1. 引言
泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水、集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料[1]-[3]。泡沫轻质土具有密度低、强度高、施工速度快等优点，作为筑路材料使用时可以降低荷载、减少沉降，将泡沫轻质土用于公路工程中可以有效解决公路路基工后差异沉降、过渡段不易压实等问题，在高速公路软土路基[4]、路桥过渡段[5]、路基拓宽处理[6]-[8]及台背回填[9] [10]等工程中已得到较多成功应用。现阶段，为实现工业固体废弃物资源化利用，学者将一般工业固体废弃物作为泡沫轻质土的添加料使用。荣亚鹏[11]采用循环流化床灰(CFB灰)对泡沫轻质土进行改良，发现CFB灰的掺入可以增加泡沫轻质土的疲劳寿命。在泡沫轻质土长期使用过程中，受服役环境变化的影响，一般存在吸水–干燥、冻结–融解反复出现的情况，使材料的物理力学性能逐渐衰减，最终不再满足使用要求。彭雁兵等[12]研究了水胶比对泡沫轻质土耐久性能的影响。叶仙松[13]等对煤渣基泡沫轻质土的浸水耐久性能进行研究，发现密度等级对质量吸水率和软化系数的影响程度更高。
钢铁冶炼造成巨大烟尘污染，中国的除尘灰年产量约2000万吨。为解决除尘灰综合利用难题以及评价除尘灰基泡沫轻质土在长期使用下的耐久性能变化情况，提出满足回填结构物使用要求的配合比方案，通过开展干湿循环试验与冻融循环试验探究除尘灰基泡沫轻质土的耐久性能。
2. 原材料与试验方法
2.1. 原材料
本试验所使用的水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分如表1所示。
除尘灰来自山东省德州市永锋集团，为褐色粉末状颗粒。其粒径范围为0.51~208 μm，有效粒径3.51 μm，平均粒径22 μm，不均匀系数8.55，曲率系数1.1，属于级配良好材料，其粒径分布曲线见图1。除尘灰的液限22%，塑限13%，塑性指数9，属于低液限黏土。其化学成分见表2。
Table 1. Chemical composition of cement
表1. 水泥化学成分
成分 |
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
含量/% |
22 |
4.2 |
5.2 |
63 |
1.5 |
2.2 |
Table 2. Chemical composition of sintered dust
表2. 除尘灰化学成分
成分 |
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
含量/% |
15.2 |
38.2 |
8.3 |
30.2 |
4.8 |
3.2 |
Figure 1. Sintered dust particle size distribution curve
图1. 除尘灰粒径分布曲线
发泡剂采用山东烟台某公司生产的动物蛋白发泡剂，主要技术指标见表3。
Table 3. Main technical indexes of foaming agen
表3. 发泡剂主要技术指标
发泡倍数 |
稀释倍数 |
pH值 |
泡沫密度(g/cm3) |
发泡剂密度(g/cm3) |
18 |
40 |
6.5 |
0.055 |
1.01 |
2.2. 泡沫轻质土配合比设计
设计泡沫轻质土的目标湿密度为600 kg/m3、800 kg/m3、1000 kg/m3和1200 kg/m3，流动度为180 ± 20 mm，水灰比为0.42，除尘灰掺量为50%，配合比见表4。为比较两种轻质土在吸水率和抗压强度上的变化差异，制备相同密度的水泥基泡沫轻质土试件，配合比见表5。
2.3. 试样制备
本试验采用水泥发泡一体机FP-X100作为泡沫轻质土制备仪器，按照配合比，称量除尘灰、矿渣微粉、水泥与水，将其倒入发泡机中搅拌混合。泡沫通过泵送加入混合浆液中，并调节浆液至目标密度与目标流值，打开发泡机出料口，将所得混合浆液浇筑成型。在20℃下恒温养护24 h，后脱模，将试件密封放入20℃恒温箱中养护至规定龄期。
