寒冷地区气泡混合轻质土应用性能研究_王瑞燕.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202203033开放科学（资源服务）标识码（OSID）寒冷地区气泡混合轻质土应用性能研究王瑞燕1,2，胡 瑜1，张 营1，何 宽3，谢 飞4（1.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆400074；2.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程试验室，重庆400074；3.重庆城投基础设施建设有限公司，重庆400015；4.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都610041）摘要：为促进气泡混合轻质土在寒冷地区工程的应用，对气泡混合轻质土及其表面密封处理后的热工性能和抗冻性能进行试验研究。结果表明：气泡混合轻质土具有良好的热工性能，导热系数随密度的降低而降低，二者成线性相关；当容重等级高于 W9，不采用表面密封处理，气泡混合轻质土可经受 15 次冻融循环不发生冻融破坏，当采用表面密封处理，容重等级为 W7 即可满足；表面密封处理有利于保证气泡混合轻质土抗冻性，柔性材料具有适应温度变形的能力，密封效果优于刚性材料。关键词：寒冷地区路基；气泡混合轻质土；热工性能；抗冻性；密封处理；热阻；冻融循环中图分类号：TU528文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0142 06 0 引言我国是世界第三大冻土国，中西部和北方地区对工程建设影响较大的寒冷地区多年冻土占国土面积 22.4%，季节冻土约占国土面积 53.5%1-2，由于工程扰动及季节性温度变化导致这些地区道路易发生冻胀融沉翻浆等破坏2-4。提升寒冷地区公路建设质量，对提升国家高速公路网质量具有重要的工程意义。气泡混合轻质土是在水泥基浆体中引入大量微小封闭气孔形成的轻质材料，具有强度密度可调节性好，保温隔热性能良好等特点5-8。用于寒冷地区路基，可有效阻止热传递，阻止或降低道路发生冻胀融沉翻浆等工程病害风险，实现路基结构承载力与热工功能一体化9-11。作为填筑新材料，现行公路路基设计规范（JTG D302015）、季节性冻土地区公路设计与施工技术规范（JTG/T D31-062017）、气泡混合轻质土填筑工程技术规程（CJJ/T 1772012）均未对气泡混合轻质土的热工性能、抗冻性提出明确指标要求。基于工程应用需求，本文对 W6W10 容重等级气泡混合轻质土的导热系数、稳态热阻及密封处理方式对抗冻性的影响开展研究，以期为该材料在寒冷地区路基工程中的应用提供支持。1 寒冷地区气泡混合轻质土路基工程应用机制寒冷地区路基土的冻胀融沉翻浆等病害，究其原因，均与热传递引起的水的相态变化及水的迁移有关11。提高路基结构层的保温隔热性能，可有效阻止热传递及由此而产生的水的相态变化与迁移，从而降低路基低温病害风险。季节性冻土地区公路设计与施工技术规范（JTG/T D31-062017）要求：当路面防冻厚度验算不满足要求时，应增加路面厚度，或在路基顶面增设防冻层或保温层，保温层宜采用聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、硬质聚氨酯泡沫等材料。与聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫等有机保温材料相比，气泡混合轻质土属无机材料，具有更好的耐候性和使用寿命。与传统砾类土、砂类、粉质土等路基材料相比，气泡混合轻质土具有更佳的力学性能及结构整体性优势，内部存在的大量封闭微小气孔，同时赋予了该材料良好的热工性能，用于路床、路堤等结构层次，在满足路基承载力的前提下，实现承力结构与热工构造的一体化，有效降低路基结构层的降温速率和温度梯度，降低气泡混合轻质土填筑层下路基土体的温度波动，减少路基冻胀量及冻深，降低冻胀融沉及翻浆等低温病害风险12-13。