气泡轻质盐渍土的力学性能和耐久性能分析

李哲辉，李军伟，王佳欣

（天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384）

气泡轻质土是一种工程填充材料，具有轻质性、良好的工作性和高耐久性等特点[1-2]，广泛应用于工程中.气泡轻质土主要组分为原料土、固化剂、气泡和外掺料等，各组分对气泡轻质土的性能均有较大影响，其中原料土是影响气泡轻质土性能的重要因素.目前，气泡轻质土使用普通土居多，对于盐渍土在气泡轻质土中的应用研究较少.

我国滨海地区存在大量氯盐渍土，因其具有溶陷性、腐蚀性等缺点，对工程危害大[3-5]，因此在工程中的使用率很低.一般采取换填、加固或隔断的方法处理盐渍土，但处理的成本很高[6-7].因此，如何综合高效利用氯盐渍土是近年来的研究热点.在氯盐渍土覆盖区域施工，如果可以就地取材，使用氯盐渍土作为原料土制作气泡轻质土，就可以省时省力、节约成本、节省土地资源.本文采用氯盐渍土为原料土制备气泡轻质土，研究影响气泡轻质盐渍土性能的因素，为盐渍土在工程上的应用提供实验指导.

1 实验部分

1.1 实验材料

发泡剂：自配，主要成分为动物蛋白、植物蛋白和十二烷基苯磺酸钠，采用该发泡剂进行机械搅拌制得泡沫，发泡倍数为37.5倍，半衰期为95 min；水泥为冀东P·O42.5水泥；硬脂酸钙为工业级，福润达化工有限公司生产.

1.2 实验设备

净浆搅拌器为NJ-160B型，京路达仪器仪表有限公司；标准恒温恒湿养护箱为YH-40B型，京路达试验仪器有限公司；应变控制式无侧限压力仪为YYM-2型，南京土壤仪器厂有限公司；冻融循环机为TDR-2型，畅阳建筑仪器有限公司；干湿循环机为MKS-54B型，北京中科路建仪器设备有限公司；扫描电镜为JSM-7800F型，日本电子株式会社.

1.3 实验方案

拟研究气泡、水泥、盐渍土含盐率及硬脂酸钙对气泡轻质盐渍土性能的影响.气泡含量采用气泡体积占试块体积的百分比表示；水泥含量用水泥占粉体的质量百分比表示；盐渍土含盐率用氯盐占盐渍土的质量百分比表示；硬脂酸钙含量采用硬脂酸钙占粉体的质量百分比表示.具体实验方案见表1.

表1 实验方案一览表 %

1.4 试块制备

精准称量盐渍土、水泥、硬脂酸钙和水，放入净浆搅拌机内搅拌均匀，制得浆体；然后将制备好的气泡添加到浆体中，搅拌均匀，直至无浮泡为止；再浇入模具中，在标准恒温恒湿养护箱内养护24 h后脱模，在自然条件下分别养护7，14，28 d.

1.5 性能测试

采用应变控制式无侧限压力仪测试养护龄期为7，14，28 d的试块的无侧限抗压强度；将养护龄期为28 d的试块置于烘箱内，于80℃下烘干24 h，称量干质量m1（g），再将试块完全浸没于水中48 h，取出后擦干表面水分，称量湿质量m2（g），最后计算吸水率w=（m2-m1）/m1×100%；将养护龄期为28 d的试块放入冻融循环机中进行冻融循环，计算15次冻融循环后无侧限抗压强度损失率、吸水率增加率和质量损失率；将养护龄期为28 d的试块放入干湿循环机中进行干湿循环，计算15次干湿循环后无侧限抗压强度损失率、吸水率增加率和质量损失率；采用扫描电镜观察试块的断面结构.

2 结果与讨论

2.1 气泡含量对气泡轻质盐渍土试块性能的影响

（1）对力学性能的影响.不同气泡含量试块的无侧限抗压强度和吸水率如图1所示.

图1 气泡含量对试块无侧限抗压强度和吸水率的影响

由图1可知：随着气泡含量增加，试块的无侧限抗压强度大幅下降，而吸水率呈线性增大；当气泡含量由40%升到65%时，试块的无侧限抗压强度减少了450%，吸水率增加了73%，可见气泡含量对气泡轻质盐渍土的性能有明显影响.不同气泡含量试块的SEM图如图2所示，气泡含量少时（见图2a），试块孔洞的尺寸小、孔壁厚、孔洞之间的连通程度低，试块结构的密实性高，所以试块的无侧限抗压强度高，吸水率低；而随气泡含量的增加（见图2b），试块的孔洞尺寸变大，孔洞间的破坏和连通程度增加，试块的密实性低，从而导致无侧限抗压强度降低，吸水率增大.

图2 不同气泡含量试块的SEM图

（2）对耐久性能的影响.气泡轻质盐渍土的耐久性通过抗冻融、抗干湿性能表征.经历15次冻融或干湿循环后，不同气泡含量试块各性能的变化见表2.

表2 气泡含量对试块抗冻融和抗干湿性能的影响 %

分析表2可知，随气泡含量增加，试块的无侧限抗压强度损失率、吸水率增加率及质量损失率均逐渐增大，试块的抗冻融和抗干湿性能逐渐下降；当气泡含量达到60%时，试块的无侧限抗压强度损失率已经大于25%，且吸水率的增加率和质量损失率都明显增大，已不能满足工程要求.

2.2 水泥含量对气泡轻质盐渍土试块性能的影响

（1）对力学性能的影响.不同水泥含量试块的无侧限抗压强度和吸水率如图3所示.

