粉水比對泡沫輕質土流變性能的影響

2021-08-19 01:04:30王子豪李立輝

水利科學與寒區工程 2021年4期

王子豪，李立輝, ，田波

(1. 重慶交通大學，重慶 400074；2．交通運輸部公路科學研究院,北京 100088)

隨著經濟的快速發展，特殊路基工程中路基回填不當誘發的不均勻沉降現象已十分普遍，且高填方路段、軟弱地基段的路基回填要求更高。常規換填土施工方法使得路基承受的附加應力急劇增加，導致路基產生不均勻沉降顯著增加，為了減小路基的壓力，泡沫輕質土由于可以避免路基承受過大的壓力，且具有輕質性、高整體性、低成本等優點，在對道路工程中特殊路基的處理上具有其優于普通回填土的優勢[1]。泡沫輕質土在近幾年研究和推廣較多，圍繞路基回填的使用功能要求和對道路沉降的防治要求，國內已開展了大量的研究[2]。但是，泡沫輕質土材料仍然存在制備強度不達標、孔徑難以調節以及無統一工程要求等問題。因此，發展具備強度可控、出色的孔徑分布的高性能泡沫輕質土材料和制定相關的技術標準顯得尤為重要。

泡沫輕質土是富含氣孔的混凝土綠色環保建筑材料，其內部泡沫混凝土通常是用機械方法將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到含硅質材料、鈣質材料、水及各種外加劑等組成的料漿中，經混合攪拌、澆注成型、養護而成的一種多孔材料。章燦林等[3]研究得出原料土的加入對泡沫輕質土的流動性和抗壓強度有明顯負面影響。裘友強等[4]分析總結，粉煤灰摻量30%、水固比1∶1.8 的配合比能以較低的材料成本達到配合比設計要求。Hoff[5]將水灰比控制在0.66～1.06，用水泥、水和發泡劑制備泡沫輕質土，密度為100～320 kg/m3。結果顯示，孔隙率與抗壓強度的關系符合冪函數關系。李博[6]提出，在相同養護齡期下，抗壓強度隨著水膠比的增大先提高后降低。粉水比是描述泡沫輕質土中膠凝材料孔隙含量變化非常簡單實用的指標。因此，通過研究粉水比對微觀孔結構和吸水耐久性的影響可以探究粉水含量和孔徑分布對泡沫輕質土強度的影響，這有助于對泡沫輕質土耐久性能的影響研究。

1 試驗

1.1試驗原料

(1)選用琉璃河水泥廠生產的 P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其化學分析如表 1。

表1 水泥成分表 %

(2)采用上海阿拉丁外加劑公司三萜皂苷，呈棕色粉末，其含固量約15.0%±0.5%。

(3)采用南京蘇博特公司生產的聚羧酸高性能減水劑，性能符合《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)的規定，減水率約20.0%。

(4)采用北京滬錦科技有限公司生產的植物蛋白陰離子發泡劑KP-9型。

1.2 試驗配合比

討論4種粉水比(P/W)分別為2.0、1.8、1.6和1.4對水泥稀漿流變特性的影響研究，其水泥稀漿的配合比見表2所示。

表2 試驗配合比

為進一步分析不同粉水比對泡沫輕質土孔結構及吸水耐久性的影響，試驗選用在表2所示的水泥稀漿配合比中，添加泡沫體積摻量為65%。針對每個粉水比試驗組，成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試塊40組。

1.3 試驗方法

1.3.1 流變參數

試驗采用Brookfield公司生產的同軸圓筒式的流變儀，其型號為RST-SST。

(1)屈服應力測試：試驗采用控制應力模式，討論不同粉水比(P/W)的水泥稀漿，采取應力加載速率分別為4.2 Pa/s、12.6 Pa/s、14.3 Pa/s、26.9 Pa/s、29.4 Pa/s及33.6 Pa/s，試驗時間控制為 120 s。

(2) 動力黏度測試：試驗時采用控制剪切速率的形式，以恒定不變的剪切速率20 s-1持續剪切水泥稀漿 120 s。

1.3.2 孔徑測試

泡沫輕質土以表2配合比攪拌混合均勻后，再澆筑到100 mm×100 mm×100 mm的試模中，澆筑成型24 h后拆模，養生7 d，然后把養護28 d的泡沫輕質土試件取樣切片，通過顯微鏡收集特征信息分析統計泡沫輕質土的平均孔徑。

1.3.3 吸水耐久性

吸水率和軟化系數測試方法，參照《輕骨料混凝土應用技術標準》(JGJ/T 12—2019)；抗壓強度試驗方法，參照《泡沫混凝土砌塊》(JC/T 1062—2007)和《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2008)。

2 結果與討論

2.1 粉水比對水泥稀漿流變性的影響

圖1給出不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)水泥稀漿的屈服應力值，圖2給出不同粉水比水泥稀漿動力黏度與時間(前80 s)的變化關系。

泡沫輕質土材料作為一種非牛頓體，其在現場應用中依靠外力和自重的作用發生流動和變形，而研究輕質土的流變性能對于材料的配比顯得尤為重要。表征流變特征的兩個重要參數包含屈服應力和動力黏度[7-8]。屈服應力是水泥稀漿發生明顯變形的應力界限，漿體外力小于屈服應力時水泥稀漿的狀態，稱為靜態流變階段[9]。