2 气泡混合轻质土热工性能及抗冻性能试验 2.1 原材料 收稿日期：2022 06 08基金项目：重庆交通大学重庆维冠混凝土有限公司材料与化工研究生联合培养基地（JDLHPYJD2021010)作者简介：王瑞燕（1967），女，四川宜宾人。教授，主要从事泡沫混凝土材料研究工作。E-mail：。路基工程 142 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）PO42.5R 普通硅酸盐水泥技术指标，见表 1。HY-F80 复合型发泡剂技术指标，见表 2。乳化沥青蒸发残留物技术指标，见表 3。水玻璃出厂报告技术指标，见表4。聚羧酸高性能减水剂（PCA-R），减水率 25%。表1水泥技术指标技术指标凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d测试值19225231.451.26.08.0 表2HY-F80 发泡剂技术指标技术指标稀释倍率气泡群密度/（kgm3）沉降距/mm泌水量/ml测试值8049.81.320.2 表3乳化沥青蒸发残留物技术指标技术指标软化点/针入度/mm25 延度/cm固含量/%密度/（gcm3）测试值52.568.77862.50.974 表4水玻璃技术指标技术指标 模数 密度/（gcm3）Na2O/%SiO2/%含水率/%测试值3.21.388.6526.8564.50 2.2 试验项目及方案 2.2.1 试验项目对气泡混合轻质土热工性能及密封处理前后抗冻性进行试验：热工性能需进行导热系数测试以及稳态热阻计算；抗冻性试验需进行无侧限抗压强度测试、质量损失率以及抗压强度损失率计算，各试验项目每组试件均为 3 个。质量损失率 Mm与抗压强度损失率 Fm计算依据蒸压加气混凝土性能试验方法（GB/T 119692020）Mm=m1dM1dm1d（1）Fm=f2d f1df2d（2）M1dm1df1df2d式中：为冻融试验后冻融试件的干质量，g；为冻融试验前冻融试件的等效干质量，g。为冻融试验后冻融试件的抗压强度，MPa；为冻融试验前冻融试件的抗压强度，MPa。2.2.2 试验方案固定水胶比 0.65，通过改变泡沫体积掺量调节气泡混合轻质土强度和密度。设计容重等级为W6、W7、W8、W9、W10 的气泡混合轻质土，配合比，见表 5。表5气泡混合轻质土配合比容重等级气泡混合轻质土单方材料用量计算密度/（kgm3）水泥/kg水/kg泡沫/LW6350228656610W7410267597706W8470306538802W9530345479898W10590384420994 2.3 试件制备按厂家推荐稀释倍率，将发泡剂原液加水配制成发泡液，采用空气压缩发泡机发泡，制备密度为（502）kg/m3的标准密度气泡群。按配合比称取水泥和水，倒入搅拌锅中拌和均匀成料浆。按体积掺量将标准密度气泡群加入料浆中混合均匀，按气泡混合轻质土填筑工程技术规程（CJJ/T 1772012）测试拌和物流动度、湿密度，注入试模中成型并养护试件。水泥净浆密封试件的制备是试件脱模即进行净浆密封，再标准养护至 28 天；水泥净浆水胶比0.3，加入高性能减水剂调节净浆流动度至流浆状态，均匀涂刷试件表面，涂刷厚度小于 0.5 mm。乳化沥青、水玻璃密封试件的制备是试件标准养护至 25 天，取出后涂刷密封，涂层厚度小于 0.5 mm，待固化后再标准养护至 28 天。塑料薄膜密封试件是标准养护至 28 天，用塑料薄膜包裹密封。2.4 试验设备及试验方法 2.4.1 试验设备无侧限抗压强度测试采用 ETM204C 全数字化微机控制电子万能试验机；导热系数测试采用IMDRY600-II 智能平板型导热系数仪；气冻循环试验测试采用 WSS-800 全数字化微机控制恒温恒湿试验箱；冻融循环试验采用 CLD-1 全自动低温冻融试验机。2.4.2 试验方法物理及力学性能：湿密度、表干密度及无侧限抗压强度测试及数据处理依据气泡混合轻质土填筑工程技术规程（CJJT 1772012），标养 28 天后进行测试，试件尺寸 100 mm100 mm100 mm，抗压强度加载速度为 2 kN/s。（1）干密度：参考泡沫混凝土（JG/T 2662011），尺寸 100 mm100 mm100 mm。