煤渣基泡沫轻质土孔结构优化与浸水耐久性研究

叶 仙 松，刘 雨，刘 耀 邦，朱 志 刚，徐 方

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040； 2.中交二航武汉港湾新材料有限公司，湖北 武汉 430040； 3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040； 4.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

对于一些长期处于浸水环境的水工结构物，为确保其永久稳定性，解决抗浮、避免附加荷载偏载等问题，需对主体结构进行减载回填。其中常见的回填材料有砂石、陶粒、碎石、轻集料混凝土等，应用以上材料进行回填时常面临成本高、回填面不整齐、积淤、抗冲刷等问题。

泡沫轻质土是一种内部含有封闭气孔结构的轻质材料，由于其具备轻质高强且密度可根据实际需要进行调控的特点而被广泛应用于各种减载回填工程[1-3]。泡沫轻质土作为水泥基轻质多孔材料，成本相对较低，在具有良好力学性能的同时，可以根据回填需求对自身密度调节进行配载[4-5]。当以泡沫轻质土预制块的形式进行水下堆放回填时，其工面整齐且不污染水质，因此在水工领域的回填应用具有较高的适用性。但由于泡沫轻质土材料在国内应用年限较短，尤其缺少泡沫轻质土水下回填方面的应用案例，一些实际问题尚有待解决。如材料由于自身吸水会引起密度的变化，对泡沫轻质土的吸水规律及因此引起的附加荷载的变化情况尚不明了，从而会对水下回填效果造成明显影响。泡沫轻质土长期处于水下环境时，在水压及浸泡作用下自身力学性能变化情况也倍受关注，能否满足设计使用年限的耐久性问题有待进一步研究。在泡沫轻质土吸水之后性能变化方面，相关学者通过调整配合比设计参数发现，适当增强浆体的流动性有利于气孔的完整，可以降低吸水率、提高强度性能[6]。相同孔隙率条件下，连通孔较多时气孔难以分散均匀，泡沫轻质土抗压强度降低，且吸水率明显增高[7]，当气孔连通率相差不大时，气孔的形状分布同样对吸水率有很大影响[8]。当泡沫轻质土密度等级不断提升时，其质量吸水率会随着孔隙率的降低而不断降低[9]。对基体内部气孔结构的孔径和圆度进行优化发现，随着孔壁厚度与密实度的提高，泡沫轻质土力学性能也有所增强[10]。以上研究均是基于材料本身进行性能的提升，并未涉及耐久性问题。因此对泡沫轻质土孔结构进行优化，并探究在长期浸水条件下泡沫轻质土材料物理力学性能和耐久性能，对于水工结构的减载回填具有重要指导意义与应用价值[11]。

综上所述，本文使用电厂煤渣为集料进行泡沫轻质土预制块的制备与研究工作。首先对泡沫轻质土孔结构进行优化，对不同组成设计的煤渣基泡沫轻质土标准试块分别进行120 d的标养和浸水，定期对其质量吸水率与抗压强度进行测定，分析泡沫轻质土物理性能和力学性能随浸水时间增长的变化规律，从而对其水下耐久性能进行系统分析。相关研究成果可为煤渣基泡沫轻质土水下应用提供重要参考。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

(1)水泥：葛洲坝宜城水泥有限公司“三峡牌”P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

(2)煤渣：火力发电厂固体废弃物煤渣。

(3)发泡剂：十二烷基硫酸钠(K12)，白色粉末状物质，分析纯，纯度高于99.6%。

(4)稳泡剂：黄原胶，淡黄色颗粒状物质，分析纯，纯度高于95%。

1.2 泡沫轻质土配合比

以煤渣为集料，首先控制固材中水泥占比40%、煤渣占比60%，调整泡沫掺量制备密度为800～1 400 kg/m3的泡沫轻质土；其次固定设计密度，调整水泥比例，以5%为梯度，制备水泥用量占固材25%～35%的泡沫轻质土(见表1)。

表1 煤渣基泡沫轻质土配合比

1.3 试验方法

1.3.1浸水方法

泡沫轻质土试块标养至28 d后，放入水箱内浸水养护，保持水面浸没试块上表面2 cm。

1.3.2抗压强度测试

依据JT/G 266-2011《泡沫混凝土》，每组试样取试件3块，加压速度(2.0±0.5)kN/s，连续而均匀地加荷直至试件破坏，记录破坏荷载，最后取3块试件平均强度作为抗压强度。

1.3.3质量吸水率测试

定期将水养试件从水中取出，抹净表面水分后立即称取每块质量，随后放入电热鼓风干燥箱内，(60±5)℃下烘干至恒重并称取每块质量，取3块试块测量质量吸水率的平均值。

1.3.4软化系数测试

分别对同周期标养和水养试块的抗压强度进行测试，泡沫轻质土的软化系数按下式计算：

(1)

式中：f1为泡沫轻质土在不同天数浸水条件下吸水饱和状态的试件抗压强度；f0为泡沫轻质土在不同天数标准养护条件下干燥状态的试件抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 气孔结构优化

