磨细石灰石粉在泡沫轻质土中的应用研究*

薛国毛 谢规球 郑 中 陈 云

(1.中交第四公路工程局有限公司 北京 100022； 2.中南大学土木工程学院 长沙 410075)

泡沫轻质土的组成材料主要包括固化剂、细骨料、气泡和水。许多学者通过研究不同的掺和料或外加剂对泡沫轻质土的改性影响以进一步提高泡沫轻质土的性能[1-3]。陈金威等[4-5]选用不同掺料研究不同掺合料对泡沫轻质土强度等性能的影响，认为掺加矿粉和粉煤灰的泡沫轻质土表现出了较高的强度特性。嵇鹰等[6-7]对不同粉煤灰制备的泡沫轻质土进行研究，分析了泡沫轻质土孔结构与抗压强度之间的关系，并得到粉煤灰对泡沫混凝土的作用机理。

国内外现多使用粉煤灰作为泡沫混凝土的一种细骨料，但粉煤灰泡沫混凝土早期强度偏低，实际工程中泡沫轻质土早期强度过低会严重影响工期，并且随着我国基础建设的发展，粉煤灰已成为一种稀缺的材料。因此，选择合适的废弃材料代替全部或部分粉煤灰制备泡沫轻质土，在保证轻质土性能的同时做到节约环保、经济高效。此外，细度较小的石灰石粉在混凝土中不仅可充当微骨料，还能促进水化反应，有利于提高混凝土的早期强度。因此，以磨细石灰石粉作为一种辅固化剂掺合料，分析其对泡沫轻质土性能的影响，具有一定研究价值。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

1) 发泡剂。试验所用发泡剂为QW-100型号发泡剂，属于物理发泡剂的一种。

2) 水泥。本试验选用42.5级的普通硅酸盐水泥，其主要物理性能指标见表1。

表1 试验用水泥主要性能指标

3) 粉煤灰。本试验选用F类II级粉煤灰作为试验原材料，其主要物理性能指标见表2。

表2 试验用粉煤灰主要性能指标

4) 磨细石灰石粉。试验采用比表面积为700 m2/kg的磨细石灰石粉，其主要化学组成见表3。

表3 磨细石灰石粉化学分析结果

5) 水。采用试验室中杂质较少的自来水。

1.2 试验方案

为了有效避免大量的试验次数、节约成本，得到各试验因子对泡沫轻质土性能的影响大小和规律，试验采用均匀设计方法，选择4个因素：水固比(水泥浆中单位质量固体所含水的质量即水的质量与水泥、粉煤灰、磨细石灰石粉等固化剂总量之和的比)、粉灰比(辅固化剂与主固化剂之比即粉煤灰、磨细石灰石粉质量和与水泥质量之比)、石灰石粉掺比(石灰石粉对粉煤灰的取代比)及气泡率(单位泡沫轻质土中所含泡沫的体积)，每个因素选择5个水平，以水平次数的3倍作为实际试验次数，选择U15×(157)使用表进行试验设计，因素水平见表4。

表4 均匀试验因素水平设计表

1.3 试验方法

将以上试验因素设计参数代入式(1)和(2)，每组按25 L泡沫轻质土计算，得到各组均匀试验材料配比。按DB33/T 996-2015 《公路工程泡沫混凝土应用技术规范》对泡沫轻质土的湿重度、流值、消泡率，以及无侧限抗压强度等性能进行测定。

(1)

Mq=ρq×Vq

(2)

其中：Vq为泡沫轻质土的气泡率；Mc为每立方泡沫轻质土中水泥的质量，kg/m3；Mw为每立方泡沫轻质土中水的质量，kg/m3；Mf为每立方泡沫轻质土中粉煤灰的质量，kg/m3；Ms为每立方泡沫轻质土中磨细石灰石粉的质量，kg/m3；ρc为水泥的密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3；ρf为粉煤灰的密度，kg/m3；ρs为磨细石灰石粉的密度，kg/m3；Mq为气泡的质量，kg/m3；ρq为气泡的密度，kg/m3。

泡沫轻质土制备方法具体步骤如下。

1) 量取10 L的水和0.25 L的发泡剂，按照40倍的稀释倍率对发泡剂进行稀释，得到发泡剂稀释液，并利用便携式发泡机将发泡液在压力的作用下引入空气，产生大量稳定的泡沫。

