粉土塑性指数对水泥基粉土气泡混合轻质土性能影响研究

Study on the Effect of Silt Plasticity Index on the Properties of Silt-Based Foamed Concrete

摘要: 为了明确黄泛区粉土用作水泥基泡沫轻质土外掺料的可行性，通过重塑配料的方式，调整轻质土湿密度、粉土掺量、粉土塑性指数等指标，研究了粉土塑性指数对泡沫轻质土物理力学性能的影响规律，包括无侧限抗压强度、弹性模量、流动度、干燥收缩值及吸水率。结果表明，随着粉土的塑性指数增大，气泡混合轻质土的基本力学性能减小，浆体的流动度降低，干燥收缩值增大，吸水率增大，但是可以满足路用性能要求。

Abstract: In order to define the possibility of silt in the Yellow River Flood Area to be used as admixture in foamed concrete, indexes including wet density, silt content and silt plasticity index were adjusted by remixing the components. The mechanical properties, including the unconfined compressive strength, elastic modulus, fluidity, drying shrinkage value and water absorption, were researched by considering the silt plasticity index. The results show that with the increase of plasticity index of silt, the basic mechanical properties of silt-based foamed concrete decreased, and the fluidity of slurry decreased, the drying shrinkage value increased, water absorption rate increased, but it can meet the road performance requirements.

1. 引言

泡沫轻质土材料具有轻质性、高强性、自立性好、施工便捷等性能，因而成为一种良好的材料并广泛运用到工程建设中。近年来，轻质土材料逐渐应用于路基填筑中，以减轻地基附加压力，降低工后沉降 [1] [2]。然而，目前轻质土在我国仍然存在应用难度较大的问题，其主要原因在于：其一，随着环保政策的严格实施，水泥限产造成价格上涨严重，推高了轻质土的应用成本，工程建设单位难以承受 [3] [4]；其二，水泥在生产、制备和使用的过程中会造成严重的粉尘污染和二氧化碳排放，不利于工程应用 [5]。因此，许多学者提出采用固废材料代替部分水泥，以粉土替代部分水泥的粉土基泡沫轻质土则应运而生。本论文通过前期的测试发现，山东省平原区广泛分布的黄河冲淤积粉土，粒径以介于0.075~0.002 mm之间的粉粒为主，土质以低液限粉土、粉质粘土、粉砂土等为主，土性介于黏土和砂土之间 [6]，可以起到一定的颗粒骨架作用，适用于作为部分水泥的替代品。

由于山东省粉土分布范围广、土质种类多，用其代替水泥的可行性需要进一步研究。另外，使用不同类型的粉土作为掺合料，其各组分配合比对材料性能的影响有待研究确定 [7] [8]。因此，本文通过研究细粒土含量较高的粉土用作掺合料时对气泡混合轻质土的力学性能的影响，探求粉土塑性指数与泡沫轻质土性能的关系，为轻质土作为路用材料提供依据，推动粉土轻质土的工程应用。

2. 重塑土的制备

试验采用五种配土比例，分别对应五种塑性指数从低到高的土，液塑限及粒径级配如表1~2所示。

3. 配合比的计算

试验所用粉土设计了3个湿密度(600 kg/m³, 700 kg/m³, 800 kg/m³)、4个粉土掺量(0%, 20%, 30%, 40%)、以及5种塑性指数(7.2, 9.3, 11.6, 13.1, 15.4)作为试验变量，共60个配比，如表3~5所示。

Table 1. Number of remolded soil and liquid plastic limit

表1. 重塑土编号及液塑限值

Table 2. Grain gradation of remixing soil

表2. 重塑土颗粒级配表

Table 3. Mix condition of 600 kg/m3

表3. 湿密度为600 kg/m³密度配合比

Table 4. Mix condition of 700 kg/m3

表4. 湿密度为700 kg/m³密度配合比

Table 5. Mix condition of 800 kg/m3

表5. 湿密度为800 kg/m³密度配合比

4. 试验结果与分析

4.1. 无侧限抗压强度

由图1可以看出，随土的塑性指数的增大，泡沫轻质土的抗压强度基本呈减小的趋势，但是减小的幅度较小且与粉土掺量有关，粉土掺量越大，抗压强度变化的幅度也在增大。以600 kg/m³密度的轻质土为例，当试验土的塑性指数从7.2增加到15.4时，粉土掺量为20%，30%和40%的工况，其抗压强度分别减小了0.112 MPa、0.158 MPa和0.254 MPa。

(a) (b) (c)

Figure 1. Compressive strength of foamed concrete with different densities. (a) 600 kg/m³; (b) 700 kg/m³; (c) 800 kg/m³

图1. 不同密度的泡沫轻质土抗压强度。(a) 600 kg/m³；(b) 700 kg/m³；(c) 800 kg/m³

当泡沫轻质土的浆液湿密度为700 kg/m²及以下，且粉土掺量较高、粉土塑性指数较大时，泡沫轻质土的抗压强度已经小于0.8 MPa，甚至低于0.6 MPa，难以满足强度要求。总体来说，当轻质土的浆体湿密度为600 kg/m³、且粉土掺量超过20%的情况下，不要选用塑性指数 ≥ 11的细粒土；当轻质土的浆体湿密度为700 kg/m³且粉土掺量超过30%时，不推荐选用塑性指数 ≥ 13的细粒土；当轻质土的浆体湿密度≥800 kg/m³时，抗压强度普遍较高，在粉土掺量 ≤ 40%的情况下，可以任意选用粉土。

