地聚合物基泡沫混凝土的路用性能及其应用研究

齐鹏飞，卢佩霞

(扬州工业职业技术学院 建筑工程学院，江苏 扬州 225100)

0 引言

随着国家基础建设领域的不断投资和路网建设的发展完善，泡沫混凝土因其轻质、密度和强度易调节、施工便捷等方面的优势，在道路工程中的使用也日趋频繁，以减轻荷重或土压为目的用于替代填土，可广泛用于软基桥台背填筑、道路扩建、山区陡峭路段填筑、旧路桥头路基换填等公路工程领域[1-3]。对泡沫混凝土自本身特性[4-7]及其工程应用的研究[8-10]已有较多成果。现阶段，国家正在大力倡导推进绿色发展，2021年全国两会首次将碳达峰、碳中和写入政府工作报告，而泡沫混凝土以水泥为胶凝材料，水泥是高耗能产业，大量使用水泥不符合节能减排、保护生态环境的国家大政方针，对工业废弃物的资源化利用适应节能减排、保护生态环境的时代需求，地聚合物的资源化利用应运而生[11]。

地聚合物的概念最早由法国人Davidovits提出，是由AlO4和SiO44面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物。普通硅酸盐水泥硬化时，少量NaOH能起到催化效果，促进水泥中的硅、铝化合物溶解，加速与Ca(OH)2反应，形成硅酸钙和铝酸钙矿物，水泥硬化，重新生成NaOH催化下一轮反应，即为“碱激活”[12-13]。对地聚合物基泡沫混凝土的制备和性能开展了许多研究，汪海风等[14]以矿渣为铝硅质原料，通过碱激发和H2O2发泡，开发地聚合物基泡沫混凝土，全矿渣基地聚合物泡沫混凝土的抗压强度达到1.37 MPa。徐方等[15]对地聚合物基泡沫混凝土(GFC)的气孔结构形成机理进行了探究，通过电镜对试件内部结构形态进行观察，发现地聚合物净浆流量对GFC成孔过程和性能产生影响。贺馨瑶和田雨泽[16]采用粉煤灰、矿渣和碱激发剂作为原料制备地聚合物泡沫混凝土，地聚合物泡沫混凝土的抗压强度随粉矿比例增加而减小，随Na2O增加先增后降。

泡沫混凝土因其具备强度高、压缩性低、重量低、流动性高等优势被广泛应用于软基处理、路基扩宽、台背填筑等路基特殊处理部位[1,17-19]。地聚合物基泡沫混凝土作为路基填料的研究和工程实例尚不多见，地聚合物基泡沫混凝土的配比和路用性能如何、地聚合物基泡沫混凝土路基性状如何，目前尚未可知，因此地聚合物基泡沫混凝土的配比、性能和路用性状需要深入研究和实践检验。基于此，本研究采用以粉煤灰和矿粉作为地聚合物原料代替部分水泥用量配制地聚合物基泡沫混凝土，通过室内试验测试其路用性能，选用地聚合物替代25%水泥制作的泡沫混凝土用于高速公路路基试验段填筑，采用数值分析和实测对比分析评价地聚合物基泡沫混凝土路用性状。

1 地聚合物基泡沫混凝土的路用性能

1.1 试验方法

地聚合物基泡沫混凝土制备的原材料如表1所示。水泥采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；地聚合物由Ⅰ级粉煤灰和S95级高炉矿渣粉构成，性能应分别符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》(GB/T 1596)和《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046)的规定，本试验采用的粉煤灰和矿渣粉主要技术指标如表2和表3所示；发泡剂是胶凝材料硬化过程中形成气泡的主要基础，其种类以及气泡对硬化过程中气孔性能有重要影响，通常最理想的发泡剂应该是泌水量和沉陷量最小，而发泡的倍数最大的发泡剂。本研究采用α-烯基磺酸钠(粉)作为发泡剂，该发泡剂为固态发泡粉，需要用水进行调和，发泡剂与水的比例为1∶20，然后制成泡沫。稳泡剂采用硬脂酸钙。

