羅金鳳

(廣西公路檢測(cè)有限公司,廣西 南寧 530024)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展,公路建設(shè)總里程已位居世界首位,但也存在諸多工程病害。例如,在路橋過(guò)渡段,橋頭跳車(chē)是高速公路質(zhì)量的通病之一,嚴(yán)重影響行車(chē)舒適性,甚至危及行車(chē)安全。橋頭跳車(chē)的主要原因有:臺(tái)背處施工作業(yè)面積小,回填施工質(zhì)量難以保證;剛度差異大,易產(chǎn)生不均勻沉降[1]。為降低這一病害帶來(lái)的影響,業(yè)內(nèi)提出了使用泡沫混凝土回填。新型工程材料泡沫混凝土具有輕質(zhì)、良好的抗沖擊性、不可壓縮、保溫、隔音、無(wú)毒等優(yōu)良特性,常用來(lái)作為橋臺(tái)背面的回填材料[2-3]。

宋強(qiáng)等[4]從泡沫混凝土的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了其抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)之間規(guī)律的研究。SHE等[5-6]將粉煤灰摻入用于高鐵路基回填的泡沫混凝土中,發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻入能夠有效提升泡沫混凝土的強(qiáng)度。龐超明等[7-8]采用(X-CT)技術(shù)分析了粉煤灰對(duì)泡沫混凝土孔隙的影響,發(fā)現(xiàn)粉煤灰有細(xì)化混凝土內(nèi)部孔徑和優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的作用。CHEN等[9]探究了粉煤灰細(xì)度對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)細(xì)粒度的粉煤灰分布在氣泡表面更均勻,提高泡沫混凝土強(qiáng)度的作用更明顯。但是過(guò)高地?fù)饺敕勖夯視?huì)影響泡沫混凝土的早期水化程度,從而導(dǎo)致泡沫混凝土性能的下降[10]。

綜上所述,粉煤灰對(duì)泡沫混凝土性能的提升起重要影響。而對(duì)粉煤灰改性的泡沫混凝土路用性能研究較少,尤其是粉煤灰摻量對(duì)路用耐久性能的影響方面,從而阻礙了泡沫混凝土在不同環(huán)境狀態(tài)和工況下橋臺(tái)回填施工中的推廣應(yīng)用。為此,本文針對(duì)不同摻量粉煤灰對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能、抗?jié)B性能及抗凍融循環(huán)性能的影響規(guī)律開(kāi)展了一系列研究,為泡沫混凝土在不同工況和環(huán)境下橋臺(tái)回填施工中的應(yīng)用提供一定參考和借鑒。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)的主要原材料包括:普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)、硫鋁酸鹽水泥(SAC)、Ⅰ級(jí)粉煤灰、松香發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑(白色粉末)、聚丙烯纖維、聚羧酸高效減水劑(減水率25%)。

1.2 配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的容重為600 kg/m3和700 kg/m3;采用的水膠比為0.42;其中粉煤灰用量按水泥質(zhì)量的0、10%、20%、30%計(jì)算;減水劑用量按膠凝材料質(zhì)量的0.5%摻入;聚丙烯纖維用量和穩(wěn)泡劑用量按膠凝材料質(zhì)量的0.1%摻入。泡沫混凝土基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表1。

表1 基準(zhǔn)配合比表

1.3 試驗(yàn)方法

試樣成型。將一定比例的水和穩(wěn)泡劑加入發(fā)泡機(jī)中,啟動(dòng)氣泵加壓,由發(fā)泡機(jī)制備符合要求的氣泡。然后按試驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行攪拌均勻,將制備好的泡沫混凝土拌和料澆筑成型靜置24 h后脫模。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后取出,參照《泡沫混凝土》(JG/T266-2011)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)。將成型脫模后的試樣養(yǎng)護(hù)至28 d,參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T50081-2019)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

泡沫混凝土吸水率試驗(yàn)。試樣養(yǎng)護(hù)齡期為28 d,試驗(yàn)方法參照《泡沫混凝土》(JG/T266-2011)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行泡沫混凝土吸水率試驗(yàn)。

