何志兵,曾慧姣,王偉光,秦明強(qiáng)

(1.中交二航局第二工程有限公司,重慶 401121; 2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 武漢 430040;3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430040;4.中交第二 航務(wù)工程局有限公司,武漢 430040)

泡沫輕質(zhì)土是一種輕質(zhì)多孔的水泥基材料,具有密度可調(diào)整、澆筑自流平、保溫隔熱、吸能減震等特點(diǎn),憑借其特殊的結(jié)構(gòu)特性被廣泛應(yīng)用于各種減載回填工程。使用泡沫輕質(zhì)土代替砂、碎石等用于減載回填,不僅能夠彌補(bǔ)常規(guī)回填存在的成本問題,減小結(jié)構(gòu)所受荷載的同時(shí)環(huán)境效益良好[1- 3]。

煤渣是燃煤電廠產(chǎn)生的工業(yè)廢渣,既可以作為骨料替代傳統(tǒng)的砂直接利用,也可以通過磨細(xì)加工后激發(fā)活性,從而獲得接近粉煤灰的性能[4]。利用工業(yè)廢渣制備混凝土材料,可提高固廢利用率,減少水泥等膠凝材料的使用,具有顯著的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。Smarzewski等[5]研究發(fā)現(xiàn)加入鑄造廢砂和煤渣后混凝土的耐鹽腐蝕能力明顯提高。陳傳明等[6]以水泥和10%摻量的粉煤灰為膠凝材料,頁巖陶粒為粗骨料,河砂和爐渣為細(xì)骨料制備出容重為(1 680±50)kg/m3的混凝土。唐艷娟等[7]利用電廠灰渣制備空心砌塊灌芯材料,得到28 d最優(yōu)摻量配合比為粉煤灰0.8∶脫硫石膏0.4∶煤渣粉粒0.2∶水泥0.5。楊士鈺等[8]采用當(dāng)?shù)仉姀S豐富的粉煤灰、煤渣和脫硫石膏3種材料研制出28 d抗壓強(qiáng)度為1.23～14.48 MPa、表觀密度為1 370～1 617 kg/cm3的綠色輕質(zhì)建筑砂漿。上述研究可以看出煤渣在制備輕質(zhì)材料方面具有顯著優(yōu)勢,但目前大摻量煤渣用于泡沫輕質(zhì)土制備的研究尚少,且難以配制出用于水下減載回填的性能適宜的輕質(zhì)材料。

根據(jù)水下減載回填的結(jié)構(gòu)受力及材料耐久性要求,提出減載材料28 d抗壓強(qiáng)度不低于3.0 MPa,濕密度介于1 200～1 400 kg/m3之間,軟化系數(shù)在0.8以上,同時(shí)滿足吊裝和轉(zhuǎn)運(yùn)要求。因此,采用電廠煤渣為集料開展泡沫輕質(zhì)土的制備工作,對比分析了不同煤渣種類、細(xì)度及摻量對泡沫輕質(zhì)土工作性能、力學(xué)性能及軟化系數(shù)的影響規(guī)律,優(yōu)選煤渣參數(shù)以制備出性能更優(yōu)異的煤渣泡沫輕質(zhì)土。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥:采用葛洲壩宜城水泥有限公司“三峽牌”PO42.5普通硅酸鹽水泥,其基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 水泥基本物理力學(xué)參數(shù)

2)煤渣:采用火力發(fā)電廠煤渣,其形貌如圖1所示。選取多孔疏松塊狀結(jié)構(gòu)煤渣(SS)、粉末狀煤渣(FM)、多孔致密塊狀結(jié)構(gòu)煤渣(ZM),分別進(jìn)行篩分處理,使粒徑處于0～4.75 mm區(qū)間,并測試其表觀密度、筒壓強(qiáng)度和1 h吸水率,測試結(jié)果如表2所示。

表2 煤渣基本性能測試結(jié)果

3)發(fā)泡劑:十二烷基硫酸鈉,白色粉末狀物質(zhì),分析純,純度高于99.6%。

4)穩(wěn)泡劑:黃原膠,淡黃色顆粒狀物質(zhì),分析純,純度高于95%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

分別以上述三種煤渣骨料制備泡沫輕質(zhì)土,測試不同煤渣種類、細(xì)度、摻量對泡沫輕質(zhì)土流動度、濕密度、干密度、7 d及28 d抗壓強(qiáng)度等性能的影響,配合比設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 煤渣泡沫輕質(zhì)土配合比

1.3 方法

1.3.1 密度測試

泡沫輕質(zhì)土的密度參照《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)進(jìn)行測試。測試干密度時(shí),以3塊泡沫輕質(zhì)土為一組,將試件放在溫度為(60±5)℃箱內(nèi)烘干至前后兩次相隔4 h的質(zhì)量差不大于1 g,取出后,試件應(yīng)放入干燥器內(nèi)并在試件冷卻至室溫后稱取試件烘干質(zhì)量。測試濕密度時(shí),將試件完全浸泡于水中不少于24 h,并保證水位線不低于試塊表面2 cm,將試塊取出后擦干表面明水測得試件質(zhì)量。將試件質(zhì)量除以試件體積,得到試件對應(yīng)密度。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度測試

依據(jù)《泡沫混凝土》(JT/G 266—2011),每組試樣取試件3塊,加載速度( 2.0±0.5) kN/s,連續(xù)而均勻地加荷直至試件破壞,記錄破壞荷載,最后取3塊試件平均強(qiáng)度作為抗壓強(qiáng)度。

