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欧宝体育 掺尾矿砂泡沫轻质土的制备及性能研究

发布时间:2020/6/5 17:08:27

泡沫轻质土是一种利废、节能、环保、低廉的新型建筑节能材料。泡沫轻质土的原理是:把泡沫掺入到拌制好的水泥浆中,并搅拌均匀,当固化材料将土颗粒胶结在一起后,固化体中就留下大量细小的孔隙,从而降低了泡沫土的密度。由于泡沫轻质土是一种多孔介质,非密实体,在制备时不能采取击实振捣作业,所以如果材料或其配合比选配不当,泡沫轻质土就会发生明显的收缩,对施工质量产生影响。

随着地基处理技术的提高和发展,泡沫轻质土因其具有良好流动性、整体性、环保性、轻质、抗震性好、施工方便、经济性独特的优点,作为一种较为先进的填土技术,可减少对挡土墙的侧压力和对原地基的附加应力,减少总沉降量及不均匀沉降,提高地基稳定性及新路基对老路堤的影响,减少边坡占地,逐渐受到土木工程界的重视,陈忠平等总结泡沫轻质土的基本特性和施工工艺后,认为轻质土是软土处理中最有效的方法。本研究通过控制各组成材料的比例,可在一定范围内自由调节泡沫轻质土的重度和强度,以满足工程需要。

1原材料与试验方法

1.1原材料

1)水泥采用P·II52.5级硅酸盐水泥,比表面积376m2/kg。

2)尾料工程附近的废弃物资源———石灰石粉,密度2.54kg/m3,比表面积131m2/kg;需水量比98.4%。绝大部分粒径在10~200μm。7,28d活性指数分别为50.9%,58.6%,基本无活性。

3)外加剂市售发泡剂,自制稳泡剂,聚羧酸系高性能减水剂。

1.2试验方法

抗压强度参照《建筑砂浆基本性能的实验方法》JGJ70—2009,采用0.5级精度电子万能试验机进行测试;导热系数测试参照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》GB/T10294—2008,试样尺寸为300mm×300mm×30mm,通过2个试块冷热温度传递以及样板厚度测定。

2结果与讨论

设计指标要求:干表观密度:500~1200kg/m3;28d抗压强度≥0.8MPa,流动性良好,水稳定性良好、且经济性高的泡沫轻质土。

2.1尾料掺量对轻质泡沫土的性能影响

由于尾料为工程附近大量废弃材料,尽可能考虑多用。因此试验采用水粉比分别为0.5,0.35,同时取0,50%和75%尾料取代水泥,泡沫剂中掺加适当的稳泡剂以确保泡沫的稳定性,添加适当的减水剂以确保泡沫轻质土的流动性,净浆流动度≥170mm以上,经多次调整,最终确定稳泡剂、减水剂掺量分别为0.2%和0.3%,所设计的配合比及性能如表1所示。可以看出,水粉比相同,泡沫轻质土的抗压强度随着尾料的增加而显著降低。尾料掺量相同时,抗压强度随着水粉比的降低而增加。由于尾料的掺入,使得水泥用量减少,从而降低强度。基于经济性与强度的要求,尾料掺量宜取50%,如图1所示。

2.2水胶比对轻质泡沫土的性能影响

在上述试验的基础上,分别选择0.6,0.5,0.4,0.28四组水粉比进行试验确定最佳水粉比。由表2可知,每方泡沫土中粉体材料总量相同时,轻质土的抗压强度随着密度的减小而减小,随着水粉比的降低,强度并不会一直增大,而是存在一个较优值,本研究中水粉比为0.5时最优。究其原因,随着水粉比的降低,水和粉体材料总量降低,空隙率增加,同时过多的泡沫聚集合并,使小孔变大孔。范立龙研究表明,导致泡沫破裂比较多,孔隙率减少,强度增大。而水胶比过小,基体流动性不够,水化过程中吸收泡沫中水分,搅拌中导致泡沫破裂,实际引入的泡沫变少。泡沫混凝土的制备与普通混凝土不同,它存在一个泡沫引入的过程。为了较好地在这个过程中将泡沫均匀引入到水泥浆料中并完好均匀地分布于泡沫混凝土体系,要求水泥浆料具有良好的流动性和适当的黏度。较高的成型水粉比恰好是保证水泥砂浆具有良好的流动性的必要条件。