表1 试验材料Tab.1 Test materials

表2 粉煤灰技术指标Tab.2 Technical indicators of fly ash

表3 矿渣粉技术指标Tab.3 Technical indicators of mineral powder

试验中发泡剂、稳泡剂、碱激发剂、水含量不变，保持水固比为0.5，通过调整地聚合物的掺量进行不同配比试验，按照地聚合物掺加比，编号分别为A～C，共3组，考虑在满足路用性能主要指标情况下尽量提升本研究的经济效益，并参考相关文献[14,16]关于地聚合物配比对强度的研究成果，对地聚合物中粉煤灰和矿渣按7∶3进行组合，各组试验配比的质量比例关系如表4所示，其中发泡剂按照20倍稀释。

表4 各组分质量配比Tab.4 Mixing ratio of each component mass

泡沫混凝土因其结构的特殊性(含有大量的气孔)，在用做公路路基填筑材料时往往关注3个方面：(1)流动性。若流动性太小，则会造成施工不便；若流动性过大，则不便于施工质量的控制。(2)气泡的稳定性。大量气孔的存在造成泡沫混凝土的密度较常规路基填料小。(3)抗压强度。在泡沫混凝土轻质的前提下，抗压强度需要满足公路工程路基抗压强度的要求。因此，本研究主通过测定无侧限抗压强度、湿重度、流值3个指标，评价地聚合物基泡沫混凝土的路用性能。地聚合物基泡沫混凝土制备采用混合搅拌法，每组试块3个试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100mm，制备完成后放入标养室内养护。试块制备测定的工艺流程如图1所示。

图1 地聚合物基泡沫混凝土制备工艺流程Fig.1 Preparation process of geopolymer-based foamed concrete

1.2 性能分析

根据现行《公路路基设计规范》[20]，泡沫混凝土的湿重度在5～11 kN/m3，流值宜取170～190 mm，高速和1级公路路床的无侧限抗压强度1.0 MPa以上、路堤要求在0.6 MPa以上。

本次3组试验配比的无侧限抗压强度、湿重度和流值试验结果如表5所示。各组配比试样的流值都能满足规范建议值要求:湿重度在612～732 kg/m3范围变化,A组试件28 d抗压强度(q28)为2.36 MPa；B组28 d抗压强度为1.12 MPa，满足路基填料强度要求；C组28 d抗压强度为0.56 MPa，不满足路堤填料强度要求。A组虽然强度、流值和湿重度均满足要求，但作为纯水泥参照对比组，未添加地聚合物，故选取B组配比用于某高速公路路基填料进行试验。

表5 各组配比试验结果Tab.5 Test result using different mixing ratios

下面分别对无侧限抗压强度、湿重度和流值进行对比分析，研究地聚合物对泡沫混凝土路用性能的影响。

(1)无侧限抗压强度

地聚合物掺量对强度的影响如图2所示，随着地聚合物掺量的增加强度逐渐降低。地聚合物在碱激发剂作用下凝结硬化产生一定强度，但与胶凝材料水泥的强度相比仍然不足。随着地聚合物掺量的增加，大部分颗粒参与到水化反应中，少量颗粒在水泥颗粒之间填充，与其水化物形成交叉区域，另外部分地聚合物的颗粒会发生团聚形成较大的颗粒团，因其本身的硬度与水泥比较低，故其掺入量越多，其强度就相对越小。

图2 地聚合物掺量对无侧限抗压强度的影响(龄期28 d)Fig.2 Influence of geopolymer content on unconfined compressive strength (28 dage)

(2)湿重度

地聚合物掺量对湿重度的影响如图3所示。随着地聚合物的掺量增加湿重度逐渐降低，数值在612～732 kg/m3范围变化，均能满足规范的相应要求。本次试验配比的各材料组分中，普通硅酸盐水泥的密度为3 000 kg/m3，粉煤灰的密度为2 550 kg/m3，矿渣的密度为2 800 kg/m3，一方面地聚合物密度本身比水泥小，等量的地聚合物替换水泥，体积会增加，因而质量相同情况下地聚合物掺量比例增加会使得重度减小；另一方面因为水泥颗粒粒径与气泡属于同一量级，水泥含量较高时，气泡与水泥颗粒相互挤压刺破，导致消泡率增大，使得湿重度相对较大。因此，随着地聚合物掺量增加，湿重度呈下降趋势。

