优化泡沫轻质土配合比及检测技术

优化泡沫轻质土配合比及检测技术

董振海

中国电建市政建设集团有限公司

1．内容提要（含关键词）

泡沫轻质土是一种新材料，是指用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按一定比例混合搅拌，经过物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。该材料可以形象地理解为水泥浆或水泥砂浆与泡沫均匀混合而成，其主要特点是表观密度比一般的土体小，而强度和变形特性可以达到甚至超过良好土体。泡沫水泥轻质土具有良好的流动性、水硬性、施工性及经济性等特点,其应用范围越来越广。

但国内对于泡沫轻质土的配合比的设计及检测，尚缺少相关的规范及文献，也没有专业的技术设备，和完善的检测体系。基于这样的背景,我们展开了对泡沫轻质土配合比和检测技术的研究。

关键词：泡沫轻质土；配合比；湿密度；抗压强度

2.概述

最近几年在我国道路建设的发展非常迅速。伴随中国经济的发展和公路网建设的进一步完善,国家对国土资源利用、环境保护、工程造价以及工程质量的要求更为严格,我国的高级公路建设正处于“质量”与“数量”同时发展的重要阶段。目前桥头跳车以及高填方段、填挖结合部等位置因地基差异沉降对路面结构造成的不良影响己引起公路建设、设计、监理、施工等部门的日益重视,传统的设计、施工技术以及施工工艺一直没有使其得到良好改善,这就要求我们不断地开发新材料,使用新技术及新工艺去解决这些难题,以达到提高工程质量,降低工程造价的目的。

泡沫轻质土是一种新材料，是指用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按一定比例混合搅拌，经过物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。该材料可以形象地理解为水泥浆或水泥砂浆与泡沫均匀混合而成，其主要特点是表观密度比一般的土体小，而强度和变形特性可以达到甚至超过良好土体。泡沫水泥轻质土具有良好的流动性、水硬性、施工性及经济性等特点,其应用范围越来越广。

但国内对于泡沫轻质土的配合比的设计及检测，尚缺少相关的规范及文献，也没有专业的技术设备，和完善的检测体系。基于这样的背景,我们展开了对泡沫轻质土配合比和检测技术的研究。

3.研究内容及成果

3.1原材检测

通过对国内外外文献等参考资料，根据《现浇泡沫轻质土技术规程》CECS249:2008和相关性能指标，同时对水泥、发泡剂等原材进行各项指标的检测。

主要原材料：泡沫轻质土的原材料包括胶凝材料、发泡剂、减水剂等

3.1.1胶凝材料原材检测

水泥：试验中所用水泥为山东山水水泥厂生产的P·O42.5硅酸盐水泥。

3.1.2发泡剂性能检验

现在比较公认的发泡倍数测定方法是：将制成的泡沫液注满容积为250ml，直径为60mm的无底玻璃桶内，两端刮平，称量重量。

3.1.3减水剂性能检测

本次试验所采用ZX—II聚羧酸高性能减水剂。

3.2初始配合比设计确定

3.2.1配合比设计原则

设计原则和基本参数配合比的基本原则如下:

（1）按轻质土湿密度的要求，确定水泥的用量;

（2）通过水泥及粉煤灰的用量，确定轻质土的用水量;

（3）按照胶凝材料、用水量，确定水泥净浆体积;

（4）通过水泥净浆体积，确定泡沫剂体积;

（5）按照泡沫体积、实测泡沫密度，确定泡沫质量;