Table 4. Mix proportion of sintered dust foamed lightweight soil
表4. 除尘灰基泡沫轻质土配合比
密度(kg/m3) |
除尘灰(kg/m3) |
水泥(kg/m3) |
矿渣微粉(kg/m3) |
水(kg/m3) |
泡沫(L/m3)) |
600 |
213 |
107 |
107 |
175 |
668 |
800 |
284 |
142 |
142 |
232 |
558 |
1000 |
335 |
178 |
178 |
291 |
447 |
1200 |
426 |
213 |
213 |
349 |
336 |
Table 5. Mix proportion of cement-based foamed lightweight soil
表5. 水泥基泡沫轻质土配合比
密度(kg/m3) |
水泥(kg/m3) |
水(kg/m3) |
泡沫(L/m3) |
600 |
387 |
213 |
668 |
800 |
516 |
284 |
558 |
1000 |
645 |
355 |
447 |
1200 |
774 |
426 |
336 |
2.4. 试验方法
2.4.1. 流动度测试
为保证新拌泡沫轻质土在结构物回填时具有良好的自密实与自流平性能，并满足泵送需要，新拌泡沫轻质土流动度应当满足180 ± 20 mm的要求。流动度测试方法参考《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(CJJT177-2012)。试验需要直径400 mm光滑玻璃板1块，硬质材料空心圆筒1个(内径80 mm，净高80 mm，内壁光滑)、平口刀一把、直尺一把。在试验时首先将玻璃板与空心圆筒润湿，将空心圆筒垂直放置于光滑玻璃板中间，再将新拌泡沫轻质土倒入圆筒中，并用平口刀轻敲空心圆筒外侧，使试样充满整个空心圆筒。随后用平口刀慢慢地沿空心圆筒的端口平面刮平试样。将空心圆筒垂直向上慢慢提起，保证试样自然坍落。随后在静置1 min时，用钢直尺测得坍落体最大水平直径，即为试样的流动度。试验进行三次，取三次算数平均值作为试样流动度。
2.4.2. 湿密度测试
湿密度是指新拌泡沫轻质土的单位体积质量。首先去皮容器质量，盛满水后测量质量为m0，将水倒出后，盛满泡沫轻质土，并刮平表面，测量质量为m1。湿密度按以下公式计算：
(1-1)
式中，ρw为水的密度。
2.4.3. 无侧限抗压强度试验
将养护至指定龄期的100 mm × 100 mm × 100 mm试件放入量程为100 kN、精度为0.5%的万能试验机中，加载速率为2 mm/min，持续加载至试件破坏，如图2所示。记录峰值强度，取3组试件的平均值作为无侧限抗压强度值。
(a) 万能试验机 (b) 无侧限抗压强度试验示意
Figure 2. Unconfined compressive strength test
图2. 无侧限抗压强度试验
2.4.4. 干湿循环试验
干湿循环试验参照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T 11969-2008)进行。过程如下：将养护至28d龄期的试件分成对照组和试验组。测试对照组试件的无侧限抗压强度，将试验组试件在60℃ ± 5℃烘箱中烘至恒重取出，再浸入水温为20℃ ± 5℃的水中24 h，以此为一次干湿循环。分别测试第3、6、9、12、15次干湿循环结束后试件质量损失及无侧限抗压强度。
2.4.5. 冻融循环试验
冻融循环试验同样参照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T 11969-2008)。试件放入−20 ± 2℃冰柜中6 h，随后浸入20℃ ± 5℃恒温水槽中5 h，作为一次冻融循环。分别测试3、6、9、12和15次循环后试件的质量损失及无侧限抗压强度。
3. 试验结果分析
3.1. 干湿循环试验
为研究不同密度的除尘灰基泡沫轻质土的干湿循环性能，对600~1200 kg/m3下除尘灰掺量为50%的泡沫轻质土开展干湿循环试验。
3.1.1. 干湿循环试样表观分析
