何志兵,曾慧姣,王伟光,秦明强
(1.中交二航局第二工程有限公司,重庆 401121; 2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司, 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,武汉 430040;4.中交第二 航务工程局有限公司,武汉 430040)
泡沫轻质土是一种轻质多孔的水泥基材料,具有密度可调整、浇筑自流平、保温隔热、吸能减震等特点,凭借其特殊的结构特性被广泛应用于各种减载回填工程。使用泡沫轻质土代替砂、碎石等用于减载回填,不仅能够弥补常规回填存在的成本问题,减小结构所受荷载的同时环境效益良好[1- 3]。
煤渣是燃煤电厂产生的工业废渣,既可以作为骨料替代传统的砂直接利用,也可以通过磨细加工后激发活性,从而获得接近粉煤灰的性能[4]。利用工业废渣制备混凝土材料,可提高固废利用率,减少水泥等胶凝材料的使用,具有显著的经济性和环保性。Smarzewski等[5]研究发现加入铸造废砂和煤渣后混凝土的耐盐腐蚀能力明显提高。陈传明等[6]以水泥和10%掺量的粉煤灰为胶凝材料,页岩陶粒为粗骨料,河砂和炉渣为细骨料制备出容重为(1 680±50)kg/m3的混凝土。唐艳娟等[7]利用电厂灰渣制备空心砌块灌芯材料,得到28 d最优掺量配合比为粉煤灰0.8∶脱硫石膏0.4∶煤渣粉粒0.2∶水泥0.5。杨士钰等[8]采用当地电厂丰富的粉煤灰、煤渣和脱硫石膏3种材料研制出28 d抗压强度为1.23～14.48 MPa、表观密度为1 370～1 617 kg/cm3的绿色轻质建筑砂浆。上述研究可以看出煤渣在制备轻质材料方面具有显著优势,但目前大掺量煤渣用于泡沫轻质土制备的研究尚少,且难以配制出用于水下减载回填的性能适宜的轻质材料。
根据水下减载回填的结构受力及材料耐久性要求,提出减载材料28 d抗压强度不低于3.0 MPa,湿密度介于1 200～1 400 kg/m3之间,软化系数在0.8以上,同时满足吊装和转运要求。因此,采用电厂煤渣为集料开展泡沫轻质土的制备工作,对比分析了不同煤渣种类、细度及掺量对泡沫轻质土工作性能、力学性能及软化系数的影响规律,优选煤渣参数以制备出性能更优异的煤渣泡沫轻质土。
1.1 原材料
1)水泥:采用葛洲坝宜城水泥有限公司“三峡牌”PO42.5普通硅酸盐水泥,其基本物理力学参数如表1所示。
表1 水泥基本物理力学参数
2)煤渣:采用火力发电厂煤渣,其形貌如图1所示。选取多孔疏松块状结构煤渣(SS)、粉末状煤渣(FM)、多孔致密块状结构煤渣(ZM),分别进行筛分处理,使粒径处于0～4.75 mm区间,并测试其表观密度、筒压强度和1 h吸水率,测试结果如表2所示。
表2 煤渣基本性能测试结果
3)发泡剂:十二烷基硫酸钠,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 配合比设计
分别以上述三种煤渣骨料制备泡沫轻质土,测试不同煤渣种类、细度、掺量对泡沫轻质土流动度、湿密度、干密度、7 d及28 d抗压强度等性能的影响,配合比设计参数如表3所示。
表3 煤渣泡沫轻质土配合比
1.3 方法
1.3.1 密度测试
泡沫轻质土的密度参照《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)进行测试。测试干密度时,以3块泡沫轻质土为一组,将试件放在温度为(60±5)℃箱内烘干至前后两次相隔4 h的质量差不大于1 g,取出后,试件应放入干燥器内并在试件冷却至室温后称取试件烘干质量。测试湿密度时,将试件完全浸泡于水中不少于24 h,并保证水位线不低于试块表面2 cm,将试块取出后擦干表面明水测得试件质量。将试件质量除以试件体积,得到试件对应密度。
1.3.2 抗压强度测试
