1. 引言
随着全球对环境保护的重视及可持续发展战略的推进，建筑与道路工程领域日益强调运用环保且具有卓越性能的材料。泡沫轻质土是一种新型的多孔轻质材料，其自重轻、流动性好、可调强度等优良特性使其在工程中具有明显优势[1]，近年来在道路工程、桥台台背填筑以及软弱地基处理等领域得到广泛应用[2]-[4]。其次，与常见的软基处理方法相比，气泡混合轻质土不仅施工工艺更加简便，而且整体造价更低，能够有效降低工程成本[5]。
我国学者一直致力于通过改变掺合料的技术手段来改善泡沫轻质土的性能。杭美艳[6]研究分析了粉煤灰和矿渣粉对泡沫混凝土性能的改进作用，发现适量添加粉煤灰和矿渣粉能提升抗压强度、优化吸水性，且粉煤灰有助于降低导热系数。刘勇[7]研究了不同掺合料(粉煤灰、矿粉、高岭土及其与砂的复合材料)对气泡混合轻质土性能的影响。研究发现，粉煤灰可有效提高抗压强度和抗冻性能，而矿粉能减少干缩变形，提高密实度。周志敏[8]研究了硅灰、粉煤灰和矿渣等矿物掺合料对高强泡沫混凝土性能的提升效果。通过优化掺合料配比、调整砂胶比与水胶比，以及控制养护条件和龄期，显著提高了泡沫混凝土的抗压强度。
以上掺合料均属于工业固废材料，地区局限性较大。与其相比，土体随处可见，若能对其加以利用，则更有利于泡沫轻质土的推广应用。因此，本研究以黄河冲积平原区广泛分布的粉土为基础材料，结合水泥、发泡剂等材料制备粉土基泡沫轻质土，探讨不同掺入比条件下泡沫轻质土的力学特性及关键影响因素，为该类新型轻质材料在道路工程等领域的应用提供科学依据。
2. 试验
2.1. 试验材料
2.1.1. 水泥
水泥为济南山水水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分和性能指标见表1和表2。
Table 1. Chemical composition of cement
表1. 水泥化学成分
组分 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
MgO |
SO3 |
其他 |
质量分数 |
64.43 |
22.13 |
4.65 |
3.25 |
2.59 |
0.31 |
2.64 |
Table 2. Cement performance indicators
表2. 水泥性能指标
项目 |
比表面积/(m2·m-3) |
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 |
标准要求 |
≥300 |
25~35 |
>45 |
<600 |
≥16 |
≥42.5 |
≥3.5 |
≥6.5 |
检验结果 |
358 |
28.5 |
230 |
294 |
26.0 |
45.8 |
4.72 |
8.3 |
2.1.2. 掺合料
原料土取自山东菏泽某施工工地附近土场，根据《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)进行试验，用环刀法测得原料土密度为1740 kg/m3。由于土样颗粒分布不均，因此，在每次试验前都进行原料土的筛分处理；对于每一级细筛用摇筛机振摇结束后分别称量其上残留土样的重量，单独记录，并计算其占总质量的百分比。对于粒径小于0.075 mm的细粒土样，采用密度计法，统计其每一级土样重量，得到原料土粒径分布曲线如图1所示。
Figure 1. Particle size distribution curve of raw material soil
图1. 原料土粒径分布曲线
由图1可知，原料土粒径大于0.075 mm的含量为100% − 41.56% = 58.44%，根据《公路土工试验规程》JTG E40-2007中土的粒组划分规定，粒径大于0.075 mm、颗粒质量超过总质量的50%的土，定义为粉砂土，因此，所用原料土为粉砂土。
2.1.3. 发泡剂
发泡剂采用山东烟台驰龙公司的复合型水泥发泡剂，性能指标见表3。
Table 3. Performance indicators of foaming agent