泡沫混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)。采用的試樣為圓柱形試模,尺寸為直徑100 mm、高度100 mm。試樣成型后,養(yǎng)護(hù)到28 d進(jìn)行抗?jié)B測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意確保水柱水面高出試件200 mm,并記錄水柱的下降高度。

泡沫混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)。采用的試樣尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長(zhǎng)方體,參照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

設(shè)計(jì)容重為600 kg/m3、700 kg/m3的泡沫混凝土7 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量而變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,在同一容重和相同齡期的系列中,當(dāng)粉煤灰摻量由0增至30%時(shí),泡沫混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈明顯增大趨勢(shì),說(shuō)明適量摻量的粉煤灰對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度有一定的提升作用。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化曲線(xiàn)圖

圖1中,當(dāng)粉煤灰摻量由10%增至20%時(shí),泡沫混凝土強(qiáng)度增幅最大,而當(dāng)摻量由20%增至30%時(shí),強(qiáng)度增大趨勢(shì)逐漸趨于平緩,說(shuō)明泡沫混凝土中粉煤灰的最佳摻量為20%。究其原因,適量粉煤灰的加入,會(huì)與水泥顆粒之間的微集料發(fā)生填充效應(yīng),可細(xì)化孔徑和優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu),使泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更致密,當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)最佳界限時(shí),填充效應(yīng)減弱,對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)作用降低,甚至使泡沫混凝土強(qiáng)度下降。從圖1還可看出,泡沫混凝土容重與其抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。養(yǎng)護(hù)齡期為7～28 d,泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度有較大的增長(zhǎng),7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的45.8%～66.9%。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響

泡沫混凝土28 d抗彎拉強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知,泡沫混凝土抗彎拉強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增大呈逐漸增大趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量在0～20%時(shí),其抗彎拉強(qiáng)度最大增幅可達(dá)83.3%;當(dāng)煤粉灰摻量>20%時(shí),抗彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速度趨于平緩。結(jié)果表明,適量粉煤灰的摻入能在一定程度上提升泡沫混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。分析主要原因是水泥水化生成的大量CH與粉煤灰中的SiO2和Al2O3等活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),生成更多呈纖維狀晶體或網(wǎng)絡(luò)狀的C-S-H膠凝體,而C-S-H、CH、AFt相互交錯(cuò)、粘結(jié)、貫穿,形成致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu),填充微小空隙,表現(xiàn)為強(qiáng)度逐漸提高。另外,由于粉煤灰的“填充效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”,將起到細(xì)化內(nèi)部孔徑和優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的作用,使單位孔壁厚度增加,受拉面積增大,降低應(yīng)力集中效應(yīng),在宏觀上表現(xiàn)為抗彎拉強(qiáng)度的增加。

圖2 不同粉煤灰摻量下的抗彎拉強(qiáng)度變化曲線(xiàn)圖

2.3 粉煤灰摻量對(duì)吸水率的影響

泡沫混凝土吸水率隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知,泡沫混凝土吸水率隨粉煤灰摻量的增加呈指數(shù)下降,擬合度分別可達(dá)0.97、0.99。兩個(gè)系列的泡沫混凝土吸水率分別在37.8%～64.3%、34.3%～55.2%;當(dāng)粉煤摻量在0～10%時(shí),泡沫混凝土吸水率下降最明顯;當(dāng)粉煤灰摻量在10%～30%時(shí),吸水率下降逐漸趨于平緩。說(shuō)明降低泡沫混凝土吸水率的最佳粉煤灰摻量在10%～20%。究其原因,粉煤灰顆粒相較于水泥顆粒更細(xì),摻入適量的粉煤灰后能填補(bǔ)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),使泡沫混凝土結(jié)構(gòu)更加致密,宏觀上表現(xiàn)為吸水率下降。但是,當(dāng)粉煤灰超過(guò)最佳界限,此時(shí)C-S-H、CH之間的空隙處于填充飽和狀態(tài),過(guò)多的粉煤灰顆粒相互堆積產(chǎn)生不規(guī)則的空隙結(jié)構(gòu),進(jìn)一步增大孔隙率,從而弱化最佳粉煤灰摻量細(xì)化孔徑和優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的作用,宏觀上表現(xiàn)為隨粉煤灰摻量的增加,泡沫混凝土吸水率逐漸趨于平緩。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)吸水率的影響曲線(xiàn)圖

