文献综述(或调研报告):
泡沫轻质土的形成原理相对比较复杂,首先要采取一定的物理方法,将发泡剂的水溶液制成泡沫的状态。然后,添加一定比例的水泥基胶凝材料和水加入搅拌。一般来说,为了使材料具备更加优异的性能,在搅拌时往往也会添加一些辅助材料。常用的辅助材料有掺合料、外加剂等。再次,将搅拌后的混合物通过一定的方法进行硬化。关于制造材料尤其应该注意的是,主剂和辅剂的用途是不一样的。主剂的主要作用是对胶片混合物起到凝固的作用,从而可以加强材料的物理强度;而辅料一般起到的是催化剂的作用。
泡沫轻质混凝土这种材料在欧美等国家因为应用时间较长,故欧美等国科学家对这种建筑材料研究较为全面。自1923年瓦洛申请泡沫混凝土专利以来,瓦洛、鲁德奈、泰勒、肖特和金尼堡等人又相继研究了它的构成、物理特性和工程应用等。Tan则研究了其在冻融循环下与轻集料和聚丙烯纤维的降解特性。随后,威研究了水灰比对泡沫混凝土空隙系统的影响以及这种系统的力学性能。此外,琼斯和麦卡锡研究了泡沫混凝土的建筑应用、耐火性、导热性和声学性能。Mydin等人则进一步研究了高温条件下不同密度泡沫混凝土的热力学性质,并建立了耐火预测模型。
中国虽然引进这种建筑材料相对较迟,但得益于近年来国内科研事业的快速发展,仍有不少学者对泡沫轻质土这种新型材料进行了相应研究。陈忠平在《气泡混合轻质填土新技术》中对现浇泡沫轻质土进行了大量研究;厦门建筑科学研究所的王永滋等研究了不同原材料对泡沫轻质土的影响以及制备泡沫轻质土的原材料对泡沫轻质土性能的影响规律,顾欢达等通过试验研究,认为水灰比是影响泡沫轻质土流动性的主要因素。也有许多学者对泡沫轻质土的强度特性进行了相关研究,苏谦等研究了氯化钙和硫酸钠2种早强剂对泡沫轻质混凝土抗压强度及弹性模量的影响,顾欢达等从水泥掺入量、塑料发泡颗粒体积含有量、养护龄期、养护环境等因素对泡沫轻质土强度发挥的影响进行了分析,沙玲和朱伟等通过不固结不排水三轴试验和直剪试验,探究了淤泥EPS颗粒混合轻质土抗剪强度的影响因素。此外,中国工程建设协会也通过CECS249-2008《现浇泡沫轻质土技术规程》这一工程标准,对泡沫轻质土的材料组分、工程设计、配合比要求、施工注意事项、质量检验以及必备的填料试验研究(包括湿密度及流值试验、消泡试验、力学性能试验、抗冻试验等)给出了规范性要求。
泡沫轻质土主要成分为胶凝材料、水、气泡及一定比例的土或其他外掺物。当所有组分混合搅拌时,液膜包围气体形成的泡沫散布于胶浆中形成了气-液-固的三相体系。在此过程中,泡沫从单纯的液膜变为液-固复合膜,此时泡沫的机械强度以液膜为主,同时在挤压力变大的影响下,泡沫形状逐渐改变。随后,三相体系向气-固两相体体系过渡,此过程即浆体成型至初凝阶段。在这一过程中,除了泡沫的液膜机械强度支撑以外,胶凝组分颗粒发生水化反应也逐渐产生一定强度,此时泡沫轻质土的强度是一种复合强度,占据主要地位的仍然是液膜强度。浆体初凝后,其内部的水化反应开始增快,产生大量水化热使泡沫液膜的水分完全丧失时,胶凝层封闭空气就形成气孔壁,泡沫轻质土形成气-固两相体系。在这一过程中其强度也随着反应时间的推移而增加,胶凝组分颗粒强度进而占据主导地位,泡沫轻质土强度也最终形成。
目前根据已有的研究资料,总结出泡沫轻质土这一建筑工程材料具有以下特性:
- 轻质性:干体积密度为300-1600 KG/msup3;,相当于普通水泥混凝土的1/5~1/8左右,可减轻建筑物整体荷载;
- 整体性:可现场浇注施工,与主体结合紧密,不需留界隔缝和透气管;
- 低弹减震性:泡沫水泥轻质土的多孔性使其具有低的弹性模量,从而使其对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用;
- 抗压性:抗压强度为0.6-25.0 MPa;
- 耐水性:现浇气泡混合轻质土吸水性较小,相对独立的封闭气泡及良好的整体性,使其具有一定的防水性能;
- 耐久性:与主体工程寿命相近似;
- 施工速度快:只需使用简单的机器可实现自动化作业,可实现800米的远距离输送,工作量为150—300 msup3;/日;
- 环保性:泡沫水泥轻质土所需原料为水泥和起泡剂,起泡剂为中性,不含苯、甲醛等有害物质,避免了环境污染和消防隐患;
- 经济性:综合造价低。
得益于上述泡沫轻质土的特性,这种新型建筑材料适宜用于挡土墙、运动场、田径跑道、夹芯构件、回填管线、屋面边坡、城市道路等工程的施工中。
根据文献调研结果,目前在实际的道路工程应用中泡沫轻质土的使用通常有如下技术指标:距路面底面距离大于0.8m,湿密度520~560kg/msup3;,28天抗压强度ge;0.6 MPa;泡沫密度需要控制在45~55kg/msup3;范围;流值范围为170plusmn;10mm;消泡试验泡沫轻质土湿密度增加率不超过10%;发泡倍率则需不低于1200以及泡沫轻质土标准沉降率低于3%。
为满足上述技术指标,需要对泡沫轻质土的常用配合比进行讨论。在泡沫轻质土的配合比设计中,主要应把握以下四个因素:
- 水泥用量:由于泡沫混凝土高孔隙率的结构特征,与普通混凝土强度主要贡献组分为骨料不同,具有胶凝作用的水泥是泡沫混凝土制作成型的关键组分及最终的强度来源。因此,在一般情况下,水泥的用量要占干物料总量的70%~100%;
- 水料比:泡沫混凝土采用的不是水灰比,而是水料比。水料比是总用水量与各种干物料质量的比值,是泡沫混凝土设计的重要技术参数。水料比要满足水泥水化反应的需要,既要容易浇筑,又不会影响浇筑的稳定性;
- 泡沫剂用量:泡沫直接决定了泡沫混凝土最终的孔结构,在配比中起到调节密度的作用,其用量与泡沫剂稀释比、发泡性能、泡沫密度、所配泡沫体积有关;
- 对轻骨料的要求:在选择轻骨料时应注意骨料与泡沫浆体的密度匹配与体积比匹配。
在上述配合比设计的总体原则下,本课题所依托的徐州市外环快速路轻质土回填路堤施工质量控制工程结合项目实际情况初步设计了三组常用配合比,三组设计配合比的具体数据为:
