氣泡制備因素對(duì)河道淤泥氣泡混合土性質(zhì)的影響研究

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(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

氣泡制備因素對(duì)河道淤泥氣泡混合土性質(zhì)的影響研究

李榮賀,顧歡達(dá)

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

為考察氣泡制備因素對(duì)河道淤泥氣泡混合土性質(zhì)的影響，以河道淤泥為原料土，通過(guò)對(duì)不同發(fā)泡劑成泡品質(zhì)考察及發(fā)泡劑的優(yōu)化配合設(shè)計(jì)，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，對(duì)河道淤泥氣泡混合土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:不同類(lèi)型的發(fā)泡劑及發(fā)泡劑成泡品質(zhì)對(duì)混合土性質(zhì)影響明顯，所選蛋白發(fā)泡劑在料漿中穩(wěn)泡性變差，不滿足密度要求；在同等密度下，氣泡品質(zhì)好的F型發(fā)泡劑制備的輕質(zhì)土，其強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和E50均高于K12A型。這種具備穩(wěn)泡性好、發(fā)泡倍數(shù)不易過(guò)低、成泡較均勻、可與料漿共存的成泡品質(zhì)，有利于輕質(zhì)土綜合性能的提升。

河道淤泥；氣泡制備;輕質(zhì)土；發(fā)泡劑；強(qiáng)度；密度

1 研究背景

我國(guó)海洋面積廣闊，河流湖泊眾多，在港口清淤、河道疏浚、生態(tài)清淤、抗洪整治等方面，每年都有大量的疏浚淤泥產(chǎn)生[1]。 通常淤泥具有含水量高、強(qiáng)度低、腐殖質(zhì)含量大等特征，一般不作處理很難直接應(yīng)用[2]。大量清淤出來(lái)的淤泥若不及時(shí)處理，一方面會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，另一方面不加以利用是一種資源浪費(fèi)。如何處理清淤出來(lái)的淤泥，已成為各界關(guān)心的問(wèn)題。實(shí)際情況表明，清淤以及對(duì)清出淤泥的后期處理，通常需要投入大量的人力物力資源。因此，將淤泥資源化再利用對(duì)于建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型社會(huì)，具有明顯的積極意義。實(shí)際工程中，利用淤泥含水量高以及流動(dòng)性好的性質(zhì)，以其為原料土制備成流動(dòng)性滿足施工要求的氣泡混合輕質(zhì)土，既可以實(shí)現(xiàn)資源的再生利用目的，又可以滿足日益緊缺的建設(shè)用土需要[3]。為此，開(kāi)發(fā)以河道淤泥為原料土，制備河道淤泥氣泡混合土并進(jìn)一步考察其工程性質(zhì)是否滿足工程要求具有重要的工程意義及社會(huì)價(jià)值。

國(guó)內(nèi)對(duì)淤泥輕質(zhì)土研究起步較晚，大多數(shù)以塑料泡沫顆粒做為輕質(zhì)材料,朱偉等[4]對(duì)疏浚淤泥泡沫塑料顆粒輕質(zhì)混合土的抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；卞夏等[5]對(duì)混合土密度、強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了研究；沙玲、金菲力等[6-7]研究了淤泥再生混合輕質(zhì)土的強(qiáng)度及變形特性；顧歡達(dá)等[3，8-9]對(duì)以河道淤泥為原料土的氣泡混合輕質(zhì)土的基本工程性質(zhì)及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。而關(guān)于氣泡制備因素對(duì)河道淤泥氣泡混合土性質(zhì)影響的相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

氣泡混合輕質(zhì)土制備的關(guān)鍵在于氣泡的品質(zhì)，其指標(biāo)主要包括發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)，成泡后的穩(wěn)泡性，成泡均勻性及尺度等。國(guó)外，三嶋他[10]的研究表明，氣泡輕質(zhì)混合土的密度隨著硬化前的消泡而增加。國(guó)內(nèi)的張志允等[11]研究得出氣泡穩(wěn)定性越好，氣泡混合輕量土密度越小的結(jié)論，并在氣泡混凝土的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，成泡的均勻性一方面影響氣泡的穩(wěn)定性，另一方面，氣泡是形成氣泡混凝土多孔結(jié)構(gòu)的主要因素，氣泡越均勻，所形成多孔結(jié)構(gòu)均勻性越好，有利于應(yīng)力在土體結(jié)構(gòu)中的分布，強(qiáng)度發(fā)揮越好。通常，土中>1 mm的孔隙是土體應(yīng)力集中的主要來(lái)源，所以在制備氣泡時(shí)，應(yīng)盡量避免>1 mm大泡的產(chǎn)生。通過(guò)考察氣泡對(duì)水泥漿料的影響發(fā)現(xiàn)，有些情況下氣泡對(duì)水泥料漿有緩凝的作用，有些發(fā)泡劑在與水泥料漿混合前成泡性較好，但成型后的混合料綜合性能較差[12]。因此，在實(shí)際工程中為了獲得比較理想的氣泡混合輕質(zhì)土，提高河道淤泥氣泡混合土的品質(zhì)，需要綜合考察發(fā)泡劑的性能，其中成泡穩(wěn)定性是衡量發(fā)泡劑質(zhì)量的重要指標(biāo)；同時(shí)結(jié)合發(fā)泡倍數(shù)、成泡均勻性等指標(biāo)綜合優(yōu)化篩選出性能較好的發(fā)泡劑也十分重要。

2 發(fā)泡劑性能試驗(yàn)及復(fù)配優(yōu)化

目前，常用的發(fā)泡劑主要有植物蛋白型、動(dòng)物蛋白型、復(fù)配型等多種類(lèi)型。不同類(lèi)型的發(fā)泡劑在成分及配合條件不同的情況下，成泡效果及成泡質(zhì)量不盡相同。國(guó)外對(duì)發(fā)泡劑的研究較早，技術(shù)比較成熟，發(fā)泡劑產(chǎn)品主要以具有發(fā)泡倍數(shù)大、穩(wěn)定性能好、氣泡不易破裂等特點(diǎn)的蛋白質(zhì)類(lèi)發(fā)泡劑為主；在國(guó)內(nèi)隨著氣泡混凝土的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，先后開(kāi)發(fā)出松香樹(shù)脂類(lèi)、表面活性劑類(lèi)、動(dòng)植物蛋白類(lèi)和復(fù)合類(lèi)等發(fā)泡劑型，目前四代并存。前3類(lèi)發(fā)泡劑，各自都存在一定缺陷，如松香類(lèi)發(fā)泡劑穩(wěn)泡性與起泡力均較差;陰離子表面活性劑發(fā)泡性好但穩(wěn)泡性不足;蛋白類(lèi)發(fā)泡劑穩(wěn)泡好但發(fā)泡倍數(shù)低;復(fù)合類(lèi)發(fā)泡劑采用多元復(fù)配優(yōu)化，有效解決單一成分發(fā)泡劑性質(zhì)指標(biāo)不全面的問(wèn)題，使發(fā)泡劑的綜合性能得以提升。

2.1 發(fā)泡劑成泡性能檢驗(yàn)方法

反映發(fā)泡劑性能的指標(biāo)通常由發(fā)泡劑的起泡性和穩(wěn)泡性2部分組成。關(guān)于影響氣泡穩(wěn)定性的影響因素，可根據(jù)氣泡形成和破壞機(jī)理進(jìn)行考察。一方面，單個(gè)氣泡由泡沫水膜和內(nèi)部包裹的空氣組成，泡沫水膜實(shí)質(zhì)是定向排列的雙分子水膜，由表面活性分子組成，單個(gè)氣泡表面活性劑分子由疏水親油的非極性基團(tuán)和親水疏油的極性基團(tuán)所組成，表面活性劑分子的定向排列，對(duì)表面張力的降低作用以及液面吸附性決定了泡沫的形成；另一方面，液膜的重力排液和大小氣泡接觸造成的泡內(nèi)氣體擴(kuò)散是泡沫破壞的主要原因，整個(gè)泡沫由氣相和液相兩部分組成，液相密度大于氣相密度，在重力的作用下，使得液膜中的水向氣泡下部流失，而上部液膜變薄，最終泡沫破裂，在制備氣泡的過(guò)程中，不可能使制備的氣泡尺度完全一致，當(dāng)氣泡相互接觸時(shí)，根據(jù)young-laplace公式附加壓力與曲率半徑成反比的原理，小氣泡中的氣壓大于大氣泡中的氣壓，小氣泡中的氣體透過(guò)液膜向大氣泡中擴(kuò)散，小氣泡變小甚至消失，而大氣泡尺度變大，氣泡膜變薄，最終導(dǎo)致氣泡破裂。