2.4 粉煤灰摻量對(duì)抗?jié)B性能的影響

泡沫混凝土滲透性能隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律如圖4所示。圖4水柱法試驗(yàn)結(jié)果表明,泡沫混凝土滲透性能隨粉煤灰摻量的增加呈二項(xiàng)式曲線(xiàn)下降,擬合度為0.957。當(dāng)粉煤灰摻量由0增至30%,水柱下降的高度范圍在13～23 mm,抗?jié)B性能分別提升了26.1%、34.7%、43.5%;抗?jié)B性能提升最明顯的區(qū)間對(duì)應(yīng)的粉煤灰摻量在0～20%。結(jié)果表明,粉煤灰對(duì)泡沫混凝土抗?jié)B性能的提升具有重要影響作用。由于粉煤灰呈光滑的球狀顆粒,具有較好的填充效應(yīng),將大孔隙細(xì)化,從而延長(zhǎng)了水流的滲透路徑,宏觀上表現(xiàn)為,水柱下降的高度更低,抗?jié)B性能更優(yōu)越。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)滲透性能的影響擬合曲線(xiàn)圖

2.5 粉煤灰摻量對(duì)抗凍性能的影響

泡沫混凝土抗凍融循環(huán)性能隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律如圖5所示。圖5凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明,泡沫混凝土抗凍融循環(huán)性能隨粉煤灰摻量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì);設(shè)計(jì)容重為600 kg/m3系列的泡沫混凝土最大凍融循環(huán)次數(shù)為16次,對(duì)應(yīng)的粉煤灰摻量為20%,相比于基準(zhǔn)組的抗凍融循環(huán)性能提升了33.3%;設(shè)計(jì)容重為700 kg/m3系列的泡沫混凝土最大凍融循環(huán)次數(shù)為16次,對(duì)應(yīng)的粉煤灰摻量為10%,相比于基準(zhǔn)組的抗凍融循環(huán)性能提升了38.4%。結(jié)果表明,適量粉煤灰的摻入有利于提升泡沫混凝土的抗凍融循環(huán)性能,且粉煤灰最佳摻量在10%～20%。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律曲線(xiàn)圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,泡沫混凝土在公路工程項(xiàng)目施工中應(yīng)用較為普遍,為了更大化地發(fā)揮泡沫混凝土的特性。本文以不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土開(kāi)展力學(xué)性能和路用耐久性能方面的研究,得出以下結(jié)論:

(1)在同一容重下,粉煤灰摻量的增加對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能有明顯的提升作用。7 d抗壓強(qiáng)度在0.92～3.96 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度在2.01～5.92 MPa,28 d抗彎拉強(qiáng)度在0.17～0.41 MPa;粉煤灰的最佳摻量在10～20%;容重大的泡沫混凝土相比于容重小的泡沫混凝土力學(xué)性能更優(yōu)。

(2)隨粉煤灰摻量的增加泡沫混凝土吸水率整體呈指數(shù)下降趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí),泡沫混凝土吸水率降幅最大為600 kg/m3,對(duì)應(yīng)的吸水率下降幅度為30.3%,對(duì)應(yīng)的吸水率在37.8～64.3%,700 kg/m3對(duì)應(yīng)的吸水率下降幅度為29.8%,對(duì)應(yīng)的吸水率在34.3%～55.2%。

(3)粉煤灰的摻入能夠有效提升泡沫混凝土的抗?jié)B性能。粉煤灰摻量由0增至30%,抗?jié)B性能分別提升了43.5%。

(4)泡沫混凝土干密度越大,抗凍融循環(huán)性能越優(yōu)異;泡沫混凝土抗凍融循環(huán)性能隨粉煤灰摻量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì),粉煤灰摻量在0～20%能有效提升泡沫混凝土的抗凍融循環(huán)性能,且最佳摻量在10%～20%。