表3. 发泡剂性能指标
检测项目 |
品种 |
pH值 |
发泡倍数 |
稀释比例 |
密度(kg/m3) |
标准泡沫泌水率(%) |
标准值 |
/ |
控制范围内 |
15~30 |
/ |
/ |
≤80 |
试验值 |
复合型 |
7.51 |
28 |
1:50 |
1040 |
15.93 |
2.1.4. 水
试验用水为不含干扰水泥凝结和硬化物质的实验室自来水。
2.2. 配合比设计
为探究粉土掺量对泡沫轻质土性能的影响规律，设计了粉土掺量为0%~50%的试验组，具体参数见表4。
Table 4. Mix proportion of foam light soil
表4. 泡沫轻质土配合比
编号 |
湿密度(kg/m3) |
粉土掺量(%) |
水固比 |
水泥(kg/m3) |
粉土(kg/m3) |
水(kg/m3) |
泡沫(kg/m3) |
F-0 |
700 |
0 |
0.55 |
432 |
0 |
237 |
31 |
F-1 |
700 |
12.5 |
0.52 |
385 |
55 |
229 |
31 |
F-2 |
700 |
25 |
0.50 |
335 |
112 |
223 |
30 |
F-3 |
700 |
37.5 |
0.47 |
285 |
171 |
214 |
30 |
F-4 |
700 |
50 |
0.45 |
231 |
231 |
208 |
29 |
2.3. 试件制备
为了确保试件制备的精确性和有效性，试验选择手持式搅拌机，便于随时检查泡沫混合情况，防止过度搅拌导致泡沫破碎。
1) 稀释发泡剂：首先，将复合型发泡剂按1:50比例稀释，接入发泡机并测试泡沫密度，确保在误差范围内。
2) 集料搅拌：准备模具，确保内部干净，并在底部放入0.5 mm铁片和涂抹机油。按表4的配合比称取原料，在搅拌桶中加入水、边搅拌边加入水泥和粉砂土，整个过程需在1.5分钟内完成。
3) 测试湿密度、流值：启动发泡机，将泡沫泵入搅拌桶，慢档搅拌30秒后，测试浆体湿密度和流值，确保湿密度和流值在设计范围内。
4) 试件养护：浆体合格后，将其缓慢倒入模具并振捣均匀，对试件覆膜后放入养护箱。养护2~3天后脱模，放入养护室养护至试验龄期。具体步骤流程见图2。
2.4. 试验方案
泡沫轻质土湿密度和流值的测试按照TJG F10 01-2011《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》进行，抗压强度、抗折强度等力学性能按照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T11969)试验确定。抗压、抗折试件养护龄期均为3 d、7 d、14 d、28 d，试件尺寸分别为100 mm × 100 mm × 100 mm、400 mm × 100 mm × 100 mm。
Figure 2. Preparation process of foam light soil
图2. 泡沫轻质土制备流程
3. 结果与分析
3.1. 不同粉土掺量对泡沫轻质土流动度的影响
对搅拌均匀的泡沫轻质土浆体按照CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》的方法测定其流值，不同粉土掺量的泡沫轻质土流动度测试结果见图3。
Figure 3. The relationship between the content of silt and flowability
图3. 粉土掺量与流动度的关系
图3展示了粉土基泡沫轻质土的流动度与粉土掺量之间的关系。从图中可以看出，随着粉土掺量的增加，导致泡沫轻质土的流动性降低；且随着粉土掺量的增加，流动度增幅逐渐下降，表现出负增长的趋势。这主要是因为：① 粉土由于其较大的比表面积，会吸附更多的水分。当粉土掺量增加时，混合料中的自由水量减少，导致混合物的流动性降低。水泥基浆体失去足够的自由水后，会更容易凝聚成团，使得流动性减弱[9]。② 泡沫轻质土的流动性在很大程度上依赖于泡沫的稳定性。随着粉土掺量的增加，细颗粒的存在可能会破坏泡沫的稳定结构，使泡沫破裂或塌陷，导致流动性减弱。如图4(c)所示，在高掺量粉土条件下，轻质土浆液表面比图4(a)略显粗糙。
