水泥基采石场粉尘泡沫轻质土力学性能及微观机理研究

Study on Mechanical Properties and Microscopic Mechanism of Dust Foam Lightweight Soil in Cement-Based Quarries

摘要: 为了研究水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的力学性能和微观机理，以水泥、采石场粉尘作为胶凝材料制作泡沫轻质土，分析湿密度(500 kg/m³、600 kg/m³、700 kg/m³、800 kg/m³)、采石场粉尘掺量(0%、7.5%、12.5%、17.5%、22.5%)及标准养护龄期(3 d、7 d、14 d、28 d)等因素对泡沫轻质土的流值、无侧限抗压强度、孔泡结构的影响，建立强度预测模型。结果表明：流值随采石场粉尘掺量先减小后增大，与设计湿密度成正比；采石场粉尘掺量低于12.5%时，能有效提高无侧限抗压强度；相同养护龄期内，设计湿密度与抗压强度成正比；分析了抗压强度微观机理，湿密度越大，泡沫轻质土孔隙率越低；采石场粉尘掺量越多，平均孔径越小；依据实验结果，建立了适用于不同配合比的水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的无侧限抗压强度预测公式。研究成果可以为该材料的工程应用提供依据。

Abstract: In order to study the mechanical properties and microscopic mechanism of cement-based quarry dust foam lightweight soil, cement and quarry dust were used as cementitious materials to make foam lightweight soil, and the effects of wet density (500 kg/m³, 600 kg/m³, 700 kg/m³, 800 kg/m³), quarry dust content (0%, 7.5%, 12.5%, 17.5%, 22.5%) and standard curing age (3 d, 7 d, 14 d, 28 d) on the flow value, unconfined compressive strength and pore structure of foam lightweight soil were analyzed, and a strength prediction model was established. The results show that the flow value decreases first and then increases with the dust content of the quarry, which is proportional to the design wet density. When the dust content of the quarry is less than 12.5%, the unconfined compressive strength can be effectively improved. During the same curing period, the design wet density is proportional to the compressive strength. The microscopic mechanism of compressive strength was explained, and the higher the wet density, the lower the porosity of foam lightweight soil. The higher the amount of dust in the quarry, the smaller the average pore size. According to the experimental results, a prediction formula for the unconfined compressive strength of cement-based quarry dust foam lightweight soil with different mix ratios was established. The research results can provide a basis for the engineering application of this material.

1. 引言

随着全球建筑石材消费量的增加[1]，在采石场中产生大量矿石粉末，其对混凝土性能产生未知的影响，并且矿石粉末无管制排放会对环境及人体健康产生严重后果[2]-[4]。采石场的副产品粉尘量极为庞大，将其转化为可用绿色资源的任务变得日益迫切，目前主要用作沥青混凝土或水泥混凝土路面掺合料[5]。

在水泥浆体中掺入适量泡沫使其形成泡沫轻质土，其具有质地轻、密度可调节、整体性强以及耐久性良好等特点[6] [7]。近年来泡沫轻质土在道路工程中得到广泛应用，如用作拓宽路段路基材料以减小附加应力，用作桥涵台背回填材料以防止差异沉降引起的跳车现象[8]-[10]。然而常规泡沫轻质土水泥掺量大、造价高，碳排放量高。因此，许多学者提出采用固废材料代替部分水泥，以达到降低造价、减少环境污染的目的。刘超[11]-[13]等学者将粉煤灰作为泡沫轻质土的掺合料，发现其可以提高泡沫轻质土的后期强度，尤其是龄期到达28 d时，粉煤灰掺量对泡沫轻质土抗压强度的影响大于胶凝材料总量的影响；石东升[14]-[16]等学者通过在泡沫轻质土中掺入一定量的粒化高炉矿渣，发现其可以改善泡沫轻质土的流动性和耐久性；陈雄威[17]-[19]等学者在泡沫轻质土中掺入硅灰，发现其可以提高泡沫轻质土的强度和耐久性。孔祥武[20]将石粉掺入泡沫轻质土中，研究发现泡沫轻质土中可以掺入惰性材料，其可以降低泡沫轻质土的流动性，强度符合工程需要，且成本低。目前，对于泡沫轻质土掺合料，惰性材料的研究相对较少，且主要针对高掺量和高密度的配合比研究[21] [22]，但是低密度低掺量研究较少[23]。