标养至28 天，将试件置于（605）的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温后进行试验。（2）导热系数：参考绝热材料稳态热电阻王瑞燕，等：寒冷地区气泡混合轻质土应用性能研究 143 及有关特性的测定防护热板法（GB/T 102942008），冷板、热板温度分别设置为 15、35。试件尺寸 300 mm300 mm30 mm，标养至 28 天，在（605）的烘箱中烘干至恒重，烘干后试样在烘箱中冷却至室温后进行测定。（3）气冻循环：参照蒸压加气混凝土性能试验方法（GB/T 119692020），试块尺寸100 mm100 mm100 mm。设置气冻箱内相对湿度大于90%，冻融条件为：（182）冻 4 小时，（205）融 4 小时，即为 1 次冻融循环，冻融次数15 次。气冻试验采用三种不同状态，D1 组为试件标养至 28 天，表干状态下用塑料薄膜密封后冻融循环 15 次；D2 组为试件标养至 28 天，表干状态下直接裸露冻融循环 15 次；D3 组为试件标养至25 天后浸没于 20 水中养护 328 天，在饱水状态下冻融循环 15 次。（4）水冻循环：参照蒸压加气混凝土性能试验方法（GB/T 119692020），试块尺寸100 mm100 mm100 mm。设置冻融条件为：（182）冻 4 小时，注入（205）水融 4 小时，即为1 次冻融循环，冻融次数 15 次，养护龄期及试件表面密封处理见 2.3 节。3 试验结果及分析 3.1 物理力学性能气泡混合轻质土的力学性能、热工性能、抗冻性能与泡沫体积掺量及密度密切相关14-15，其物理及力学性能，见表 6。在相应容重范围内，其无侧限抗压强度满足公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019）和气泡混合轻质土填筑工程技术规程（CJJ/T 1772012）材料性能要求。表6气泡混合轻质土物理及力学性能容重等级湿密度/（kgm3）表干密度/（kgm3）干密度/（kgm3）无侧限抗压强度/MPa3 d7 d28 dW66085825420.92 1.12 1.38W77026816631.33 1.74 2.17W88017807672.22 2.46 3.08W98988758652.76 3.21 4.02W109989739533.03 3.64 4.62 3.2 导热系数导热系数（）是反映材料热工性能的基本参数，采用材料在稳态条件、单位温差作用下，通过单位厚度、单位面积匀质材料的热流量表示。导热系数越小，材料的绝热能力越好。采用绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法（GB/T 102942008），测试各容重等级下不同干密度气泡混合轻质土材料的导热系数，见图 1。气泡混合轻质土导热系数随着干密度的增大而增大，二者呈线性相关，相关系数为 0.967。50060070080090010000.150.100.200.250.30=0.05669+3.4631040.2840.2370.2010.1670.140导热系数/（W（mK）1）干密度/（kgm3）导热系数曲线拟合图1导热系数与各容重等级下不同干密度相关性曲线 根据重庆市建筑材料热物理性能指标计算参数目录（2018 年版），夯实黏土的导热系数0.9501.160 W/（mK），石灰岩、砾石等导热系数约2.04 W/（mK）16。气泡混合轻质土W6W10 各容重等级导热系数分别为 0.1400.284 W/（mK），与常规路基填筑材料相比，气泡混合轻质土具有优良的热工性能。3.3 热阻试验绝热材料对热传递的阻抗作用，除与材料的导热系数有关外，还与结构层的材料组合及各层材料的厚度有关。热阻表征结构本身或其中某层材料阻抗传热的能力。在相同的温差条件下，热阻越大，通过结构层的热量越小，结构层保温隔热性能越好。采用单一匀质气泡混合轻质土材料时，R=d/，R 为热阻，（K）/W；d 为材料层的厚度，m；为导热系数，W/（mK）。其结果，见表 7。表7气泡混合轻质土材料热工性能容重等级表干密度/（kgm3）导热系数/W（mK）1热阻/（m2K）W1厚度1.0 m厚度0.5 mW65820.1407.1