶mf∶mw=495∶28.03∶258經試拌流動度為173mm，滿足設計要求。

（2）三組混凝土拌合物性能，干重度、力學性能結果如表2所示。

表2 三組配合比混凝土性能

根據表2可以看到泡沫混凝土抗壓強度與干重度之間具有良好的相關性，即在組成、配比和制備工藝相同的條件下，抗壓強度與干重度具有對應關系。因此，在泡沫混凝土配合比設計時，應該以干重度為基礎，在保證干重度的前提下來設計符合結構所要求的強度值，強度應以滿足這一密度等級產品的使用性能為標準。

（3）性能測試。測試試件采用28d齡期的抗壓強度、干重度，試驗方法參考DB33/T996-2015《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》進行。成型試件尺寸為100mm×100mm×100mm。

泡沫混凝土澆筑橫斷面可采用到梯形、矩形或者結合工程功能需要而確定，澆筑宜分層澆筑，單層厚度宜0.3m～0.8m，基礎底部應設置排水墊層并結合現場情況設置排水盲溝或泄水孔，當澆筑厚度大于一定程度時，應與常規填土路基的縱向、橫向銜接宜設置臺階式過渡，當泡沫混凝土單體長度超過15m或結構物截面形態發生變化時應設置沉降縫，可用一定厚度的聚苯乙烯板、瀝青麻絮等進行填塞。具體流程如圖1。

圖1 泡沫混凝土生產流程

3 結束語

泡沫混凝土的材料組成是影響強度的首要因素，包括水泥種類和強度等級、發泡劑種類和發泡倍數。在施工中，嚴格控制材料用量及攪拌工藝要求。泡沫混凝土可用于新建路堤、拓寬路堤、特殊部位處治等工程，經在本工程中應用后觀察，泡沫混凝土大幅度降低了橋臺及其附近荷載，對其他結構物幾乎沒有任何推擠作用，具有較高的穩定性，經業主和設計等單位現場觀摩，均認為達到了應有的效果。隨著科研的進一步深入，原材料的改進，泡沫混凝土在工程中的應用前景會更加廣闊。