粉煤灰基氣泡輕質土配合比和抗壓強度研究*

陳朋，惠冰，孟凌霄，劉廣波，馬明暢，王翠雪

(1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250104；2.中國建設基礎設施有限公司，北京 100029)

路橋過渡段屬于剛柔過渡區域，極易發生不均勻沉降，嚴重時引起橋頭跳車，影響出行安全與交通品質。氣泡輕質土具有輕質、強度可調、高流動性、施工簡便、耐久性好、隔熱性好、滲透系數低、經濟環保等優點，被廣泛應用于公路工程臺背回填、路基擴寬及舊路抬高等建設項目，是工程領域大力推廣的新型綠色、環保、節能材料。對建設項目附近的粉煤灰等工業廢料加以利用，可有效實現資源利用與降本增效。本文依托具體工程項目，優選水泥、低等級粉煤灰、發泡劑及土體等材料進行配合比試驗,研究不同水泥摻量下粉煤灰基氣泡輕質土的物理力學特征。

1 剛柔過渡段漸變原理

臺背墻體由剛性很大的堅石、鋼筋混凝土澆筑而成，為剛性體。路基一般采用剛性較小且柔性較大的土體填筑而成，為彈塑性體。從結構力學角度分析，路基土體與混凝土結構物之間存在較大的剛度差異，引起路基土體與結構物之間產生較大塑性變形，同時造成較大的剛度突變。為保證行車安全和舒適性，應使路基土體與臺背墻體之間的剛度差異在一定范圍內逐漸變化、塑性變形不均勻差異逐漸變化，保證漸變后任何一點的剛度差不致于引起跳車，任何一點的塑性變形相對差不致于使路面產生差異沉降、沉陷、斷裂等病害(見圖1、圖2)。

如圖1、圖2所示，臺背回填長度與剛度差值Δδ、剛度坡度i1、塑性變形差值Δl、塑性變形坡度i2等參數有關。對于臺背回填的質量要求，是保證剛度變化和塑性變形的根本原因。

δ1為路基土體剛度；δ2為結構物剛度；Δδ為路基剛度與結構物剛度差值，Δδ=δ2-δ1；i1為剛度漸變坡度，i1=Δδ/L1

l1為結構物塑性變形；l2為路基土體塑性變形；Δδ為路基土體塑性變形與結構物塑性變形差值，Δl=l2-l1；i2為塑性變形漸變坡度，i2=Δl/l2

2 粉煤灰基氣泡輕質土配合比方案

粉煤灰基氣泡輕質土的主要材料為水泥、粉煤灰、發泡劑、土體、水等，其中水泥采用P.O42.5水泥，粉煤灰采用Ⅱ類粉煤灰，發泡劑采用動物蛋白發泡劑，土體為粉質黏土，水采用自來水。根據粉煤灰基氣泡輕質土配合比試驗研究內容制訂3種方案：配合比方案1為水泥、10%摻量Ⅱ類粉煤灰、發泡劑、5%粉質黏土、水(見表1)；配合比方案2為水泥、15%摻量Ⅱ類粉煤灰、發泡劑、5%粉質黏土、水(見表2)；配合比方案3為水泥、20%摻量Ⅱ類粉煤灰、發泡劑、5%粉質黏土、水(見表3)。

表1 10%摻量粉煤灰氣泡輕質土的試驗配合比

表2 15%摻量粉煤灰氣泡輕質土的試驗配合比

表3 20%摻量粉煤灰氣泡輕質土的試驗配合比

對發泡劑按1∶60進行稀釋，采用LC-5型發泡機對發泡稀釋液進行發泡。將水泥、粉煤灰、粉質黏土按照相應配合比摻合在一起，倒入攪拌機中，加入自來水快速攪拌60 s；稱量泡沫后倒入攪拌機中慢速攪拌30 s，靜置20 s后倒入試模。試模尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每3個試塊為1組。每種配合比進行3組試驗。

3 粉煤灰基氣泡輕質土物理力學特征研究

根據相關規范，公路工程中粉煤灰基氣泡輕質土的物理力學指標主要為發泡劑1 h沉降距、泌水量、氣泡輕質土流值、濕容重、抗壓強度。

3.1 物理力學指標測試結果

對不同粉煤灰摻量粉煤灰基氣泡輕質土的物理力學指標進行測試，結果見表4～6。

表4 水灰比0.55下不同粉煤灰摻量粉煤灰基氣泡輕質土的物理力學指標

表5 水灰比0.58下不同粉煤灰摻量粉煤灰基氣泡輕質土的物理力學指標

表6 水灰比0.6下不同粉煤灰摻量粉煤灰基氣泡輕質土的物理力學指標

3.2 拌合物工作性能分析

常規氣泡輕質土的技術指標要求如下：濕容重500～700 kg/m3；1 h沉降距≤5 mm；泌水量≤25 mL；流值(180±20)mm；28 d抗壓強度≥1.0 MPa。

由表4～6可知：隨著低等級粉煤灰摻量的增加，沉降距和泌水量增加，表明粉煤灰對發泡劑具有一定消泡效應；隨著低等級粉煤灰摻量的增加，流值增大，但粉煤灰摻量超過15%時，流值降低，說明流值控制粉煤灰基氣泡輕質土的自流性和充填性，流值過大，粉煤灰基氣泡輕質土的穩定性較差；隨著水灰比的增大，粉煤灰基氣泡輕質土的流值逐漸增加，抗壓強度逐漸降低。

3.3 氣泡輕質土抗壓強度分析

由表4～6可知：隨著水灰比從0.55變化至0.6，氣泡輕質土的7 d、28 d抗壓強度逐漸降低；增大低等級粉煤灰摻量，氣泡輕質土的早期強度緩慢降低；低等級粉煤灰摻量為20%時，氣泡輕質土28 d抗壓強度低于1.0 MPa，不滿足技術要求。

4 氣泡輕質土經濟性分析

對1 m3純水泥氣泡輕質土、低等級粉煤灰摻量10%和15%的粉煤灰基氣泡輕質土進行成本核算。經計算，在工作性能和耐久性符合要求的條件下，與純水泥氣泡輕質土相比，低等級粉煤灰摻量為15%時，材料成本降低13.46%；低等級粉煤灰摻量為15%時，材料成本降低17.31%(見表7)。考慮拌合工藝和質量控制要求，粉煤灰基氣泡輕質土可實現節約成本近20%，具有明顯的經濟效益。同時可實現粉煤灰工業廢料的再循環利用，減少環境污染，達到綠色生態、高效節能效果。

表7 水灰比0.6粉煤灰基氣泡輕質土的經濟性分析

5 結論

(1)隨著低等級粉煤灰摻量的增加，粉煤灰基氣泡輕質土的沉降距、流值和泌水量增大，低等級粉煤灰摻量超過15%時流值降低。流值過大，粉煤灰基氣泡輕質土的穩定性較差。隨著水灰比的增大，粉煤灰基氣泡輕質土的流值逐漸增大，抗壓強度逐漸降低。

(2)低等級粉煤灰摻量在20%以內時，粉煤灰基氣泡輕質土的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而增大，低等級粉煤灰摻量超過20%時抗壓強度明顯降低。低等級粉煤灰摻量為15%時，粉煤灰基氣泡輕質土的各項物理力學指標均最優，且經濟效益顯著。

(3)采用粉煤灰基氣泡輕質土填筑路橋過渡段，可大大減輕回填土的荷載，降低地基應力，抑制新回填土的沉降、側移和破壞，大大縮減剛柔過渡段附近的差異沉降，有效解決不均勻沉降，保證工程質量。