研究中采用的發(fā)泡劑原料主要包括發(fā)泡劑(十二烷基硫酸銨為陰離子表面活性劑，簡(jiǎn)稱K12A，分子式：C24H54NO4)與穩(wěn)泡劑(硅樹(shù)脂聚醚乳液，簡(jiǎn)稱MPS；羥甲基纖維素鈉，簡(jiǎn)稱CMC，分子式：[C6H7O2(OH)2CH2COONa]n)。采用發(fā)泡倍數(shù)指標(biāo)測(cè)試發(fā)泡劑的發(fā)泡性能，用氣泡半衰期來(lái)檢驗(yàn)發(fā)泡劑成泡穩(wěn)泡性，其中發(fā)泡倍數(shù)指泡沫體積與發(fā)泡劑溶液體積的比值，氣泡半衰期指氣泡質(zhì)量減少50%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。將K12A分別以0.1%,0.3%,0.5%,0.7%,0.9%,1.1%的濃度配制成發(fā)泡劑母液，用實(shí)驗(yàn)室自制發(fā)泡機(jī)制取泡沫，將泡沫放入1 100 mL量筒中，通過(guò)測(cè)試發(fā)泡倍數(shù)和半衰期確定K12A最佳濃度，并以其最佳濃度為基礎(chǔ)，分別添加不同的穩(wěn)泡組分進(jìn)行發(fā)泡劑的復(fù)配研究。

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果

為了獲得比較理想的復(fù)配型發(fā)泡劑，從氣泡破壞機(jī)理出發(fā)，通過(guò)改善氣泡的均勻性和氣泡液膜的黏度，來(lái)達(dá)到提高氣泡穩(wěn)定性的目的，并結(jié)合氣泡的發(fā)泡性能，制備出綜合性能較為良好的發(fā)泡劑。氣泡性能測(cè)試及改性研究成果如圖1所示。

圖1 氣泡性能測(cè)試及改性研究Fig.1 Modification tests for foaming performance

圖1(a)為不同K12A濃度條件下的發(fā)泡劑半衰期及發(fā)泡倍數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示:隨著K12A濃度的增大，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)相應(yīng)提高。在0%～0.7%濃度范圍內(nèi)增長(zhǎng)比較明顯;在0.7%～0.9%范圍內(nèi)增速減緩，僅增長(zhǎng)11.5%;當(dāng)濃度超過(guò)0.9%時(shí)發(fā)泡倍數(shù)不再上升，此時(shí)達(dá)到臨界濃度;濃度繼續(xù)增大，發(fā)泡倍數(shù)變化不大。分析其原因?yàn)椋弘S著溶液濃度的增大，溶液中活性分子數(shù)量增加，溶液表面張力降低，發(fā)泡倍數(shù)隨之提高，但達(dá)到臨界濃度后，氣液界面的表面吸附達(dá)到飽和，溶液表面張力不再下降，發(fā)泡能力反而有所降低。

根據(jù)氣泡半衰期隨K12A濃度的變化可進(jìn)一步考察發(fā)泡劑的成泡穩(wěn)定性。從圖1(a)還可以看出:氣泡半衰期在0.1%～0.9%范圍內(nèi)有先快后慢的變化趨勢(shì);當(dāng)濃度為0.9%時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，半衰期開(kāi)始下降。原因是低濃度時(shí)，氣泡含水較高泌水較多且液膜僅為單分子膜，半衰期較低；隨著濃度的增加，氣泡的含水降低且附著在氣泡膜上的活性劑分子增多，氣泡與空氣接觸，形成致密的雙分子液膜，氣泡穩(wěn)定性上升。達(dá)到臨界濃度后，濃度增大，使得氣泡膜壁質(zhì)量和厚度增大，膜壁排液速度加快，膜壁彈性減弱，半衰期下降。綜合發(fā)泡倍數(shù)及穩(wěn)定性因素，可以認(rèn)為0.9%的K12A濃度為比較理想的復(fù)配濃度。

