粉水比对泡沫轻质土流变性能的影响

王子豪，李立辉, ，田 波

(1. 重庆交通大学，重庆 400074；2．交通运输部公路科学研究院,北京 100088)

随着经济的快速发展，特殊路基工程中路基回填不当诱发的不均匀沉降现象已十分普遍，且高填方路段、软弱地基段的路基回填要求更高。常规换填土施工方法使得路基承受的附加应力急剧增加，导致路基产生不均匀沉降显著增加，为了减小路基的压力，泡沫轻质土由于可以避免路基承受过大的压力，且具有轻质性、高整体性、低成本等优点，在对道路工程中特殊路基的处理上具有其优于普通回填土的优势[1]。泡沫轻质土在近几年研究和推广较多，围绕路基回填的使用功能要求和对道路沉降的防治要求，国内已开展了大量的研究[2]。但是，泡沫轻质土材料仍然存在制备强度不达标、孔径难以调节以及无统一工程要求等问题。因此，发展具备强度可控、出色的孔径分布的高性能泡沫轻质土材料和制定相关的技术标准显得尤为重要。

泡沫轻质土是富含气孔的混凝土绿色环保建筑材料，其内部泡沫混凝土通常是用机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料。章灿林等[3]研究得出原料土的加入对泡沫轻质土的流动性和抗压强度有明显负面影响。裘友强等[4]分析总结，粉煤灰掺量30%、水固比1∶1.8 的配合比能以较低的材料成本达到配合比设计要求。Hoff[5]将水灰比控制在0.66～1.06，用水泥、水和发泡剂制备泡沫轻质土，密度为100～320 kg/m3。结果显示，孔隙率与抗压强度的关系符合幂函数关系。李博[6]提出，在相同养护龄期下，抗压强度随着水胶比的增大先提高后降低。粉水比是描述泡沫轻质土中胶凝材料孔隙含量变化非常简单实用的指标。因此，通过研究粉水比对微观孔结构和吸水耐久性的影响可以探究粉水含量和孔径分布对泡沫轻质土强度的影响，这有助于对泡沫轻质土耐久性能的影响研究。

1 试 验

1.1试验原料

(1)选用琉璃河水泥厂生产的 P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，其化学分析如表 1。

表1 水泥成分表 %

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

(3)采用南京苏博特公司生产的聚羧酸高性能减水剂，性能符合《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)的规定，减水率约20.0%。

(4)采用北京沪锦科技有限公司生产的植物蛋白阴离子发泡剂KP-9型。

1.2 试验配合比

讨论4种粉水比(P/W)分别为2.0、1.8、1.6和1.4对水泥稀浆流变特性的影响研究，其水泥稀浆的配合比见表2所示。

表2 试验配合比

为进一步分析不同粉水比对泡沫轻质土孔结构及吸水耐久性的影响，试验选用在表2所示的水泥稀浆配合比中，添加泡沫体积掺量为65%。针对每个粉水比试验组，成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试块40组。

1.3 试验方法

1.3.1 流变参数

试验采用Brookfield公司生产的同轴圆筒式的流变仪，其型号为RST-SST。

(1)屈服应力测试：试验采用控制应力模式，讨论不同粉水比(P/W)的水泥稀浆，采取应力加载速率分别为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，试验时间控制为 120 s。

(2) 动力黏度测试：试验时采用控制剪切速率的形式，以恒定不变的剪切速率20 s-1持续剪切水泥稀浆 120 s。

1.3.2 孔径测试

泡沫轻质土以表2配合比搅拌混合均匀后，再浇筑到100 mm×100 mm×100 mm的试模中，浇筑成型24 h后拆模，养生7 d，然后把养护28 d的泡沫轻质土试件取样切片，通过显微镜收集特征信息分析统计泡沫轻质土的平均孔径。

1.3.3 吸水耐久性

吸水率和软化系数测试方法，参照《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T 12—2019)；抗压强度试验方法，参照《泡沫混凝土砌块》(JC/T 1062—2007)和《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T 11969—2008)。

2 结果与讨论

2.1 粉水比对水泥稀浆流变性的影响

图1给出不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)水泥稀浆的屈服应力值，图2给出不同粉水比水泥稀浆动力黏度与时间(前80 s)的变化关系。

泡沫轻质土材料作为一种非牛顿体，其在现场应用中依靠外力和自重的作用发生流动和变形，而研究轻质土的流变性能对于材料的配比显得尤为重要。表征流变特征的两个重要参数包含屈服应力和动力黏度[7-8]。屈服应力是水泥稀浆发生明显变形的应力界限，浆体外力小于屈服应力时水泥稀浆的状态，称为静态流变阶段[9]。

由图1可知，不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)水泥稀浆的屈服应力分别为48.0 Pa、93.3 Pa、162.5 Pa和232.0 Pa。由此可见，随着粉水比的增加，水泥稀浆体系开始稠化，初始剪切破坏的屈服应力不断增大，其中粉水比由1.4增加至2.0时，屈服应力值增大了3.8倍，这是由于随着粉料比例增加，水泥稀浆稠化，屈服应力增大，由此可通过粉水比调控泡沫轻质土的流变参数、流动性和泵送压力。