(a) (b) (c)
Figure 4. Test of flow value of silty foam light soil
图4. 粉土基泡沫轻质土流值测试
3.2. 抗压强度
为了便于比较抗压强度与粉土掺量、养护龄期的关系，此处选取0、25%、50%的掺入比。图5显示了粉土基泡沫轻质土在不同粉土掺量和不同龄期(3天、7天、14天、28天)下的抗压强度变化趋势，以及早期强度(3天)和后期强度(28天)增幅的变化情况。
Figure 5. Schematic diagram of compressive strength, silt content, and curing age
图5. 抗压强度与粉土掺量、养护龄期示意图
由图5可知，抗压强度随着养护龄期的增加(如3天、7天、14天到28天)而逐渐增大，特别是在14天到28天期间，强度提升显著。这符合水泥材料水化反应规律，水泥中的硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)等成分逐渐与水反应，生成钙矾石和钙矾胶体(C-S-H)，从而增强结构的密实度和抗压强度[2] [10] [11]。0%和25%粉土掺量的抗压强度较高，而50%粉土掺量的抗压强度显著下降。主要原因在于土颗粒虽具有骨架作用，但泥浆黏稠度增大后，会包裹水泥颗粒，阻碍水化反应的进行[12]。
早期强度增幅随着粉土掺量的增加显著下降，50%粉土掺量下甚至出现增幅为负，这意味着高掺量粉土掺入后轻质土早期强度的发展明显受阻。这是由于随着粉土掺量的增加，粉土的高比表面积吸附了更多的水分，降低了有效水灰比，直接影响了水泥的早期水化反应，导致早期强度发展受阻。另外，粉土颗粒占据了水泥颗粒的反应表面，减少了水泥与水的直接接触面积，抑制了水泥的早期水化反应，导致3天内抗压强度的增幅显著下降[9]。
28 d强度增幅同样呈现下降趋势，但相较早期强度增幅变化幅度较小。在高粉土掺量下，水泥含量减少，水化反应生成的C-S-H凝胶等产物减少，而浆体中的孔隙率增加，导致材料的密实度和强度提升都受到限制[9]。
根据《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)中的规定，当泡沫轻质土应用于路床区时，抗压强度应大于0.8 MPa [13]。通过图4可以看出，湿密度700 kg/m3，粉砂土掺量0%、25%、50%的轻质土均满足要求。
3.3. 抗折强度
由图6可知，在同一龄期下，随着粉土掺量的增加，泡沫轻质土的抗折强度呈现出逐渐下降的趋势，尤其是50%粉土掺量下，抗折强度显著降低。这表明高粉土掺量对材料的整体结构和强度有不利影响。在高粉土掺量下，材料内部颗粒间的结合力减弱，孔隙率增加，导致材料在受抗折时容易出现脆性破坏。由于粉土不具备胶凝性，它仅充当填料作用，且在高掺量时会削弱材料的整体粘结力，从而使得抗折强度下降，破坏模式趋向脆性。
Figure 6. Flexural strength of foam light soil with different silt content
图6. 不同粉土掺量下泡沫轻质土抗折强度
当掺量一定时，随着养护龄期的增加，各粉土掺量泡沫轻质土试件的抗折强度整体呈上升趋势。这意味着随着水泥水化反应的进行，生成的水化产物(如C-S-H凝胶)逐步填充孔隙，提高了材料的密实度
Figure 7. Flexural strength of foam light soil under different curing ages
图7. 不同养护龄期下泡沫轻质土抗折强度