但此時(shí)氣泡膜黏彈性、穩(wěn)定性仍有不足，泡沫均勻性較差，混有>1 mm的大泡，導(dǎo)致土體中易形成大孔隙，因此，需要對(duì)K12A進(jìn)行改性研究，以改善其穩(wěn)定性和氣泡的均勻性。為此，以K12A理想濃度(0.9%)與不同濃度的MPS進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，確定MPS的最佳濃度。圖1(b) 顯示：當(dāng)MPS質(zhì)量濃度為0～0.05%時(shí)，泡沫半衰期增長(zhǎng)較為顯著，增長(zhǎng)60%，發(fā)泡倍數(shù)下降了13.8%；隨后半衰期以約4.7%的增長(zhǎng)率緩慢增長(zhǎng)，而發(fā)泡倍數(shù)同樣降低程度較低；當(dāng)MPS濃度為0.10%時(shí)，半衰期達(dá)到最高，而發(fā)泡倍數(shù)下降并不很明顯，可以認(rèn)為是比較理想的MPS濃度；隨著MPS濃度繼續(xù)增加，發(fā)泡能力顯著降低，同時(shí)穩(wěn)泡性也在降低。

MPS能夠改變分子內(nèi)部排列順序，使氣泡之間緊密整齊地排列，所形成的內(nèi)層膜較致密，改善氣泡液膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)液膜上的表面活性劑分子開(kāi)始有秩序地分布，提高氣泡的自修復(fù)能力和彈性，泡徑不斷減小，大小分布更均勻，從而提高氣泡的穩(wěn)泡性。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，在后期試驗(yàn)中選取MPS濃度為0.10%。此時(shí)發(fā)泡倍數(shù)約為24倍，半衰期為67 min。

為了進(jìn)一步提高發(fā)泡劑的成泡品質(zhì)，在K12A濃度為0.9%、MPS濃度為0.1%的基礎(chǔ)上，與不同濃度的羧甲基纖維素(提高液相黏度，進(jìn)一步提高泡沫穩(wěn)定性)進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，以確定羥甲基纖維素的最適宜含量。

圖1(c)為不同CMC含量情況下發(fā)泡倍數(shù)與半衰期的變化情況。圖1(c)結(jié)果表明:隨著CMC含量的增加，氣泡穩(wěn)定性改善較為顯著，這是因?yàn)镃MC能夠增大溶液黏度，降低氣泡的排液速度，使得液膜的黏彈性提高，減小了氣泡的透氣性，抑制氣泡變薄，從而提高氣泡的穩(wěn)定性。但同時(shí)隨著CMC摻量增大，發(fā)泡倍數(shù)有所降低。在滿足氣泡穩(wěn)定性的同時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)不宜過(guò)低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，在CMC含量為0.15%時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)約為21倍，半衰期為106 min，此時(shí)，既可以保持比較高的發(fā)泡倍數(shù)，又能獲得比較好的穩(wěn)泡性能。為便于使用，將上述復(fù)配型發(fā)泡劑記為F型發(fā)泡劑。

3 河道淤泥氣泡混合土性能

為了檢驗(yàn)氣泡制備因素對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土性質(zhì)的影響，以河道淤泥作為原料土，以室內(nèi)經(jīng)復(fù)配優(yōu)化得到的F型發(fā)泡劑及其他常用發(fā)泡劑分別制備河道淤泥氣泡混合土，通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)考察其物理力學(xué)性質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討氣泡制備因素對(duì)河道淤泥氣泡混合土性質(zhì)的影響。

3.1 試驗(yàn)原料及配比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用原料土為蘇州某河道淤泥質(zhì)土，先過(guò)4.75 mm的網(wǎng)篩，去除淤泥中的雜質(zhì)，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到原料土的基本物理指標(biāo)如表1所示；所選用的發(fā)泡劑有K12A，復(fù)配發(fā)泡劑F、市售某動(dòng)物蛋白型發(fā)泡劑，經(jīng)測(cè)試各發(fā)泡劑的理想性能如表2所示;原料土的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示,水采用普通自來(lái)水，固化劑為PO42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 原料土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physics parameters of original river sludge

表2 各發(fā)泡劑的性能Table 2 Performance of foaming agents

圖2 淤泥的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of sludge

試驗(yàn)中各組成材料的配比以干土質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，氣泡摻入比為氣泡質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值，水泥摻入比為水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值，含水率指摻入水之后包含原料土中的水的質(zhì)量與試樣干土質(zhì)量的比值。試驗(yàn)重點(diǎn)考察不同類(lèi)型的發(fā)泡劑對(duì)河道淤泥氣泡混合土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，試驗(yàn)配合方案如表3所示。