本文研究将采石场粉尘作为泡沫轻质土掺合料，研究水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的设计湿密度、采石场粉尘掺量和标准养护龄期对流值、无侧限抗压强度影响，并从微观层面揭示抗压强度机理，建立抗压强度预测模型，为水泥基采石场粉尘泡沫轻质土用于道路工程提供技术支持。

2. 试验准备

2.1. 采石场粉尘

试验选用泗水县采石场粉尘，其化学成分如表1所示，主要为CaCO₃、MgCa(CO₃)₂、SiO₂。

Table 1. Main chemical composition of quarry dust

表1. 采石场粉尘的主要化学成分

成分	CaCO3	MgCa(CO3)2	SiO2
含量(%)	75.2	14.9	9.9

采石场粉尘XRD测试结果如图1所示，主要矿物相为方解石(Calcite)、方英石(Quartz)、白云石(Dolomite)。

Figure 1. XRD image of quarry dust

图1. 采石场粉尘的XRD图

2.2. 水泥

水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥的物理性能指标如表2所示。

Table 2. Physical properties of cement

表2. 水泥物理性能指标

比表面积 (m^2/kg)	标准稠度 (%)	凝结时间/min		抗压强度/MPa		抗折强度/MPa
		初凝	终凝	3 d	28 d	3 d	28 d
3800	28.5	260	380	18.5	45.5	4.1	7.3

2.3. 发泡剂

发泡剂采用山东烟台驰龙建筑节能科技有限公司生产的复合型发泡剂，其性能如表3所示。

Table 3. Main performance index of foaming solution

表3. 发泡液的主要性能指标

品种	稀释倍数	发泡倍数	标准泡沫密度 (kg/m^3)	30 min泌水率 (%)
复合型	50	800~1000	40~50	15.93

2.4. 水泥基采石场粉尘泡沫轻质土配合比

为了研究不同设计湿密度及采石场粉尘掺量对泡沫轻质土力学性能的影响，结合前期预试验，确定水固比为0.55，浆体湿密度为500 kg/m³、600 kg/m³、700 kg/m³、800 kg/m³，采石场粉尘掺量为7.5%、12.5%、17.5%、22.5%。试验配比如表4所示。

Table 4. Mix design table

表4. 配合比设计表

ρ1	ρ2		ρ3		ρ4		P		C1		C2		C3		C4		K1		K2
500	600		700		800		0		299		365		432		498		0		0
							7.5		276		338		399		461		22		27
							12.5		261		320		378		436		37		46
							17.5		247		301		356		411		52		64
							22.5		232		283		334		386		67		82
K3		K4		W1		W2		W3		W4		B1		B2		B3		B4
0		0		164		201		237		274		37		34		31		28
32		37
54		62
76		87
97		112

注：下标i表示变量的取值。ρ表示设计浆体湿密度，kg/m³；P表示采石场粉尘掺量，%；C表示水泥质量，kg；K表示采石场粉尘质量，kg；W表示拌和用水量，kg；B表示泡沫质量，kg。

2.5. 试验流程

水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的制备流程如下：按表3中泡沫要求，配置密度为50 kg/m³的泡沫。按照表4中的配合比，先将干料(水泥与采石场粉尘)搅拌均匀，再将混合料倒在搅拌桶中边加水边搅拌，持续4 min；然后称取适量泡沫加入搅拌桶，慢速搅拌1 min后快速搅拌2 min，使泡沫与水泥浆充分融合，然后把泡沫轻质土拌合物浇筑在模具里，覆盖保鲜膜后放在养护箱，养护24 h后脱模。最后将试件放在标准养护室(温度20℃ ± 2℃，相对湿度 ≥ 90%)内，养护至规定龄期后进行试验。试件制备流程图如图2所示。

2.6. 测试方法

根据TJG-F10-01-2011《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》[24]，进行配合比设计、浆体流值测试。

根据GB/T 11969-2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》[25]，进行试块尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm的抗压强度试验。