图3 地聚合物掺量对湿重度的影响Fig.3 Influence of geopolymer content on wet bulk density

(3)流值

地聚合物掺量对流值的影响如图4所示，随着地聚合物掺量增加，流值呈下降趋势，数值均在规范建议值(170～190 mm)范围内，变化不大。地聚合物掺量对流值的影响效果并不明显。流动性主要和含水量以及气泡含量有关，试验各组配比中的含水量和发泡剂用量均相同，故对流动性影响较小。在湿重度满足要求的条件下，流值只影响其施工性能，3组试验的流值都满足规范要求。

图4 地聚合物掺量对流值的影响Fig.4 Influence of geopolymer content on flow value

2 地聚合物基泡沫混凝土的应用

2.1 依托工程概况

某高速公路进行改扩建，在原来双向4车道的基础上两侧各扩宽两个车道，改为双向8车道，路基宽度由26 m变为42 m，对于桥头高填土沉降较大的路段使用轻质泡沫混凝土进行填筑，工程采用本研究的试验配比进行了局部试验段的填筑，即用B组配比进行了路床和路堤的局部铺设，路基填筑高度为5.7 m，其中路床厚度为1.2 m(含80 cm 7%灰土处治)，新旧路基结合面处采用台阶开挖处理，拓宽道路边坡采用放坡加挡墙形式，各主要填筑层如图5所示。

图5 路基扩宽填筑示意图(单位：m)Fig.5 Schematic diagram of subgrade widening and filling (unit: m)

2.2 数值模拟分析2.2.1 数值模拟方法

采用Midas GTS NX有限元软件对路基扩宽施工过程进行模拟分析，以道路中心线为对称轴取半结构进行模型建立。基本假定如下：

(1)路堤足够长，采用平面应变问题进行简化计算。

(2)旧路基及其下地基固结沉降已经完成，消除初位移后施加初应力。

(3)侧面约束水平方向位移，底部约束水平和垂直方向位移，顶面自由。

(4)路面结构、碎石垫层采用线弹性本构，余均采用D-P本构。

拓宽路基填筑沉降模拟主要包括5部分：(1)旧路基在自重作用下位移清零和应力平衡；新旧道路接合面开挖卸载和应力平衡。(2)B组泡沫混凝土路堤填筑(分为5层填筑)。(3)上部路床填筑。(4)顶部路面结构铺设。(5)营运荷载施加。材料参数如表6所示。有限元模型网格划分及相应边界条件如图6所示。

表6 各结构层的基本参数Tab.6 Basic parameters of each structural layer

图6 路基填筑有限元模型网格划分及边界条件Fig.6 Griding and boundary conditions of finite element model of roadbed filling

2.2.2 数值模拟结果分析

为了解泡沫混凝土填筑方案(方案1)的有效性，同时建立普通填土填筑方案(方案2)模型进行对比，即将B组泡沫混凝土材料用普通填土进行替换计算。限于篇幅，此处仅给出两种方案路面结构填筑及恢复营运后两种工况的沉降分布情况，如图7～图8所示，两种方案在对应的工况下沉降变化的趋势都有一定的类似性，沉降值自路面向下逐渐减少，沉降最大值分布在距离路面顶部一定距离的位置，且沿着新旧接合面向两侧减小，方案1中沉降过渡相比于方案2更为均匀。选取沉降最大值分布单元对应的数值绘制沉降分布对比曲线如图9所示。

图7 B组泡沫混凝土路基填筑沉降分布(方案1)(单位:mm)Fig.7 Distribution of settlements of foamed concrete subgrade in group B (scheme 1)(unit:mm)

图8 普通填土路基填筑沉降分布(方案2)(单位:mm)Fig.8 Distribution of settlements of ordinary filling subgrade (scheme 2)(unit:mm)

图9 两种方案主要工况基底沉降对比Fig.9 Comparison of basement settlements under main working conditions between 2 schemes