泡沫轻质土的气孔结构对其性能有着决定性影响，当平均孔径及圆度逐渐增大时，泡沫轻质土渗透系数会随之增加[12]；当内部连通孔过多时，泡沫轻质土的吸水量会明显提高；同时泡沫轻质土抗压强度也会受孔径大小及分布影响[13]。为了提升泡沫轻质土耐久性，需对预制泡沫性能和孔结构进行优化。试验设计及结果如表2所列。随着发泡剂用量的增加，预制泡沫的1 h沉降距和1 h泌水率不断降低，当F4组发泡剂浓度达到8 g/L时，预制泡沫的降低逐渐趋于缓和，此时发泡剂浓度达到临界胶束浓度[14]，影响泡沫稳定性的主要因素不再是表面张力[15]。随后加入稳泡剂，预制泡沫稳定性进一步提升，预制泡沫的1 h沉降距、1 h泌水率均表现出明显降低。同时，稳泡剂的加入使得预制泡沫的平均Feret直径及平均圆度也得到了优化。

表2 预制泡沫配合比及性能参数

将新鲜预制泡沫W1和W5涂抹于10 mm×40 mm的载玻片上，然后置于偏光显微镜下观察预制泡沫结构变化情况，如图1所示。

图1 预制泡沫微观结构

随着时间的迁移，相比W1组预制泡沫，1 h沉降距和1 h泌水率更低的W5组预制泡沫其液膜框架更加鲜明均匀，泡沫消融合并的现象得到了减缓，泡沫液膜在相同时间内排液更少。由此可知，随着稳泡剂适量的增加，稳泡剂通过增强预制泡沫的液膜黏度进而减少了预制泡沫的透气和降低了液膜的排液速率，延长了泡沫半衰期，使预制泡沫稳定性得到提高。图2为不同预制泡沫的轻质土3D形貌。

图2 不同预制泡沫下煤渣基泡沫轻质土的3D形貌(单位：μm)

2.2 浸水耐久性能

使用W5组预制泡沫制备不同配比的煤渣基泡沫轻质土，各组泡沫轻质土的设计密度、实测表观密度、抗压强度及气孔结构参数如表3和图3所示。

表3 煤渣基泡沫轻质土气孔结构参数和抗压强度

图3 实测密度对孔隙率与抗压强度的影响

可以看出，不同配比试样的实测密度与表观密度相差并不明显，差值均在3%以内；随着实测密度的不断增大，孔隙率逐渐增大，与此同时，抗压强度趋于减小，其变化趋势基本呈线性关系。

2.2.1质量吸水率

泡沫轻质土处于水环境中时，水分会在其表面吸附并扩散进入材料内部孔隙，并在孔壁上形成吸附层进而扩散深入孔隙内部，增加整体重量[16]。对煤渣基泡沫轻质土标准养护28 d后浸没水中养护，一定周期后对质量吸水率进行检测，以探究不同配比泡沫轻质土质量吸水率随时间变化的规律。相同水泥掺量时密度等级为800～1 400 kg/m3及相同密度等级时水泥掺量为25%～40%的煤渣基泡沫轻质土浸水120 d的吸水情况如图4及图5所示，两种组合设计均在浸水30 d时表现出趋于饱和。其中，随着密度等级由800 kg/m3提高到1 400 kg/m3，质量吸水率相应由34.9%逐渐降低至10.4%；随着水泥用量由25%提高到40%，质量吸水率相应由26.3%降低至20.4%。由此可知，煤渣基泡沫轻质土的质量吸水率与密度等级和水泥掺量均成反比，且相比水泥掺量，密度等级是影响质量吸水率的主要因素。

图4 密度等级对质量吸水率的影响

图5 水泥掺量对质量吸水率的影响

如图6所示，以水泥用量40%时密度等级为800～1 400 kg/m3的河砂泡沫轻质土其120 d质量吸水率为饱和吸水率进行拟合分析，经非线性曲线拟合得到质量吸水率WR与密度等级ρw的关系式：

图6 密度等级与质量吸水率拟合曲线

WR=(1.37143×0.99843ρw-0.04734)×100%，

R2=0.9945

(2)

式中：WR为泡沫轻质土的质量吸水率；ρw为泡沫轻质土的密度等级。

同理，根据相同密度等级时25%～40%水泥掺量下煤渣基泡沫轻质土的120 d质量吸水率，经线性拟合得到水泥掺量与质量吸水率之间的关系(见图7)。根据水泥掺量对质量吸水率的影响斜率，对式(2)进行修正后得质量吸水率WR与密度等级ρw及水泥掺量Cw的关系式：

图7 水泥掺量与质量吸水率拟合曲线

WR=(-0.80857+0.01903Cw-0.55131Cw×

0.99843ρw+23.42402×0.99843ρw)×100%

(3)