孔隙率使用3D数码显微镜(凯视迈KS-X1000)采集，图像处理采用Image Pro Plus (6.0)。

Figure 2. Flow chart of specimen preparation

图2. 试件制备流程图

3. 实验结果分析

3.1. 流值分析

由图3可知，在不掺加采石场粉尘时，泡沫轻质土的流值较大，其值与17.5%掺量的流值接近，7.5%掺料掺量的流值相较于0%掺量的流值减小约4.5%~7%，12.5%掺量的流值相较于7.5%掺料掺量流值增大1%~4%，17.5%掺料掺量的流值相较于12.5%掺料掺量流值增大1%~4.5%，对于大密度泡沫轻质土(700 kg/m³、800 kg/m³) 22.5%掺料掺量的流值相较于17.5%掺料掺量流值增大约7%，低密度泡沫轻质土(500 kg/m³、600 kg/m³)流值仅增加1%~3%；当采石场粉尘掺量为12.5%和17.5%时，流值增长率分别为1.11、4.01、1.06和4.26、1.05、1.55，流值增长率比较稳定。

(a) 不同采石场粉尘掺量的泡沫轻质土流值 (b) 不同湿密度的泡沫轻质土流值

Figure 3. Diagram of flow value variation

图3. 流值变化规律图

3.2. 无侧限抗压强度分析

3.2.1. 湿密度对抗压强度的影响

图4表示相同采石场粉尘掺量的泡沫轻质土，其无侧限抗压强度与设计湿密度的关系。可以看出：在同一掺量条件下，抗压强度随着湿密度和龄期的增大而增大；龄期从3 d增长到28 d时，无侧限抗压强度增长倍数为1.55~2.37倍，平均为1.90倍；湿密度从500 kg/m³增大到800 kg/m³时，抗压强度提高了239%。结合配合比设计表分析，这是由于泡沫轻质土设计湿密度越大，水泥用量越大，因而水化产物体量也就越大，抵抗外部荷载的能力就越强；随着单位体积的水化产物含量提高，轻质土内部的孔泡结构变小，均匀的小体积的孔泡结构对抵抗变形有明显效果。该结论可由3.3微观分析部分分析予以验证。

(a) 采石场粉尘掺量0% (b) 采石场粉尘掺量7.5%

(c) 采石场粉尘掺量12.5% (d) 采石场粉尘掺量17.5%

(e) 采石场粉尘掺量22.5%

Figure 4. Schematic diagram of the relationship between unconfined compressive strength and wet density

图4. 无侧限抗压强度与湿密度关系示意图

3.2.2. 采石场粉尘对抗压强度的影响

由图5可知：采石场粉尘掺量超过12.5%时，抗压强度与掺量成反比，反之，成正比；采石场粉尘掺量由0%增长到12.5%时，抗压强度增大了1.09倍；采石场粉尘掺量由12.5%增长到22.5%时，抗压强度平均减少23.5%；当采石场粉尘掺量为12.5%时，7 d抗压强度已达到28 d抗压强度的78%。这是由于前期水泥水化未完成，且采石场粉尘的少量加入起到了骨架作用，因而掺量7.5%和12.5%的抗压强度略大于0%的抗压强度，但随着龄期增长，水泥充分水化，其主导地位越来越强，因而掺量0%的泡沫轻质土抗压强度增长明显。

采石场粉尘在泡沫轻质土内部充当骨架作用，适量的掺入可以泡沫轻质土的强度，并能保持孔泡结构的完整性，由于其本身是一种惰性材料，过量的掺加会导致单位体量的水化产物减少，影响抗压强度。该结论可由3.3微观分析部分予以验证。

(a) 湿密度500 kg/m³ (b) 湿密度600 kg/m³

(c) 湿密度700 kg/m³ (d) 湿密度800 kg/m³

Figure 5. Schematic diagram of the relationship between unconfined compressive strength and quarry dust