根据图9曲线，路面铺设后，方案2最大沉降值为6.4 cm，方案1最大沉降值为3.1 cm，减小沉降达到51.6%；营运荷载施加后，方案2最大沉降值为8.0 cm，方案1最大沉降值为4.8 cm，减小沉降达到40.0%。由此可见，采用试验配比泡沫混凝土进行路基填筑可以有效地减小路基沉降。此外，沉降最大值分布在其形心附近底层区域，由新旧路基结合面向两侧逐渐减小，呈现马鞍形分布，方案2两种工况下旧路基附加沉降最小值(路基中心处)分别为1.9 cm和4.3 cm，方案1相对应的值为1.1 cm 和3.5 cm；路面铺设完成后，方案2新旧路面横坡变化率为0.21%，方案1为0.09%，相比降低了57%；营运荷载施加后，方案2新旧路面横坡变化率为0.17%，方案1为0.06%，相比降低了65%。同时绘制两种工况下对应的应力分布对比曲线，如图10所示，两种方案下，路基中心至拓宽处因为有初始应力存在，所以基底应力值较大，扩宽位置至挡墙段基底应力先减小后增加，因上覆荷载呈三角形分布，所以基底应力逐渐减小，后由于挡墙约束有应力集中现象，故应力值出现回弹增加；对比发现，两种工况下方案1的应力值均比方案2小，最大可以降低基底应力30%左右。显然，方案1可以有效地降低路基沉降值并减小基底应力，即试验配比对于处理路基不均匀沉降问题有较好的适用性。

图10 两种方案主要工况基底应力对比Fig.10 Comparison of basement stresses under main working conditions between 2 schemes

由于泡沫混凝土较大的弹性模量、较轻的容重和良好的整体性，使其具有类似刚性基础的作用，较大的刚度使其本身变形较小，且使得应力发生扩散，上覆荷载的减小引起的附加应力也减小。采用该种轻型填料，可以较好且有效地处理沉降过大的工程实际问题。

2.3 观测成果及分析

该工程委托第三方进行了路基沉降观测，旧路右侧路缘带(仅单侧设置)和旧路硬路肩外侧位置各设置一处观测点，采用道钉(N2～N4)打入；拼宽路基土路肩范围内设置一处位置观测点，采用埋设沉降板(L1，L5)，布设形式如图11所示。

图11 主线拼宽路段观测点布置(单位：cm)Fig.11 Layout of observation points of widened sections of main road(unit：cm)

取试验段监测断面1#～3#测点绘制路基月沉降速率曲线和累计沉降曲线，如图12所示，扩宽路基上的监测点在路基填筑期及路面工期的施工初始阶段沉降速率呈稍上升趋势，后呈逐渐减小趋势，最后变平缓趋势，说明路基沉降已处于稳定状态，前期沉降较大的1#～3#测点监测期内总的累计沉降量分别为2.2，1.4和1.2 cm。

图12 填筑期沉降监测曲线Fig.12 Settlement monitoring curves during filling period

将前述数值模拟的路基沉降值与现场实测数据进行对比，数值模拟填筑期最大沉降值为3.1 cm，对应现场实测最大沉降值为2.2 cm，两者数值较为接近且实测值小于模拟值；实测横坡变化率0.05%小于数值模拟横坡变化率0.09%；试验路段采用试验配比地聚合物基泡沫混凝土后，其沉降结果满足设计要求，可以有效地解决本工程部分沉降过大的问题，具有良好的适用性。

3 结论

(1)通过在实验室进行地聚合物部分替代水泥制备轻质泡沫混凝土，当替代比例为25%时(B组)，其路基用主要指标(强度、湿重度、流值)可以满足高等级公路路基中路床和路堤相应要求。

(2)通过数值模拟对比分析普通填土和试验配比泡沫混凝土两种方案进行拓宽路基施工，地聚合物基泡沫混凝土组可以有效减小路基沉降，路面铺设完成后沉降可以减小52%，横坡变化率可以减小57%；营运荷载施加后沉降可以减小40%，横坡变化率可以减小65%。通过现场实测沉降值和数值分析结果对比，实测值小于模拟值，发现该轻质泡沫混凝土可以有效地缓解路基沉降过大的问题，证实地聚合物基泡沫混凝土用于控制高速公路路基沉降的可行性。

(3)本次试验的地聚合物主要成分为矿渣和粉煤灰，属于工业废料，在满足路用性能情况下替代部分水泥，可以减小水泥用量，实现固废利用，节省工程造价的同时降低碳排放利于环保，综合性能优越，具有一定的实用价值。