4.2. 静弹性模量

不同密度及粉土掺量下轻质土的静弹性模量与粉土塑性指数关系如图2所示。随着粉土塑性指数增大，粉土基泡沫轻质土的静弹性模量减小；粉土掺量越大，静弹模随粉土塑性指数的减小幅度越大。此外，由图2可知，泡沫轻质土静弹性模量受粉土塑性指数的影响较小，也就是说，静弹性模量主要受湿密度和粉土掺量两个因素的影响。

(a) (b) (c)

Figure 2. Elastic modulus of foamed concrete with different densities. (a) 600 kg/m³; (b) 700 kg/m³; (c) 800 kg/m³

图2. 不同密度的泡沫轻质土静弹性模量。(a) 600 kg/m³; (b) 700 kg/m³; (c) 800 kg/m³

4.3. 流动度

图3为不同密度与粉土掺量下的粉土塑性指数对流动度的影响，由图可知，在粉土掺量相同的情况下，细集料粉土的塑性指数越高，则新拌浆体的流动度越小。主要是因为集料土中的粘性颗粒本身具有吸水性，在轻质土搅拌过程中会吸收一部分浆体中的水分，从而减小了浆液中的流动水的含量，使得流动度变低。但是粉土基泡沫轻质土浆体的流动度会随着粉土掺量增大而逐渐增大。这是因为当粉性土作为集料替代水泥之后，由于其本身无法与水泥发生化学反应，故粉土颗粒零星散布在混合料之间，降低了水泥的水化程度，从而增大了浆体的流动度。

(a) (b) (c)

Figure 3. Fluidity of foamed concrete with different densities. (a) 600 kg/m³; (b) 700 kg/m³; (c) 800 kg/m³

图3. 不同密度的泡沫轻质土流动度。(a) 600 kg/m³；(b) 700 kg/m³；(c) 800 kg/m³

4.4. 干燥收缩性能

图4是采用塑性指数分别为7.2和15.4的两种粉土作集料时测得的泡沫轻质土28d干燥收缩曲线，可以看出，泡沫轻质土的干燥收缩值随龄期逐渐增大，其增长现速率随龄期先快后慢，呈现出逐渐减小的趋势，并于20天左右趋于稳定。由图4可知，粉土掺量越高，泡沫轻质土的干燥收缩值越小，干燥收缩值主要是由于水化物产生的，而粉土的掺入减小了水泥的用量，进而减小了其同龄期的干燥收缩值。

图5为不同粉土掺量下塑性指数7.2和15.4的两种粉土作集料的干缩曲线对比，可以看出，采用塑性指数7.2的粉土作细集料的轻质土，其干燥收缩值要小于塑性指数7.2的粉土浇筑成的混合轻质土。故粉土的塑性指数越高，气泡混合轻质土的干燥收缩性能越大。气泡混合轻质土的浇筑过程中，作为集料的粉土会吸收一部分水分，这些水分被储存在泡沫轻质土内部。随着气泡混合轻质土内部水化过程的进行，这部分被储存的水分逐渐逸出并参与水化，导致泡沫轻质土试件的体积减小。土的塑性指数越高，内部吸收的水分越多，挥发的水分也越多，干缩值也就越大。

(a) (b)

Figure 4. Dry shrinkage value of foamed concrete with different silt plasticity index. (a) 7.2; (b) 15.4

图4. 不同粉土塑性指数的泡沫轻质土干燥收缩值。(a) 塑性指数7.2；(b) 塑性指数15.4

(a) (b) (c)

Figure 5. Dry shrinkage value of foamed concrete with different silt content. (a) 20%; (b) 30%; (c) 40%

图5. 不同粉土掺量的泡沫轻质土干燥收缩值。(a) 粉土掺量20%；(b) 粉土掺量30%；(c) 粉土掺量40%

4.5. 吸水率

图6为粉土基泡沫轻质土的吸水率随粉土塑性指数的变化曲线，从图中可以看出，粉土掺量相同时，粉土的塑性指数越高，泡沫轻质土试块的吸水率越高。主要原因有两点：1) 土的平均粒径越大，在泡沫轻质土内部结构中越能起到骨架支撑作用。当集料土中的黏粒含量较高时，泡沫轻质土内部的结构密实度变低，内部孔隙增大导致吸水率提高。2) 另一方面是土的塑性指数越高，在轻质土结构中的粉土的吸水量越大，进一步提升了轻质土试块的吸水率。

5. 结论

本文主要研究了粉土的塑性指数对水泥基粉土气泡混合轻质土物理及力学性能的影响，得出结论如下：

1) 随着粉土的塑性指数增大，泡沫轻质土的主要力学性能(无侧限抗压强度、抗折强度、静弹性模量)随之减小，影响幅度约为粉土每增加1点塑性指数，轻质土的力学性能减小约2%~6%。此外，减小的幅度与粉土掺量有关，粉土掺量越大，减小幅度越大。

2) 在粉土掺量相同的情况下，作为集料的粉性土塑性指数越大，泡沫轻质土浆体的流动度越小，减小幅度约为粉土每增加1点塑性指数，轻质土的浆体流动度增长约0.1~0.7 cm。

Figure 6. Water absorption of foamed concrete

图6. 泡沫轻质土吸水率

3) 在粉土掺量相同的情况下，粉土的塑性指数越高，泡沫轻质土的干燥收缩性能越大，粉土每增加1点塑性指数，轻质土的干燥收缩值增大约0.15%~0.3%。

4) 在粉土掺量相同的情况下，粉土的塑性指数越大，泡沫轻质土试块的吸水率越高，变化幅度约为粉土每增加1点塑性指数，轻质土的吸水率增长约0.2~0.4个百分点。