油气管道泡沫轻质混凝土回填材料性能参数研究

李良均， 吴利斌， 王武斌

(1.四川省科宏石油天然气工程有限公司，四川成都610051；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；3.陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室，四川成都610031)

1 概述

随着西部开发以及“一带一路”的开展，西部油气管网的建设进入了大的发展时期。在油气输送管道的施工中，因为油气管道结构的特殊性和重要性，对填料的要求很高，而填料的缺乏也间接的影响了工期和成本。泡沫轻质混凝土是一种轻质填筑材料，由水泥浆与一定比例的足够细小的稳定气泡群，经充分混合揽拌形成流体，并最终凝固成型，具有自重轻、强度高且可调、施工便利、导热性低、抗震性能好、环境影响小等优点。因此，该种材料已在国外的建筑、交通等领域得到了广泛应用［1-4］。在国内，该种材料用于建筑保温、基坑及管线回填、公路与铁路路基、市政等领域，并取得了良好的工程效果［5-10］。为了研究泡沫轻质混凝土作为油气管道的回填材料的可行性，本文对泡沫轻质混凝土展开了一系列室内试验，以获取其材料性能参数。

2 试验

2.1 原材料

水泥：选用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，由四川拉法基集团生产，该水泥具有凝结硬化速度快、强度高的特点。

发泡剂：自主研发的复合型发泡剂，稀释倍数为1∶60。

2.2 试样的制备

以湿密度作为控制指标进行轻质混凝土配合比设计，根据料浆的和易性以及规范要求确定水灰比。工程应用中，泡沫轻质混凝土的密度一般控制在300～1 200 kg/m3之间，因此在本试验中，分别制备了湿密度为400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3的泡沫轻质混凝土，研究不同密度条件下泡沫轻质混凝土的相关性能，配合比如表1所示。

2.3 试验方法

2.3.1 压缩性试验

使用电子万能试验机对试样进行了单轴压缩试验，依据试验结果研究分析泡沫轻质混凝土湿密度与抗压强度的关系及其影响因素。试验参照GB/T 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行，试样的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试样龄期均为28 d。

表1 泡沫轻质混凝土基准配合比

2.3.2 抗冲击破坏试验

参照规范JB/T 9389-2008《非金属材料落锤式冲击试验机》进行试验。同一配合比的试样一次浇筑成型，不同配合比的试样采用相同的养护条件，以此削弱外部环境差异对试验结果的影响。本次试验所用试样龄期均为28 d，环境温度25℃。

2.3.3 耐酸碱腐蚀性试验

实际工程中泡沫轻质混凝土需直接浇筑在油气管道外壁，与管道的防腐层直接接触，因此，在设计试验方案时，考虑实际工况，将不同密度的泡沫轻质混凝土直接喷涂在PE防腐层外表面。试样分别保养1 d、3 d、7 d、14 d，然后观察PE防腐层表面的变化并检验其力学性能的变化，以此推测材料对PE防腐层的影响趋势。试验工况设计了4种：无水工况、有水工况、弱酸工况和弱碱工况。

3 结果分析与讨论

3.1 原材料

泡沫轻质混凝土试样的应力-应变曲线如图1所示。

图1 泡沫轻质混凝土的应力-应变曲线

由图1可知，不同湿密度泡沫轻质混凝土的应力-应变曲线变化规律基本一致，即可分为三个阶段：开始阶段，应力随着应变的增加而缓慢增长，在本阶段，两者近似于线性关系；然后进入应力随着应变线性增长的弹性阶段，达到应力峰值前，出现一段切线斜率减小的曲线，此时的应力随应变增加而缓慢增大；达到峰值后，强度开始衰减。在开始阶段，与湿密度为600 kg/m3及800 kg/m3的轻质混凝土相比，湿密度为600 kg/m3的轻质混凝土的该段曲线较短。在弹性增长阶段，三种湿密度的轻质混凝土的应力-应变近似于线性增长，但增长的速率不同，湿密度为400 kg/m3的轻质混凝土的应力随着应变的增加呈波浪状缓慢增长；与其它两种湿密度的轻质混凝土相比，湿密度为600 kg/m3的轻质混凝土的增长速率较快。在湿密度为400 kg/m3、湿密度为800 kg/m3的轻质混凝土的应力-应变曲线中，当应力达到峰值后，随着应变的增加，应力发生突降，最后出现一段随着应变的增长应力缓慢减小的曲线。