和粘结性，从而使得材料的抗折能力增强。从图7中数据可以看出，粉土掺量的增加对抗折强度产生负面影响。当粉土含量较高时(如50%)，抗折强度显著降低。这是因为高粉土含量会削弱泡沫轻质土的结构稳定性，导致内部粘结力降低，从而降低整体的抗折强度[14]。相反，低粉土掺量(0%和25%)对轻质土抗折强度的影响较小，特别是无粉土的情况下，材料的强度表现最佳。
根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中的规定，用作路堤填料的轻质材料抗弯强度不宜小于 150 kPa，试验测得的50%粉土掺量轻质土28 d最小抗折强度为0.23 MPa，因而抗折强度均满足要求。
3.4. 微观机理分析
为对粉土基泡沫轻质土微观结构形貌进行观察，采用SEM对0%、25%、50%掺量的泡沫轻质土微观结构进行分析，结果如图8所示。
粉土基泡沫轻质土中的气泡结构对材料的强度和轻质特性起着关键作用。气泡的大小、分布和连通性会影响土体的整体性能[15]。从图8可以看出，粉土基泡沫轻质土内部分布有大量以圆形为主的封闭孔隙；圆孔结构的分布与孔周围的胶结物强度共同决定了粉土基泡沫轻质土的强度。粉土掺量对内部孔隙结构有着直接的影响，当无粉土掺入时，气孔结构较为规整圆润，且圆孔孔径分布均匀性较好，平均孔径较小，孔隙与周围胶结物共同形成了较为密实的结构，对应的粉土基泡沫轻质土强度也更高。当粉土掺量提高，内部不规则气泡逐渐增多，且圆孔孔径分布均匀性较差，如图9所示，随着粉土掺量的增加，其平均孔径也逐渐增大，孔隙率略微下降。这也就是随着粉土掺量的提高，其力学性能降低的主要原因之一，这与文献[12]中得到的泡沫轻质土力学性能分别随着砂土掺量增大而呈现降低的结论一致。
(a) F-0 (b) F-2 (c) F-4
Figure 8. SEM photos of silt-based foam light soil with different silt content (30 times)
图8. 不同粉土掺量粉土基泡沫轻质土SEM照片(30倍)
Figure 9. Average pore diameter and pore diameter ratio of foam light soil with different silt content
图9. 不同粉土掺量的泡沫轻质土平均孔径、孔径率
3.5. 经济效益分析
表5显示了粉土基泡沫轻质土的材料成本，随着粉土掺量的增加，整体造价显著降低[16]。例如，当粉土掺量为0% (F-0)时，总造价为221.52元/m3；而当粉土掺量为50% (F-2)时，总造价降至125.24元/m3。尽管F-2的材料成本最低，但其在实际施工中的质量问题不容忽视。特别是F-2的抗折强度和抗压强度较低，可能在实际工程中无法保证其结构的稳定性和耐久性。
Table 5. Cost of silt-based foam light soil
表5. 粉土基泡沫轻质土造价
材料 |
单价/(元·t−1) |
F-0用量(kg·m−3) |
F−1用量(kg·m−3) |
F-2用量(kg·m−3) |
水泥 |
350 |
432 |
335 |
231 |
粉土 |
20 |
0 |
112 |
231 |
发泡剂 |
8000 |
237 |
0.67 |
0.64 |
总价/元 |
/ |
156.72 |
124.85 |
90.59 |
4. 结论
1) 粉土掺量对泡沫轻质土流动性有显著影响，掺量增加导致流动性降低，尤其在高掺量(50%)下流动性显著下降，影响施工适应性。
2) 粉土掺量对泡沫轻质土抗压强度和抗折强度均有重要影响，掺量为25%时性能最佳，抗压强度和抗折强度分别达到1.2 MPa和0.4 MPa，满足路基填料要求。
3) 粉土掺量对内部孔隙结构显著影响，较低掺量(如25%)形成规整的圆孔结构，有效提升强度；高掺量则破坏孔隙分布均匀性，降低力学性能。
4) 掺加粉土能够显著降低泡沫轻质土的材料成本，尤其是掺量为25%时，表现出较高的性价比和工程应用潜力。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。