经历15次干湿循环后，试件表面细颗粒部分流失，孔隙结构发生破坏，产生连通孔隙，棱角处发生剥落，如图3~6所示；轻质土密度越高，试件流失量越少、试件表观状态越完好。时间在干湿循环过程中因材料脱水产生一定程度收缩，胶凝材料紧致松脆，因此在干湿循环的过程中易发生表面细颗粒的流失，试件表观状态的破坏。
3.1.2. 干湿循环质量变化
由图7~8可知，干湿循环过程中的质量变化率与材料密度呈负相关，密度越大，质量变化率越小。随泡沫轻质土密度从600 kg/m3增加至1200 kg/m3，试件分别在第7、6、3、2次循环后趋于稳定，干质量变化率最终分别稳定在25.4%、16.4%、4.8%与1.5%。对于湿质量变化率，不同密度的轻质土试件分别在第8、7、4、2次循环后趋于稳定，湿质量变化率最终分别稳定于5.5%、4%、2%与0.7%。
(a) 干湿循环开始前 (b) 干湿循环结束后
Figure 3. 600 kg/m3
图3. 600 kg/m3
(a) 干湿循环开始前 (b) 干湿循环结束后
Figure 4. 800 kg/m3
图4. 800 kg/m3
(a) 干湿循环开始前 (b) 干湿循环结束后
Figure 5. 1000 kg/m3
图5. 1000 kg/m3
(a) 干湿循环开始前 (b) 干湿循环结束后
Figure 6. 1200 kg/m3
图6. 1200 kg/m3
Figure 7. Changes in dry mass of sintered dust foamed lightweight soil
图7. 除尘灰基泡沫轻质土干质量变化
Figure 8. Changes in wet mass of sintered dust foamed lightweight soil
图8. 除尘基泡沫轻质土湿质量变化
这是由于干湿循环中材料的吸水和蒸发过程的动态平衡。在前几次循环中，由于材料脱水较快，导致其具有较强的吸水能力，但随着内部水分逐渐增加，吸水能力开始下降，最终使得材料质量趋于稳定。
3.1.3. 干湿循环强度变化
由图9可知，两种轻质土的抗压强度均随循环次数的增加而降低，水泥基泡沫轻质土的强度衰减更缓慢。除600 kg/m3之外，其余密度的除尘灰基、水泥基泡沫轻质土分别在第8和6次干湿循环后抗压强度趋于稳定；经历15次干湿循环后，密度为600 kg/m3的除尘灰基泡沫轻质土的抗压强度由1.07 MPa降低至0.74 MPa，衰减程度大于15%，无法满足工程中对于泡沫轻质土的强度大于0.8 MPa的要求；同密度的水泥基泡沫轻质土由1.87 MPa衰减至1.63 MPa。密度增大，轻质土的抗干湿循环性能显著增加，抗压强度最快在第3次干湿循环后达到稳定；经历15次干湿循环后，两种轻质土的抗压强度仅分别衰减5.7%和3.4%。
对比两种轻质土的干湿循环强度衰减情况，可知同密度下除尘灰基泡沫轻质土的抗干湿循环性能较差；同种泡沫轻质土，当密度增大时，抗干湿循环性能显著增大。
出现这种变化的原因有以下两个方面：1) 水泥基泡沫轻质土的水泥含量更大，水化反应形成的胶凝材料更多，形成的孔隙结构更加稳定；2) 轻质土的强度变化与含水率变化密切相关，最开始的几次干湿循环使得水分大量进入轻质土内部，破坏孔隙结构，造成力学性能衰减；干湿循环次数增加后，含水率变化趋于稳定，水分对内部结构的破坏已基本完成，不会导致力学性能出现大幅度的衰减。
由干湿循环的试验结果可知，低密度的除尘灰基泡沫轻质土耐久性能无法满足工程应用的要求；在工程应用中，应选择密度大于800 kg/m3的，掺量小于50%的除尘灰基泡沫轻质土。
(a) 除尘灰基泡沫轻质土 (b) 水泥基泡沫轻质土
Figure 9. Decrease in compressive strength of foamed lightweight soil
图9. 泡沫轻质土抗压强度衰减
3.2. 冻融循环试验
为研究不同密度的除尘灰基泡沫轻质土的冻融循环性能，对600~1200 kg/m3下除尘灰掺量为50%的泡沫轻质土开展冻融循环试验。
3.2.1. 冻融循环试样表观分析
由图10~13可知，试件在经历冻融循环后的颜色变浅，边角处及表面孔隙结构被破坏，这种变化在低密度的试件更为明显；当轻质土密度增大，表观状态变化越不显著，该规律与干湿循环相似。