图5. 无侧限抗压强度与采石场粉尘关系示意图

3.3. 微观分析

本文用电子显微镜对水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的内部孔结构进行了测试，然后用Image Pro Plus 软件进行数据处理分析，图6为采石场粉尘掺量为17.5%的不同湿密度的泡沫轻质土微观形貌。可以看出，密度为500 kg/m³的孔泡结构整体较大，且小孔泡结构分布不均匀；随着湿密度的提高，孔泡结构越来越均匀。这是因为随着湿密度的不断增大，单位体积的水化产物含量增多，大体积的孔泡结构被挤压变形直至分裂为体积更小的孔泡结构。表5为不同设计湿密度和采石场粉尘掺量的泡沫轻质土的孔参数对比，可以看出，在湿密度相同时，采石场粉尘掺量越大，平均孔径越小，但是对孔隙率影响不明显；在采石场粉尘掺量相同时，平均孔径和孔隙率均跟密度呈负相关。这与前文所得结论一致，即抗压强度随着湿密度增大而增大，随着采石场粉尘产量增加而增大。

(a) 500 kg/m³ (b) 600 kg/m³

(c) 700 kg/m³ (d) 800 kg/m³

Figure 6. Microscopic images

图6. 微观图像

Table 5. Pore structure analysis results of foam lightweight soil

表5. 泡沫轻质土孔结构分析结果

密度(kg/m^3)	掺量(%)	平均孔径(mm)	孔隙率(%)
500	7.5	1.15	72.1
500	12.5	1.04	71.4
500	17.5	0.87	73.5
600	17.5	0.61	68.1
700	17.5	0.56	62.7
800	17.5	0.47	57.2

3.4. 无侧限抗压强度预测公式

为了建立公式，首先定义水泥基采石场粉尘泡沫轻质土无侧限抗压强度无量纲系数Q，以及浆体湿密度无量纲系数H，如式(1)及(2)所示。

$Q=\frac{q_u}{q_s}$ (1)

式中，$q_u$ 为无侧限抗压强度实测值，$q_s$ 为标准大气压0.1013 MPa，Q为抗压强度标准大气压系数。

$H=\frac{{\rho }_{FC}}{{\rho }_w}$ (2)

式中，${\rho }_{FC}$ 水泥基采石场粉尘泡沫轻质土设计湿密度，${\rho }_w$ 为水的密度，H为设计湿密度系数。

根据图4和图5试验结果，采用多元非线性回归分析，分析湿密度、采石场粉尘掺量及龄期的影响，建立了水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的无侧限抗压强度预测公式，如式(3)所示。

$Q=\frac{4662+D\left(19-23D+2K\right)+K\left(426-15K-0.322H\right)}{1000}+H\left(53.825H-33.09\right)$ (3)

其中，D为龄期(d)，K为采石场粉尘掺量(%)。

Figure 7. Relationship between predicted compressive strength and actual compressive strength

图7. 抗压强度预测值与实际值关系

采用回归分析法对水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的无侧限抗压强度实测值与预测值进行拟合，结果如图7所示：散点图为无侧限抗压强度实测值，直线为预测模型，R² > 0.9，可以看出水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的抗压强度预测值与实测值较吻合，表明此抗压强度预测模型可靠性较高，因此可通过此模型推算相同参数泡沫轻质土的无侧限抗压强度。

4. 结论

1) 本文根据前人研究，提出了一种基于采石场粉尘的水泥基泡沫轻质土新材料，其强度指标可以满足工程需求。

2) 水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的流值随着采石场粉尘掺量的增加呈现先减小后增加的趋势，最小值发生在7.5%掺量的配合比，最大值发生在22.5%掺量配合比；流值与设计湿密度成正比，最小值发生在500 kg/m³湿密度，最大值发生在800 kg/m³。

3) 水泥基采石场粉尘泡沫轻质土的抗压强度随湿密度和龄期增大而增大，前14 d抗压强度增长较快，14 d后抗压强缓慢增长；抗压强度与采石场粉尘掺量呈现出先增大后减小的趋势，并且抗压强度峰值主要出现在12.5%掺量的泡沫轻质土。

4) 通过对抗压强度数据进行拟合，得到水泥基采石场粉尘泡沫轻质土无侧限抗压强度与龄期、采石场粉尘掺量及设计湿密度的关系式。

NOTES

^*通讯作者。