2) 按配方量称取水泥、粉煤灰、磨细石灰石粉和水，对其进行充分搅拌，形成水泥浆液。

3) 称取一定量的泡沫与水泥浆液进行混合搅拌，形成泡沫轻质土混合液。

4) 对制成的泡沫轻质土浆液进行流值、湿重度和消泡试验等性能测定，同时将浆液倒入模具中进行试样制备，养护到一定龄期后进行无侧限抗压强度测定。

2 试验结果与模型建立

2.1 试验结果

在实际工程应用中，评价泡沫轻质土物理力学性能最基本的指标是：无侧限抗压强度、湿重度、流值。同时本文添加消泡试验对试样进行检测。对上节均匀试验设计得到的各组泡沫轻质土进行性能测定。测定结果表明，各试验组泡沫轻质土流值实测值为170～195 mm；湿重度实测值为5～8 kN/m3；消泡率为5%～13%；24 h无侧限抗压强度为0.17～0.60 MPa；3 d抗压强度实测值为0.42～1.01 MPa；7 d抗压强度为0.64～1.49 MPa；14 d抗压强度为0.91～2.49 MPa；28 d抗压强度实测值为1.26～2.80 MPa。

根据规范及现场泡沫轻质土性能要求，泡沫轻质土为满足泵送要求，流值应大于170 mm，同时为保证其早期强度性能，流值不得超过190 mm，并且7 d抗压强度不低于0.6 MPa，28 d抗压强度不低于1.2 MPa，湿重度不超过7.5 kN/m3，消泡率低于10%。15个试验组的各项性能指标试验值几乎全部将现场及规范要求的区间范围包含在内，说明本次均匀试验设计合理，可为后续分析提供数据支撑和理论依据。

2.2 建立模型

回归分析是用来研究因变量与自变量之间关系的首选方法，在预测建模、查找变量间关系等领域有较为广泛的应用。回归分析法可以有2个及2个以上的自变量数目，其主要优势在于两方面：①得到回归模型，描述因变量与自变量间的显著关系；②描述多个独立变量对因变量的不同影响程度。

本研究采用多元二次回归模型，将4个自变量水固比、粉灰比、石灰石粉掺比和气泡率及其两两组合所得项考虑为回归模型的自变量，选用SPSS(statistical product and service solutions)软件中的多元线性回归模块，将二次多元非线性回归转化为线性回归以进行回归分析，数据输入见图1。

图1 SPSS数据输入

程序每次只能进行1个因变量的回归分析，总体统计检验值符合F分布，采用后退法，对泡沫轻质土关键性能指标进行多元回归分析，得到回归模型，见式(3)。

fγw=59.784+27.093x2-164.939x4-

42.231x2x4+127.342x42

fJ=114.023+317.024x1-124.387x2+

26.544x1x3-242.570x1x4-108.614x22

fδ=-0.310+0.525x1+1.377x2-0.801x1x3-

2.158x2x4+0.402x32+0.509x42fC1=1.336-4.542x2-3.132x1x3+3.307x2x3+4.689x22+1.008x32

fC3=9.879-3.097x2-23.767x4-2.33x1x3+

4.502x2x3+17.095x42

fC7=3.724-5.207x2+5.623x1x3-

7.176x1x4+7.262x2x4-4.623x3x4

fC14=12.458-22.888x2-16.685x4+

33.890x2x4

fC28=79.257-125.552x1-116.284x4-

1.3x1x3+188.329x1x4-

0.304x2x3+1.65x3x4

式中：γw为泡沫轻质土的湿重度；J为泡沫轻质土的流值；δ为泡沫轻质土的消泡率；Ci为泡沫轻质土养护i天后的无侧限抗压强度；x1为水固比；x2为粉灰比；x3为石灰石掺比；x4为气泡率。

表5 回归模型评价参数表

由表5可见，各回归方程的相关系数与决定系数均非常接近于1，且显著性水平均远小于0.01，说明回归方程的拟合程度较好，回归极显著，回归模型的可信度很高。

3 泡沫轻质土各性能影响因素分析

利用上述回归分析模型进行泡沫轻质土性能的单因素影响分析，以水固比为1∶1.75、粉灰比为0.3、磨细石灰石粉掺比为0.55、气泡率为0.65作为基础配比进行分析。

1) 湿重度。泡沫轻质土配比各影响因素与湿重度之间的关系曲线见图2。

图2 各因素对泡沫轻质土湿重度的影响

由图2可见，在试验因素取值范围内，泡沫轻质土湿重度主要受粉灰比和气泡率的影响。其中气泡率的影响较粉灰比更为显著。泡沫轻质土湿重度均随着粉灰比和气泡率的增大而减小，随粉灰比的增大呈线性减小，随气泡率的增大呈开口向上的二次抛物线形减小。