（6）根据泡沫质量、泡沫剂稀释倍数，确定泡沫剂用量。

泡沫轻质土配合比设计在满足抗压强度、湿密度、流值要求的同时，必要时还应考虑材料性能的其他特殊要求( 如弹性模量、抗冻性等) 。

根据《现浇泡沫轻质土技术规程》CECS249:2008和相关性能指标完成泡沫轻质土配合比的优化设计。

泡沫轻质土配合比设计应满足抗压强度、湿密度、流值的要求。

泡沫轻质土试配强度应满足下式要求：

q_u≥1.05q_c

q_u——泡沫轻质土试配抗压强度（MPa）；

q_c——泡沫轻质土设计抗压强度（MPa）。

3.2.2配合比适配：

泡沫轻质土的设计湿密度与各组分的关系应按下列公式确定：

𝜌_w=R_c+R_s+R_w+R_f+R_x

式中：R_c——每立方米泡沫轻质土中水泥的质量（kg/m³）

R_s——每立方米泡沫轻质土中集料的质量（kg/m³）

R_w——每立方米泡沫轻质土中水的质量（kg/m³）

R_f——每立方米泡沫轻质土中泡沫的质量（kg/m³）

R_x——每立方米泡沫轻质土中外加剂的质量（kg/m³）

𝜌_w——泡沫轻质土设计湿密度（kg/m³）

𝜌_c——水泥密度（kg/m³）

𝜌_s——集料密度（kg/m³）

𝜌_x——外加剂密度（kg/m³）

𝜌_f——标准泡沫密度（kg/m³）

经计算设计配合比如下表：

3.2.3制备泡沫轻质土并进行检测

掺加发泡剂、外加剂、水泥等原材制备符合设计要求的泡沫轻质土。

在20-25℃下，将水泥、掺合料、外加剂、水按设计配合比拌合，拌合时间不少于2min，然后立即制备泡沫加入其中再次拌合，再次拌合时间不少于2min，试验用搅拌机转速宜为50r/min。制备完毕应尽快进行相关试验；

再次，通过湿密度流值试验及消泡试验确保新拌泡沫轻质土的性能。

湿密度测定应将容量筒内外壁用抹布擦干净，并称其重量，向容量筒内轻轻倒入制好的泡沫轻质土，刮平筒口，擦净外壁称其重量，计算湿密度。

流值测定应将平板表面、圆筒内外壁用湿抹布擦拭干净，倒入泡沫轻质土刮平后，轻轻将圆筒提起，至筒内所有样料落在平板上，同时用秒表计时，1min时用游标卡尺测量样料圆饼直径，3次试验结果的算术平均值为流值试验结果。

消泡试验应先测试泡沫轻质土的初始湿密度，然后对泡沫轻质土进行连续搅拌，持续1min（用秒表计），测试搅拌后泡沫轻质土的湿密度，直至搅拌次数达到6次，用最大湿密度计算湿密度增加率即可。然后，运用自制夹具对养护至龄期的试件进行力学性能检测。

泡沫轻质土的力学性能试验方法应符合《蒸压加气混凝土性能试验方法》GB/T 11969-2008的规定，试件应置于20-25℃的环境中养护。

3.2.4力学性能试验

根据《现浇泡沫轻质土技术规程》的规定，对试件进行脱模后，进行抗压强度试验。

各组别抗压强度

由上表抗压强度可以得出，A3即B3组即当水泥：水：泡沫质量含量：轻质土设计湿密度的比例为342：232:32:606为最佳配合比。

数据分析：经过对水胶比和泡沫质量含量的单一变量试验得出多组数据，由数据分析和多次验证得到：A3（B3）组即当水泥：水：泡沫质量含量：轻质土设计湿密度的比例为342：232:32:606为最佳配合比。

3.3最终配合比的确定

适当减少水泥和水（保持水灰比不变）的用量比并添加外加剂检验泡沫轻质土的性能，与初始配合配置的泡沫轻质土进行强度和轻质土湿密度比较。

设计抗压强度 （MPa）	编号	每方泡沫轻质土材料组成        （kg/m3）			轻质土湿密度	外加剂（%）
		水泥（kg）	水（kg）	泡沫质量含量（kg/m³）
0.6	C1	311	211	32	612	0.6
	C2	301	204	32	609	0.8
	C3	290	197	32	606	1.0
	C4	280	190	32	601	1.2
	C5	271	184	32	597	1.4

各组别抗压强度

由上表可得出C3组别符合即符合设计要求又符合经济实用原则。

3.3.1不同外加剂掺量下的流动性

设计流动值为160-180mm。

由上图可以看出，当外加剂掺量为1%时，符合设计标准。综上所述，由上图数据和多次验证得到最终配合比即当水泥：水：泡沫质量含量：轻质土设计湿密度的比例为290：200:32:606为最佳配合比。

4.主要结论

通过对初始配合比跟最终配合比的成本对比，我们可以得到在符合图纸设计要求的前提下，添加外加剂减少水泥用量，可以减少原材成本，从而证明了本课题研究的优化泡沫轻质土配比可以通过适当添加外加剂来实现。

5.参考文献

1．《通用硅酸盐水泥》GB 175

2．《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596

3．《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T 18046

4．《蒸压加气混凝土性能试验方法》GB/T 11969-2008

5．《混凝土外加剂》GB 8076

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