(a) 冻融循环开始前 (b) 冻融循环结束后
Figure 10. 600 kg/m3
图10. 600 kg/m3
(a) 冻融循环开始前 (b) 冻融循环结束后
Figure 11. 800 kg/m3
图11. 800 kg/m3
(a) 冻融循环开始前 (b) 冻融循环结束后
Figure 12. 1000 kg/m3
图12. 1000 kg/m3
(a) 冻融循环开始前 (b) 冻融循环结束后
Figure 13. 1200 kg/m3
图13. 1200 kg/m3
3.2.2. 冻融循环质量变化
(a) 除尘灰基泡沫轻质土 (b) 水泥基泡沫轻质土
Figure 14. Change rate of foamed lightweight soil quality
图14. 泡沫轻质土质量变化率
由图14可知，两种轻质土的冻融循环质量变化率总体呈先增加后减小的趋势，均满足质量损失率不大于5%的要求。对比两种轻质土的质量变化率可知，水泥基泡沫轻质土的质量变化更稳定，抗冻融循环性能更好；当轻质土密度较低时，质量变化率波动较大，密度增大，抗冻融循环性能随之增强。这是由于冻融循环初期水分缓慢进入试件内部，导致试件含水率增大；随着冻融循环进行，内部水分较大的冻胀作用使试件表面部分剥落，同时内部细小孔隙被连通，产生细小裂缝，这是导致循环后期试件质量减小的主要原因。对于纯水泥基泡沫轻质土，因水泥基胶凝材料所形成孔隙结构更加密实坚固，试件无严重剥落情况，冻融循环结束后的最终质量变化率小于1.5%。
3.2.3. 冻融循环强度变化
由图15可知，轻质土的抗压强度在经历冻融循环后逐渐减小，在循环前期衰减较多。各密度下的除尘灰基泡沫轻质土冻融循环后的抗压强度分别衰减至68.2%、82.7%、89.9%和93.4%。其中密度为800 kg/m3、1000 kg/m3和1200 kg/m3的试件经冻融循环后抗压强度均大于0.8 MPa，且满足强度衰减小于20%的要求。对应的水泥基泡沫轻质土的抗压强度分别衰减至87.4%、90.3%、91.8%和94.1%，相较于除尘灰基泡沫轻质土，分别提高了19.2%、7.6%、1.9%和0.7%。密度越低，两种轻质土的抗冻融循环性能差异越大。
当泡沫轻质土密度较低时，试件吸收大量水分，水分的浸入及冻胀作用破坏原本的孔隙结构，产生大量连通孔隙，并使试件出现剥落现象，进一步加剧了力学性能衰减，因此轻质土的抗压强度不断降低。当轻质土密度增大后，内部孔隙结构更加致密，耐水性增强，进入轻质土内部的水分减少，水分浸入及冻胀作用对材料的影响大幅减小，抗冻融循环性能增强。由冻融循环试验的结果可知，在有抗冻性要求的路段，建议增大泡沫轻质土的密度并减少除尘灰的掺量，以结构满足水稳定性及抗冻融循环性能的要求。
(a) 除尘灰基泡沫轻质土 (b) 水泥基泡沫轻质土
Figure 15. Decrease in compressive strength of foamed lightweight soil
图15. 泡沫轻质土抗压强度衰减
4. 结论
本文对除尘灰基泡沫轻质土开展了干湿循环试验与冻融循环试验，通过质量变化率与强度变化率评价了泡沫轻质土抗干湿性能与抗冻融性能，并与相同密度下的纯水泥泡沫轻质土进行了比较，得到如下主要结论。
1) 除尘灰基泡沫轻质土经干湿循环和冻融循环后试件表面均出现细颗粒流失现象，孔隙结构发生破坏；轻质土密度越大，循环后的表观状态越完整。
2) 水泥基泡沫轻质土的耐水性能优于除尘灰基泡沫轻质土，循环后的质量含水率变化更稳定；同种轻质土情况下，密度越大耐水性能越好。
3) 不同密度的除尘灰基泡沫轻质土干湿循环后强度分别衰减至69.3%~94.3%，冻融循环后衰减至68.2%~93.4%；水泥基泡沫轻质土则分别介于87.3%~96.6%和87.4%~94.1%；轻质土密度越大，强度衰减程度越小，耐久性能越好。
4) 除尘灰基泡沫轻质土耐久性能良好，除密度 ≤ 600 kg/m3之外，均能满足干湿循环强度损失 < 15%、强度损失 < 20%的指标要求。因此，为满足工程使用要求，建议使用密度 > 600 kg/m3或除尘灰掺量 < 50%的除尘灰基泡沫轻质土。
NOTES
*通讯作者。