由圖1可知，不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)水泥稀漿的屈服應力分別為48.0 Pa、93.3 Pa、162.5 Pa和232.0 Pa。由此可見，隨著粉水比的增加，水泥稀漿體系開始稠化，初始剪切破壞的屈服應力不斷增大，其中粉水比由1.4增加至2.0時，屈服應力值增大了3.8倍，這是由于隨著粉料比例增加，水泥稀漿稠化，屈服應力增大，由此可通過粉水比調控泡沫輕質土的流變參數、流動性和泵送壓力。

圖1 不同粉水比水泥稀漿屈服應力

黏度是指混合料漿體之間因傳遞剪切應力發生相對運動而產生的摩擦阻力，漿體間相對運動產生的摩擦阻力越大，相應的黏度也就越大。當外力大于屈服應力時，水泥稀漿結構遭到破壞而產生較大的形變，將該階段的流變特性稱為動態流變性[9]。動力黏度存在于水泥稀漿運動的各個階段，而通常更值得關注的是水泥稀漿開始隨著外力做徑向運動的動力黏度，此時動力黏度是阻礙水泥稀漿流動變形的主要因素。

由圖2可知，動力黏度隨剪切時間的增加均出現減小的現象，減小幅度逐漸趨于平緩，即均出現“剪切變稀”的現象[10]。粉水比(P/W=2.0)較高時，動力黏度為56.4 Pa·s；粉水比(P/W=1.4)較小時，水泥稀漿的動力黏度僅為33.4 Pa·s。隨著粉水比的增加，初始動力黏度值呈現逐漸增大的趨勢。筆者認為在初始剪切應力作用時，水泥稀漿顆粒與顆粒之間的接觸面積較大，抵抗剪切變形而產生的摩擦阻力較大，同時粉體顆粒增加產生的初始動力黏度增大，水的加入使得水泥顆粒之間形成水膜，減小了水泥稀漿顆粒之間的接觸面積，因此產生的摩擦阻力作用也相應降低，導致初始動力黏度較低。

圖2 動力黏度與時間的曲線

綜上可知，隨著水泥稀漿粉水比增加，屈服應力值呈增大趨勢，動力黏度也呈現增大的趨勢，剪切稀化時間逐漸延長。

2.2 粉水比對泡沫輕質土孔結構的影響

按照表2制備不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)的泡沫輕質土，圖3為不同粉水比下泡沫輕質土的孔徑分布。

從圖3可見，不同粉水比條件下泡沫輕質土孔徑分布的變化差異顯著。隨著水泥稀漿粉水比降低，泡沫輕質土孔徑分布呈增大趨勢，粉水比由2.0降至1.4時，其結構50.0%孔徑分布則由0～150 μm 范圍擴大至0～300 μm。

圖3 不同粉水比泡沫輕質土孔徑分布

由圖3可知高黏度水泥稀漿所形成泡沫輕質土的孔徑分布，比較圖1和圖2，當粉水比(P/W=1.4)較小時，水泥稀漿的靜態屈服應力值較小，約為48.0 Pa，動力黏度僅為33.4 Pa·s，泡沫在此種體系中經過攪拌混合，部分泡沫發生合并、聚合與膨脹，而大量尺寸為200～300 μm泡沫得以穩定存在。

2.3 粉水比對泡沫輕質土吸水耐久性的影響

體積摻量為65.0%，不同粉水比條件下的泡沫輕質土的抗壓強度及質量吸水率和軟化系數，如表3和圖4。

表3 不同粉水比28 d試樣的抗壓強度及質量吸水率

圖4 泡沫輕質土粉水比變化對軟化系數的影響

泡沫輕質土是靠孔壁的支撐作用產生強度的，是強度的主要來源。有研究表明，泡沫輕質土孔徑越大，孔壁越薄，泡沫輕質土強度越小，即泡沫輕質土強度隨其孔徑增大呈減小趨勢[11-12]。由表3可知，同齡期泡沫輕質土的抗壓強度隨著粉水比(P/W)的減小而減小。這與普通混凝土水灰比與強度關系規律一致，水灰比越大，混凝土抗壓強度越小。

對比圖3和表3可知，若孔徑100～400 μm范圍內的氣孔數量越多，則泡沫輕質土抗壓強度越小；當2.0粉水比摻量時，材料的質量吸水率最低為20.1%。由圖4可以看出，隨著水泥摻量的增加，當粉水比為1.4、1.6、1.8時，軟化系數為0.53、0.62、0.83，而高粉水比2.0的泡沫輕質土的軟化系數為0.89。對比泡沫輕質土不同粉水比的孔徑分布和軟化系數測試結果，說明泡沫輕質土氣孔特征和吸水耐久性能有密切關系，隨著粉水比的增加，泡沫輕質土的孔徑分布范圍逐漸縮小且趨于穩定狀態，而泡沫輕質土軟化系數逐漸增大。

綜上分析，水泥稀漿粉水比對泡沫輕質土的孔徑分布、力學強度及吸水耐久性影響顯著，在配合比設計過程中應充分考慮粉水比對設計結果的影響。為此，課題組在編制江西省地方標準《橋涵臺背回填泡沫輕質土施工技術規程》(DB36/T 1134—2019)中，根據試驗數據，將配合比設計參數劃分為4個等級，詳細技術等級見表4。