1.3.3 軟化系數(shù)測試

測試標(biāo)養(yǎng)28 d的100 mm×100 mm×100 mm的泡沫輕質(zhì)土試件,其軟化系數(shù)為k=f1/f0。其中,f1為泡沫輕質(zhì)土在不同天數(shù)浸水條件下吸水飽和狀態(tài)的試件抗壓強(qiáng)度;f0為泡沫輕質(zhì)土在不同天數(shù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下干燥狀態(tài)的試件抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤渣種類的影響

煤渣參數(shù)對泡沫輕質(zhì)土性能影響的測試結(jié)果見圖2。

由圖2可知,相同摻量的情況下,SS制備的泡沫土濕密度、干密度最低,FM次之,ZM制備的泡沫土濕密度、干密度均較高。這是由于煤渣的性能與其孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān),孔隙結(jié)構(gòu)又受其成型條件影響,從而對泡沫輕質(zhì)土的性能產(chǎn)生影響,SS內(nèi)部孔隙最多、吸水率最高,配制出來的泡沫土密度和強(qiáng)度相對較低;ZM內(nèi)部孔隙相對較少、吸水率低,泡沫土的密度和強(qiáng)度較高;FM是SS、ZM冷卻形成過程中掉落的小顆粒和粉末,以及大塊的SS、ZM破碎產(chǎn)生的粉末,表觀密度介于SS和ZM,因此泡沫土性能也介于兩者之間。

SS配制的泡沫土的軟化系數(shù)最高、耐水性能最好,ZM次之,FM的最低。這與三種煤渣的形成條件有關(guān),SS的孔隙率高于ZM,粒徑相近的情況下表面更粗糙,與漿體的結(jié)合更為緊密,軟化系數(shù)更高;FM的比表面積雖然更大,但顆粒較小,粗糙度明顯降低,界面薄弱區(qū)最多,致使水浸泡后強(qiáng)度損失大。因此泡沫土的密度、抗壓強(qiáng)度的變化與煤渣的密度和筒壓強(qiáng)度呈正相關(guān)趨勢,與煤渣的1 h吸水率呈負(fù)相關(guān)趨勢。

2.2 煤渣細(xì)度的影響

將多孔疏松塊狀結(jié)構(gòu)煤渣(SS)篩分至不同細(xì)度,探究煤渣細(xì)度模數(shù)對泡沫土性能的影響,測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,隨著細(xì)度模數(shù)的增大,泡沫土的流動度逐漸增大,7 d抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)逐漸降低,28 d抗壓強(qiáng)度先增大后減小。骨料的細(xì)度模數(shù)越大,其比表面積越小,包裹所需要的漿體就越少,富余漿體越多,體現(xiàn)為流動度的增加;細(xì)度模數(shù)越大,粗顆粒就越多,對于多孔疏松塊狀結(jié)構(gòu)煤渣,顆粒越粗,內(nèi)部的孔隙、缺陷就越多,骨料強(qiáng)度就越低,表現(xiàn)為泡沫土抗壓強(qiáng)度的降低,經(jīng)破碎處理后,大顆粒在孔隙處破裂變?yōu)樾☆w粒,缺陷減少,表現(xiàn)為強(qiáng)度的增加。因此當(dāng)煤渣細(xì)度模數(shù)介于2.3～3.5,其性能表現(xiàn)較優(yōu)。

2.3 煤渣摻量的影響

以細(xì)度模數(shù)2.3的SS為骨料,探究不同煤渣摻量對泡沫輕質(zhì)土性能的影響,測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,隨著煤渣摻量的增加,泡沫土的流動度降低,且摻量超過65%后流動度的降低幅度明顯加快,此外,濕密度逐漸降低,干密度先降低后略有提升后再降低,抗壓強(qiáng)度也逐漸降低。在輕質(zhì)土中,漿體和泡沫首先填充煤渣堆積的孔隙,富余的漿體和泡沫則形成漿體膜包裹煤渣顆粒,因此煤渣摻量越多、水泥摻量越少,富余的漿體和泡沫就越少,表現(xiàn)為泡沫土流動度的降低。而煤渣密度低于漿體密度,因此煤渣摻量增加泡沫土密度也逐漸降低并趨于平緩。同時(shí)泡沫土中致密的水化產(chǎn)物減少,高孔隙率的煤渣增多,泡沫土中的結(jié)構(gòu)缺陷增多,表現(xiàn)為強(qiáng)度降低和軟化系數(shù)降低,因此,煤渣摻量應(yīng)不超過65%。

3 結(jié) 論

a.泡沫輕質(zhì)土密度、抗壓強(qiáng)度與煤渣密度、筒壓強(qiáng)度呈正相關(guān)趨勢,與煤渣1 h吸水率負(fù)相關(guān)。

b.隨著細(xì)度模數(shù)的增大,泡沫輕質(zhì)土的流動度逐漸增大,7 d抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)逐漸降低,28 d抗壓強(qiáng)度先增大后減小,細(xì)度模數(shù)介于2.3～3.5時(shí),泡沫輕質(zhì)土性能表現(xiàn)較優(yōu)。

c.隨著煤渣摻量的增加,泡沫輕質(zhì)土的流動度、抗壓強(qiáng)度逐漸降低,濕密度和干密度整體成下降趨勢,其最佳摻量不應(yīng)超過65%。

d.采用細(xì)度模數(shù)介于2.3～2.5之間、摻量不超過65%的多孔疏松塊狀結(jié)構(gòu)煤渣(SS)做骨料時(shí),制備而成的泡沫輕質(zhì)土性能良好,可以滿足水下減載回填的設(shè)計(jì)要求。