2.3孔隙率对轻质泡沫土的强度与导热系数的影响

2.3.1孔隙率对轻质泡沫土强度的影响

泡沫轻质土是多孔结构,材料的强度主要取决于孔隙之间胶结物的强度以及孔隙连接强度。孔隙率越高,密度越小,但强度也越低。在低密度的情况下,很难保证有高强度。因此孔隙率和密度应该与强度相适应,两个方面因素应统一考虑。基于上面的结论,并且考虑到经济性原则,降低水泥用量,提高孔隙率,观察强度是否能满足设计要求。

由表3看出,抗压强度、干表观密度与孔隙率呈正比关系。对于水泥基复合材料强度主要取决于水胶比,然而在泡沫混凝土中,由于其多孔结构,强度不仅仅与水胶比有关,还受气泡引入量及所产生的孔结构分布有关。一方面,减少水料比能减少孔隙,提高强度;另一方面,气泡引入量的增加,增加了混凝土中的孔隙,降低强度。

2.3.2孔隙率对导热系数的影响

导热系数是指单位厚度的材料,两侧温度相差l℃时,在单位时间内通过单位面积的热量,它表征了材料的导热难易程度,是保温材料最基本的热工性能指标。由表3看出,导热系数随孔隙率的增大、密度的降低而减小。泡沫轻质土的导热系数是由基体与气孔含量共同决定的。

2.3.3导热系数、密度、抗压强度关系

将干密度与导热系数关系的作图,并建立相关关系,如图2所示。可以看出,密度与导热系数基本呈线性关系,随着密度的增加,导热系数也增大。根据试验结果进行线性回归分析,即可得到泡沫轻质土的干表观密度与导热系数的关联式:

其中,线性相关系数达0.972,所以在试验范围内,导热系数随干表观密度的变化基本在一条直线上。相近基体时,气孔含量决定了密度,因此密度在很大程度上决定了其热工性能。实际上,泡沫混凝土产生保温性能的直接的原因在于其内部引入了泡沫,细小并且均匀分布的泡沫阻断或减缓了热流的通过,从而导致泡沫混凝土导热系数的降低。

  将干密度与抗压强度关系作图,并建立相关关系,如图3所示。对比图3a与图3b,可以发现,水粉比不同时,干表观密度与强度关系的线性相关系数只有0.801,而相同水粉比(0.5)时,其相关系数达0.912,可见抗压强度不仅仅与干表观密度有关,还与水粉比有关。相同水粉比下,泡沫轻质土的干表观密度与抗压强度的关联式:P=0.317e0.002x

综合以上性能可以看出M0.5-3满足设计要求,即水泥∶尾料∶水=1∶1∶1,其中水泥用量为225g/m3。作为最佳配合比,既满足强度要求,又满足经济性要求。

综上所述,泡沫轻质土配合比设计得当时,具有较高的强度,完全可以替代上路床的施工;鉴于泡沫轻质土的重度和强度等的优越性能,将具有良好的应用前景。但必须要指出的是,由于轻质泡沫土在国内推广较晚,其体积稳定性和物理力学性能的变化规律等情况仍需要通过长时间的试验验证和检验。

3施工注意要点

1)应采用压缩空气与发泡剂水溶液混合发泡的方式生成泡沫,严禁搅拌发泡。由于泡沫土的密度低,浆体稠度大,泡沫难以均匀混入,易出现塌模现象,因此宜先将水、减水剂和水泥充分混合搅拌后再加入尾矿粉,充分搅拌,混合均匀,边搅拌边加入泡沫,为保证泡沫的稳定性,搅拌时间不宜过长,至浆面看不到漂浮的泡沫即可。

2)泡沫轻质土在储料装置中停留的时间不宜过长,以不超过2h为宜。

3)当浇筑结构厚度较大时,宜分层浇筑。

4结语

1)基于经济性与设计要求,水粉比宜为0.5,尾料掺量宜取占粉料的50%。

2)在相同密度下,水粉比与孔隙率是影响抗压强度的两个主要因素。但是在低密度、高孔隙率时,孔隙率影响更大。

3)导热系数和抗压强度均随孔隙率的增大、密度的降低而减小。导热系数、抗压强度与干表观密度呈指数相关。

4)本研究中适应于工程的最佳配合比为:水泥∶尾料∶水=1∶1∶1,其中水泥用量为225g/m3。


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