由图3可得：随着水泥含量的增加，试块的无侧限抗压强度呈线性增大，吸水率逐渐减小；当水泥含量由50.0%增加到100.0%时，试块的无侧限抗压强度增加了444%，吸水率减少了91%，说明水泥含量对气泡轻质盐渍土的性能有明显影响.分析可知，水泥是气泡轻质盐渍土的固化剂，起到了黏结土粒、提供强度、构成骨架的作用，且水泥可以保证内部孔洞的完整性.不同水泥含量试块的SEM图如图4所示.结合图4可知，当水泥含量低时（见图4a），土颗粒松散，孔壁强度低，孔洞之间的连通程度高，故导致试块的无侧限抗压强度低，吸水率高；随着水泥含量的增加（见图4b），试块结构的密实性和稳固性提高，内部孔洞完整，不易被破坏，从而促使试块的强度增加、吸水率减小.

（2）对耐久性能的影响.经历15次冻融或干湿循环后，不同水泥含量试块各性能的变化见表3.

图4 不同水泥含量试块的SEM图

表3 水泥含量对试块抗冻融和抗干湿性能的影响 %

由表3可知，随水泥含量减少，试块的无侧限抗压强度损失率、吸水率增加率及质量损失率都逐渐增大，试块的抗冻融和抗干湿性能逐渐降低.这是因为水泥含量越低，水泥对土体的胶结作用越弱，试块的强度越低，结构越脆弱，所以试块被冻融或干湿循环破坏的效果越明显.经实验显示，当水泥含量下降到50.0%左右时，试块力学性能和耐久性能急剧下降，已无实用价值.

2.3 盐渍土含盐率对气泡轻质盐渍土试块性能的影响

（1）对力学性能的影响.不同盐渍土含盐率7，14，28 d龄期试块的无侧限抗压强度和吸水率见图5-6，不同盐渍土含盐率试块的SEM图见图7.

由图5知，随盐渍土含盐率的增加，试块的各龄期的无侧限抗压强度都逐渐增大.原因当含盐率为0时，7 d龄期试块的无侧限抗压强度为28 d的75%；当含盐率上升到9.0%时，7 d龄期试块的无侧限抗压强度升高到28 d的88%，试块早期强度的形成速度明显加快.这是因为氯盐起到了早强剂的作用，加速了水泥水化反应的速度.由图7可见，试块早期强度的快速形成有利于内部孔洞保持完整.当盐渍土含盐率为0.5%时（见图7a），试块的孔壁破损程度较大；而当盐渍土含盐率为9.0%时（见图7b），试块的孔洞完整，孔壁破坏少，从而使试块无侧限抗压强度增大.

由图6可见，在同一龄期条件下，试块的吸水率随着盐渍土含盐率的增加而逐渐降低，这跟上述试块无侧限抗压强度的变化原因一致；同时观察可发现，在相同盐渍土含盐率条件下，各龄期试块的吸水率并没有发生明显变化，这是因为试块的孔洞结构在强度形成初期就已固形，不会随养护时间的增加而明显改变，所以吸水率并没有随龄期的增长而发生变化.

图5 盐渍土含盐率对试块无侧限抗压强度的影响

图6 盐渍土含盐率对试块吸水率的影响

图7 不同盐渍土含盐率试块的SEM图

（2）对耐久性能的影响.经历15次冻融或干湿循环后，养护龄期为28 d的不同盐渍土含盐率试块各性能的变化如表4所示.

表4 含盐率对试块抗冻融和抗干湿性能的影响 %

由表4可知，随盐渍土含盐率升高，试块的无侧限抗压强度损失率、吸水率增加率及质量损失率逐渐降低，抗冻融和抗干湿性能提高，这是因为盐渍土的含盐率越高，试块的力学性能越高，所以被冻融循环破坏的效果越弱.由此可得盐渍土中的氯盐可以提高气泡轻质盐渍土的耐久性能.

2.4 硬脂酸钙对气泡轻质盐渍土试块力学性能的影响

不同硬脂酸钙试块无侧限抗压强度和吸水率见图8.

图8 硬脂酸钙对试块无侧限抗压强度和吸水率的影响

由图8可知，随硬脂酸钙含量增加，试块的无侧限抗压强度先增大后降低；在硬脂酸钙含量为1.0%左右时达到最大值（2.5 MPa）；吸水率先减小后增大，在硬脂酸钙含量为1.0%左右时达到最小值（15.7%）.这是因为硬脂酸钙是防水剂，在水泥内部形成连续的憎水膜，并可填充水泥内部缝隙，使气泡减小，优化内部结构，从而促使试块无侧限抗压强度提高，吸水率降低[8].不同硬脂酸钙含量试块的SEM图如图9所示.由图9可见，当硬脂酸钙含量为0.5%时（见图9a），试块内部的孔洞较大，连通较多；而当硬脂酸钙含量为1.0%时（见图9b），孔洞较小，完整性好，连通少，所以使试块强度得到提高，吸水率得以降低.

图9 不同硬脂酸钙含量试块的SEM图

3 结论

（1）气泡和水泥含量对气泡轻质盐渍土性能的影响明显，力学性能和耐久性能均随气泡含量的增加或水泥含量的减少而降低.

（2）随盐渍土含盐率的增大，气泡轻质盐渍土的力学性能和耐久性能均逐渐提高.

（3）加入适量硬脂酸钙有助于提高气泡轻质盐渍土的力学性能，最佳掺量为1.0%.