由表2可知，与湿密度为400 kg/m3的泡沫轻质混凝土相比，湿密度为600 kg/m3的泡沫轻质混凝土的无侧限抗压强度增加了2.3倍。湿密度为800 kg/m3的泡沫轻质混凝土，其无侧限抗压强度增长了7.07倍。综合安全使用及节约造价考量，湿密度为600 kg/m3的轻质混凝土在通常施工情况即可满足要求。

表2 无侧限抗压强度测试结果 25℃

3.2 泡沫轻质混凝土的抗冲击强度

由图2可知，随着湿密度的增加，泡沫轻质混凝土的抗冲击强度也逐渐增加。与湿密度为400 kg/m3的泡沫轻质混凝土相比，湿密度为600 kg/m3的泡沫轻质混凝土的抗冲击强度增加了66.95%；与湿密度为600 kg/m3泡沫轻质混凝土相比，湿密度为800 kg/m3的泡沫轻质混凝土的抗冲击强度增加了51.83%。可见随着湿密度的增长，泡沫轻质混凝土的抗冲击性能也随之增长。抗冲击强度反映材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力，泡沫轻质混凝土的抗冲击强度主要是由固体含量，即水泥胶凝材料决定的。随着湿密度的增加，水泥含量增加、泡沫掺量减小，因此其抗裂缝扩展能力与抗脆断能力增强，即泡沫轻质混凝土的抗冲击强度随着湿密度的增加而增大。

图2 湿密度对抗冲击强度性能的影响

3.3 轻质混凝土层与PE防腐层的相互作用

通过对PE防腐层表面的观察，发现4种工况下，泡沫轻质混凝土材料均不会导致PE防腐层表面出现褶皱、起泡、腐蚀等现象，泡沫混凝土材料与PE防腐层之间未有脱落现象，这说明材料与PE防腐层之间有较好的粘结力。如图3～图6所示，4种工况下，泡沫轻质混凝土材料与PE防腐层之间相互作用14 d后，PE防腐层的拉伸强度的性能保持率均可达99.22%以上。PE防腐层性能保持率曲线基本趋近水平，由此可推知泡沫轻质混凝土材料与PE防腐层材料之间没有产生过多的化学反应，泡沫轻质混凝土材料不影响PE防腐层的力学性能。

图3 无水工况PE防腐层性能保持曲线

图4 有水工况PE防腐层性能保持曲线

图5 弱酸工况PE防腐性能保持曲线

图6 弱碱工况下PE防腐层性能保持曲线

4 结论

开展了针对不同湿密度的泡沫轻质混凝土的材料性能试验以及泡沫轻质混凝土与PE防腐层接触面影响试验，得出了以下结论：

(1)当泡沫轻质混凝土湿密度从400 kg/m3到600 kg/m3时，无侧限抗压强度增加了2.3倍；从600 kg/m3到800 kg/m3时，其无侧限抗压强度增长了3.49倍。同时得出了400 kg/m3、600 kg/m3、800 kg/m3三种密度泡沫轻质混凝土压缩特性发展规律。

(2)随着湿密度的增加，泡沫轻质混凝土中固相的占比增大，其抗冲击强度也随之逐步增大。湿密度为600 kg/m3的泡沫轻质混凝土相对于湿密度为400 kg/m3的泡沫轻质混凝土，抗冲击强度增加了66.95%；湿密度为800 kg/m3的泡沫轻质混凝土相对于湿密度为600 kg/m3泡沫轻质混凝土，抗冲击强度增加了51.83%。

(3)不同工况下，泡沫轻质混凝土与PE防腐层之间相互作用之后，PE防腐层的性能保持率均可达99.22%以上，即泡沫轻质混凝土材料对PE防腐层的力学性能没有影响。

综上所述，泡沫轻质混凝土材料作为油气管道的回填材料，物理力学性能均满足要求。试验中的结果可为类似工程提供借鉴。