依据《泡沫混凝土》(JT/G 266—2011),每组试样取试件3块,加载速度( 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 软化系数测试
测试标养28 d的100 mm×100 mm×100 mm的泡沫轻质土试件,其软化系数为k=f1/f0。其中,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。
2.1 煤渣种类的影响
煤渣参数对泡沫轻质土性能影响的测试结果见图2。
由图2可知,相同掺量的情况下,SS制备的泡沫土湿密度、干密度最低,FM次之,ZM制备的泡沫土湿密度、干密度均较高。这是由于煤渣的性能与其孔隙结构密切相关,孔隙结构又受其成型条件影响,从而对泡沫轻质土的性能产生影响,SS内部孔隙最多、吸水率最高,配制出来的泡沫土密度和强度相对较低;ZM内部孔隙相对较少、吸水率低,泡沫土的密度和强度较高;FM是SS、ZM冷却形成过程中掉落的小颗粒和粉末,以及大块的SS、ZM破碎产生的粉末,表观密度介于SS和ZM,因此泡沫土性能也介于两者之间。
SS配制的泡沫土的软化系数最高、耐水性能最好,ZM次之,FM的最低。这与三种煤渣的形成条件有关,SS的孔隙率高于ZM,粒径相近的情况下表面更粗糙,与浆体的结合更为紧密,软化系数更高;FM的比表面积虽然更大,但颗粒较小,粗糙度明显降低,界面薄弱区最多,致使水浸泡后强度损失大。因此泡沫土的密度、抗压强度的变化与煤渣的密度和筒压强度呈正相关趋势,与煤渣的1 h吸水率呈负相关趋势。
2.2 煤渣细度的影响
将多孔疏松块状结构煤渣(SS)筛分至不同细度,探究煤渣细度模数对泡沫土性能的影响,测试结果如图3所示。
由图3可知,随着细度模数的增大,泡沫土的流动度逐渐增大,7 d抗压强度和软化系数逐渐降低,28 d抗压强度先增大后减小。骨料的细度模数越大,其比表面积越小,包裹所需要的浆体就越少,富余浆体越多,体现为流动度的增加;细度模数越大,粗颗粒就越多,对于多孔疏松块状结构煤渣,颗粒越粗,内部的孔隙、缺陷就越多,骨料强度就越低,表现为泡沫土抗压强度的降低,经破碎处理后,大颗粒在孔隙处破裂变为小颗粒,缺陷减少,表现为强度的增加。因此当煤渣细度模数介于2.3～3.5,其性能表现较优。
2.3 煤渣掺量的影响
以细度模数2.3的SS为骨料,探究不同煤渣掺量对泡沫轻质土性能的影响,测试结果如图4所示。
由图4可知,随着煤渣掺量的增加,泡沫土的流动度降低,且掺量超过65%后流动度的降低幅度明显加快,此外,湿密度逐渐降低,干密度先降低后略有提升后再降低,抗压强度也逐渐降低。在轻质土中,浆体和泡沫首先填充煤渣堆积的孔隙,富余的浆体和泡沫则形成浆体膜包裹煤渣颗粒,因此煤渣掺量越多、水泥掺量越少,富余的浆体和泡沫就越少,表现为泡沫土流动度的降低。而煤渣密度低于浆体密度,因此煤渣掺量增加泡沫土密度也逐渐降低并趋于平缓。同时泡沫土中致密的水化产物减少,高孔隙率的煤渣增多,泡沫土中的结构缺陷增多,表现为强度降低和软化系数降低,因此,煤渣掺量应不超过65%。
a.泡沫轻质土密度、抗压强度与煤渣密度、筒压强度呈正相关趋势,与煤渣1 h吸水率负相关。
b.随着细度模数的增大,泡沫轻质土的流动度逐渐增大,7 d抗压强度和软化系数逐渐降低,28 d抗压强度先增大后减小,细度模数介于2.3～3.5时,泡沫轻质土性能表现较优。
c.随着煤渣掺量的增加,泡沫轻质土的流动度、抗压强度逐渐降低,湿密度和干密度整体成下降趋势,其最佳掺量不应超过65%。
d.采用细度模数介于2.3～2.5之间、掺量不超过65%的多孔疏松块状结构煤渣(SS)做骨料时,制备而成的泡沫轻质土性能良好,可以满足水下减载回填的设计要求。
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