2) 流值。泡沫轻质土配比各影响因素与流值之间的关系曲线见图3。

图3 各因素对泡沫轻质土流值的影响

由图3可见，水固比、粉灰比、磨细石灰石粉掺比及气泡率均可对泡沫轻质土的流值大小产生影响，并且影响均较为显著。其中，泡沫轻质土的流值随着水固比的增大呈线性增大，随粉灰比的增大呈开口向上的二次抛物线形变化，粉灰比为0.3左右时达到峰值。同时，随着磨细石灰石粉掺入量的增加泡沫轻质土的流动度逐渐减小，并且随着气泡率的增加泡沫轻质土的流值呈线性减小。

3) 消泡率。泡沫轻质土配比各影响因素与消泡率之间的关系曲线见图4。

图4 各因素对泡沫轻质土消泡率的影响

由图4可见，水固比、粉灰比、磨细石灰石粉掺比及气泡率均可对泡沫轻质土的消泡率大小产生影响。其中，粉灰比和石灰石粉掺比对泡沫轻质土消泡率的影响更为显著。泡沫轻质土的消泡率随着水固比的增大呈线性增长，随粉灰比的增大呈线性减小。气泡率对消泡率几乎无影响，同时，随着磨细石灰石粉掺入量的增加泡沫轻质土的消泡率均呈开口向上的二次抛物线形变化，在磨细石灰石粉掺比在55%左右时消泡率达到最低。

4) 无侧限抗压强度。泡沫轻质土各配比因子与无侧限抗压强度之间的关系曲线见图5。

图5 各因素对泡沫轻质土抗压强度的影响

由图5可见，1 d的泡沫轻质土抗压强度受水固比、粉灰比和石灰石粉掺比的影响，其中随着水固比的增大呈线性减小，随粉灰比的增大抗压强度呈现先减小后增大的二次抛物线形变化，随磨细石灰石粉掺比的增大呈二次抛物线形增大；3 d和7 d的泡沫轻质土抗压强度受水固比、粉灰比、石灰石粉掺比和气泡率的影响，其中3 d泡沫轻质土抗压强度受粉灰比和气泡率的影响显著，水固比和石灰石粉掺比的影响较显著，7 d泡沫轻质土抗压强度受石灰石粉掺比和气泡率的影响大，水固比和粉灰比对7 d泡沫轻质土抗压强度的影响较大。并且3 d的泡沫轻质土抗压强度和7 d的泡沫轻质土抗压强度均随着水固比、粉灰比和气泡率的增大呈线性减小，随磨细石灰石粉掺比的增大呈线性增大；14 d的泡沫轻质土抗压强度仅受粉灰比和气泡率的影响，并且随着粉灰比和气泡率的增大均呈线性减小，气泡率的影响更为显著；28 d的泡沫轻质土抗压强度受水固比、粉灰比、石灰石粉掺比和气泡率的影响，并且随着水固比、粉灰比和气泡率的增大呈线性减小，随磨细石灰石粉掺比的增大呈线性增大。

对比水固比、粉灰比、磨细石灰石粉掺比和气泡率影响下的泡沫轻质土1，3，7，14，28 d的抗压强度曲线，发现整体变化较为稳定，不同龄期抗压强度之间差值变化较小。

4 结论

1) 磨细石灰石粉对泡沫轻质土的流动性有改善作用，并且在替代率为55%之前对泡沫的消泡作用有抑制效果，可提高泡沫质量，同时磨细石灰石粉可提高泡沫轻质土早期抗压强度。对石灰石粉这一废弃资源进行利用，在改善泡沫轻质土性能的同时可缓解粉煤灰紧缺的现状。

2) 通过SPSS软件对多因素与泡沫轻质土各性能之间的关系进行拟合分析，得到了回归模型，且各回归方程拟合系数均达到0.9附近，显著性水平均远小于0.01，说明模型拟合程度好，显著性高，因此，各回归模型是可信的。

3) 单因素影响分析显示，泡沫轻质土的各项性能在各个单因素的影响下均为线性与二次抛物线形的变化形式。其中，泡沫轻质土流动度主要受气泡率和水固比的影响；湿重度主要受粉灰比和气泡率的影响；消泡率主要受粉灰比和磨细石灰石粉掺比的影响；泡沫轻质土抗压强度主要受水固比、磨细石灰石粉掺比和气泡率影响。