图1 不同粉水比水泥稀浆屈服应力

黏度是指混合料浆体之间因传递剪切应力发生相对运动而产生的摩擦阻力，浆体间相对运动产生的摩擦阻力越大，相应的黏度也就越大。当外力大于屈服应力时，水泥稀浆结构遭到破坏而产生较大的形变，将该阶段的流变特性称为动态流变性[9]。动力黏度存在于水泥稀浆运动的各个阶段，而通常更值得关注的是水泥稀浆开始随着外力做径向运动的动力黏度，此时动力黏度是阻碍水泥稀浆流动变形的主要因素。

由图2可知，动力黏度随剪切时间的增加均出现减小的现象，减小幅度逐渐趋于平缓，即均出现“剪切变稀”的现象[10]。粉水比(P/W=2.0)较高时，动力黏度为56.4 Pa·s；粉水比(P/W=1.4)较小时，水泥稀浆的动力黏度仅为33.4 Pa·s。随着粉水比的增加，初始动力黏度值呈现逐渐增大的趋势。笔者认为在初始剪切应力作用时，水泥稀浆颗粒与颗粒之间的接触面积较大，抵抗剪切变形而产生的摩擦阻力较大，同时粉体颗粒增加产生的初始动力黏度增大，水的加入使得水泥颗粒之间形成水膜，减小了水泥稀浆颗粒之间的接触面积，因此产生的摩擦阻力作用也相应降低，导致初始动力黏度较低。

图2 动力黏度与时间的曲线

综上可知，随着水泥稀浆粉水比增加，屈服应力值呈增大趋势，动力黏度也呈现增大的趋势，剪切稀化时间逐渐延长。

2.2 粉水比对泡沫轻质土孔结构的影响

按照表2制备不同粉水比(1.4、1.6、1.8和2.0)的泡沫轻质土，图3为不同粉水比下泡沫轻质土的孔径分布。

从图3可见，不同粉水比条件下泡沫轻质土孔径分布的变化差异显著。随着水泥稀浆粉水比降低，泡沫轻质土孔径分布呈增大趋势，粉水比由2.0降至1.4时，其结构50.0%孔径分布则由0～150 μm 范围扩大至0～300 μm。

图3 不同粉水比泡沫轻质土孔径分布

由图3可知高黏度水泥稀浆所形成泡沫轻质土的孔径分布，比较图1和图2，当粉水比(P/W=1.4)较小时，水泥稀浆的静态屈服应力值较小，约为48.0 Pa，动力黏度仅为33.4 Pa·s，泡沫在此种体系中经过搅拌混合，部分泡沫发生合并、聚合与膨胀，而大量尺寸为200～300 μm泡沫得以稳定存在。

2.3 粉水比对泡沫轻质土吸水耐久性的影响

体积掺量为65.0%，不同粉水比条件下的泡沫轻质土的抗压强度及质量吸水率和软化系数，如表3和图4。

表3 不同粉水比28 d试样的抗压强度及质量吸水率

图4 泡沫轻质土粉水比变化对软化系数的影响

泡沫轻质土是靠孔壁的支撑作用产生强度的，是强度的主要来源。有研究表明，泡沫轻质土孔径越大，孔壁越薄，泡沫轻质土强度越小，即泡沫轻质土强度随其孔径增大呈减小趋势[11-12]。由表3可知，同龄期泡沫轻质土的抗压强度随着粉水比(P/W)的减小而减小。这与普通混凝土水灰比与强度关系规律一致，水灰比越大，混凝土抗压强度越小。

对比图3和表3可知，若孔径100～400 μm范围内的气孔数量越多，则泡沫轻质土抗压强度越小；当2.0粉水比掺量时，材料的质量吸水率最低为20.1%。由图4可以看出，随着水泥掺量的增加，当粉水比为1.4、1.6、1.8时，软化系数为0.53、0.62、0.83，而高粉水比2.0的泡沫轻质土的软化系数为0.89。对比泡沫轻质土不同粉水比的孔径分布和软化系数测试结果，说明泡沫轻质土气孔特征和吸水耐久性能有密切关系，随着粉水比的增加，泡沫轻质土的孔径分布范围逐渐缩小且趋于稳定状态，而泡沫轻质土软化系数逐渐增大。

综上分析，水泥稀浆粉水比对泡沫轻质土的孔径分布、力学强度及吸水耐久性影响显著，在配合比设计过程中应充分考虑粉水比对设计结果的影响。为此，课题组在编制江西省地方标准《桥涵台背回填泡沫轻质土施工技术规程》(DB36/T 1134—2019)中，根据试验数据，将配合比设计参数划分为4个等级，详细技术等级见表4。

表4 水泥稀浆粉水比(P/W)的取值参考

3 结 论

(1)随着泡沫轻质土中粉体材料占比的增加，浆体产生及保持流动所需的能量更大，其稀浆内部的屈服应力和动力黏度均增大。

(2)四种粉水比的泡沫轻质土，粉水比大的泡沫轻质土平均孔径减小，粉水比从1.4增加到2.0时，泡沫轻质土结构孔径分布范围明显减小，且形成大量稳定气泡。吸水耐久性试验中，高粉水比泡沫轻质土具有较好的耐水性能。

(3)此研究中充分考虑粉水比对设计结果的影响，依据泡沫轻质土的强度明确量化了配合比设计参数且划分为四个等级，提升泡沫轻质土设计质量。