2.2.2软化系数

泡沫轻质土内部孔隙按孔径可分为宏观孔、毛细孔、凝胶孔[17]。外界水分可以通过孔隙进行渗透、毛细吸附、扩散和对流等行为在泡沫轻质土内部迁移和扩散，从而对泡沫轻质土的物理性能和力学性能造成影响[18-19]。为探讨长期工作于水环境中煤渣基泡沫轻质土性能的变化情况，将煤渣基泡沫轻质土标养28 d后，分别对试块进行继续标养和浸水养护，定期测量两种养护条件下试块的抗压强度。按照公式(1)的软化系数测试方法，对软化系数进行计算和统计。随着浸水时长的增加，煤渣基泡沫轻质土软化系数逐渐降低，且随着密度等级的降低，软化系数降低越明显。水泥掺量不变时，随着密度由1 400 kg/m3降低至800 kg/m3，软化系数由0.978降低至0.852；密度等级不变时，随着水泥掺量由40%减少至25%，软化系数由0.925降低至0.912。与质量吸水率的表现相对应的，密度等级相比水泥掺量对软化系数同样表现出更大的影响度。

同理，首先根据浸水120 d时长下密度等级与软化系数的结果进行线性拟合，得到两者之间的关系曲线(见图8)。其次对水泥掺量与软化系数之间的关系拟合，曲线如图9所示。根据水泥掺量与软化系数之间的斜率对前者进行修正，最终得到软化系数K与密度等级ρw及水泥掺量Cw的关系式：

图8 密度等级与软化系数拟合曲线

图9 水泥掺量与软化系数拟合曲线

K=6.17067×10-4Cw+2.00959×10-4ρw+

1.87617×10-7Cwρw+0.660947

(4)

2.3 浸水劣化机理分析

水泥基材料的吸水渗透主要作用于毛细孔与连通孔，封闭良好的气孔由于气孔壁的存在并不会出现积液和吸水，孔隙率的增长与吸水率之间并无明显关系[8]。结合前面试验结果，质量吸水率和软化系数主要受密度等级影响，而影响密度等级的内在因素主要为孔隙率。因此可以认为水环境对泡沫轻质土的劣化影响主要取决于泡沫轻质土的亲水性能与孔间凝胶骨架状态，且泡沫轻质土的亲水性能变化与孔间凝胶骨架的劣化主要体现在以下几个方面：

(1)泡沫轻质土的亲水性能主要与基体内部的孔结构特征有关，泡沫轻质土的实测密度越大，其基体内部孔隙率越小，质量吸水率也出现降低的趋势，与此同时，基体内部连通孔隙率相对较低，外界水分向内部迁移渗透的能力不断减弱。

(2)如图10所示，随着水分在毛细孔和凝胶孔的渗透，气液界面的水分子在势能差作用下向固液界面移动，渗透水表面形成内凹状。由于渗透水表面张力Fσ的存在，沿液面切线方向的表面张力使得渗透水受到指向球心的合力Fτ。该合力在垂直于孔隙方向的分力Ft作用于孔隙壁，使得煤渣水泥凝胶储备强度受到消耗，从而降低了强度改变其软化系数。当密度等级提高导致孔隙率降低时，随着孔间凝胶厚度d及强度的增加，渗透水作用效果逐渐降低，软化系数不断升高。当水泥掺量增加时，孔间凝胶骨架强度得到增强，渗透水所消耗储备强度占总强度比值也更小，软化系数也随之提高。

图10 孔隙渗透水作用力示意

(3)当泡沫轻质土吸水趋于饱和后，在水头压和毛细管力作用下渗透趋于平衡。在渗透水作用下煤渣集料颗粒出现湿胀，在湿胀过程中煤渣颗粒与水泥凝胶之间相互作用，消耗了凝胶骨架一定量的储备强度。此外，煤渣颗粒发生湿胀之后刚度降低，煤渣集料在凝胶之间的支撑作用被削减，导致煤渣基泡沫轻质土抗压强度降低。

3 结 论

(1)随着预制泡沫稳定性能的提升，预制泡沫表现出更好的强度和韧性，泡沫液膜排气和排液速率逐渐减缓，泡沫轻质土成型过程中气孔的合并与破灭情况显著减少，基体内部气孔的独立性和封闭性明显提高。

(2)不同配合比的煤渣基泡沫轻质土在浸水30 d时吸水均逐渐趋于饱和。随着密度等级和水泥掺量的提升，泡沫轻质土的质量吸水率和软化系数会降低，且相对于水泥掺量，密度等级对质量吸水率与软化系数的影响程度更高。

(3)泡沫轻质土在浸水过程中，水环境对泡沫轻质土的劣化影响主要取决于泡沫轻质土的亲水性能与孔间凝胶骨架状态。渗透水的表面张力在毛细孔和凝胶孔的渗透过程中会形成毛细管力，毛细管力分力及集料颗粒在渗透水作用下的软化和湿胀，会消耗孔间骨架的储备强度，降低软化系数。随着密度等级的增高、孔隙率的降低，骨架强度得到提升，渗透水的毛细管力对凝胶骨架的软化效果会不断降低，软化系数得到提高。