表3 不同材料試驗(yàn)方案Table 3 Design of material proportions

3.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

根據(jù)表3試驗(yàn)方案，先將水加入原料土中，對(duì)原料土的含水量進(jìn)行調(diào)整，用攪拌機(jī)攪拌，使土與水混合均勻；再加入水泥，攪拌均勻，最后加入預(yù)制的氣泡，通過(guò)攪拌直至氣泡完全融入到水泥土料漿中。將混合料裝入內(nèi)徑3.91 cm，高7.8 cm的模具，漿體分3層裝入模具，每層沿模具4個(gè)方向各震動(dòng)30次，保證密實(shí)，每個(gè)試樣至少制備3個(gè)平行樣，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再將試樣繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。

為測(cè)定其密度，對(duì)每種配比制成的3個(gè)試樣稱量其質(zhì)量，并測(cè)得密度ρ，其公式為

ρ=M/V。

(1)

式中：V是試樣體積(cm3)；M為試樣質(zhì)量(g)。當(dāng)滿足任何2個(gè)試樣的密度差Δρ<1%，即可認(rèn)為制成的試樣比較均勻，可用于后續(xù)試驗(yàn)。

強(qiáng)度試驗(yàn)主要采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，試驗(yàn)中軸向應(yīng)變速率約為1 mm/min。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

河道淤泥氣泡混合土的密度ρ、強(qiáng)度qu、氣泡摻入比ωe三者之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 河道淤泥氣泡混合土試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Relations among density, strength, and bubble ratio of the foamed mixture soil using river sludge

密度指標(biāo)是控制河道淤泥氣泡混合土質(zhì)量的重要因素。制備氣泡的品質(zhì)指標(biāo)如發(fā)泡倍數(shù)、氣泡均勻性及穩(wěn)泡性等對(duì)氣泡混合土密度影響明顯，在相同的氣泡摻入比條件下，氣泡不均勻造成大尺度氣泡過(guò)多或消泡過(guò)多將使得成型后的氣泡混合土密度增大而影響輕量化效果。

圖3(a)為3種不同發(fā)泡劑制備的河道淤泥氣泡混合土密度變化情況。隨著氣泡摻入比的增大，土樣密度在不斷降低，但不同的發(fā)泡劑在相同摻量下對(duì)密度的影響不同，K12A對(duì)密度的降低效果較為明顯，最大降幅20.7%，F(xiàn)型次之為19.4%，蛋白發(fā)泡劑效果最差，僅為5.4%。由于K12A的發(fā)泡倍數(shù)相對(duì)于其他2種發(fā)泡劑較大，相同質(zhì)量的泡沫摻入的體積較多，制得的輕質(zhì)土密度較小，但相比于F型，其密度的降低程度并不是很明顯。K12A發(fā)泡劑在攪拌過(guò)程中，由于穩(wěn)定性較差，部分泡沫破滅，且在水泥土料漿中，穩(wěn)定性也較低；相對(duì)于F型泡沫，破壞較多。所選市售蛋白型泡沫在摻入料漿之前，穩(wěn)定性較好，但在水泥土料漿中并沒(méi)有表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，泡沫大量破滅，效果較差，且蛋白發(fā)泡劑溶液相對(duì)于其他2種發(fā)泡劑溶液濃度較高，因而成本較高。

強(qiáng)度發(fā)揮是衡量河道淤泥氣泡混合土能否滿足工程要求的重要指標(biāo)。在實(shí)際工程中，為了滿足低地基承載力條件或降低側(cè)向壓力的輕量化要求，往往需要在滿足強(qiáng)度發(fā)揮指標(biāo)的前提下盡可能降低氣泡混合土的密度，因此，在同等強(qiáng)度條件下氣泡混合土密度越小越有利。同樣，在相同的氣泡混合比條件下，氣泡分布越均勻及氣泡尺度越小越有利于氣泡混合土的強(qiáng)度發(fā)揮。

由圖3(b)可以看出，不同發(fā)泡劑制得的輕質(zhì)土，其強(qiáng)度都隨著氣泡摻入比的增大有不同程度的降低。氣泡置換了相同體積的水泥土，氣泡的增加，使得單位體積內(nèi)土骨架逐漸減小，強(qiáng)度降低；同時(shí)在氣泡摻量較低時(shí)，泡沫在水泥料漿中分布較為均勻，所形成的孔壁較厚；隨著氣泡摻量的增加，孔壁逐漸變薄，所形成的薄弱面增多，強(qiáng)度降低；同時(shí)可以看出，蛋白型輕質(zhì)土受氣泡摻入比的影響很小，最大降幅為21.2%，F(xiàn)型次之為51.3%，K12A型輕質(zhì)土受氣泡摻入比的影響最大，最大降幅為64.3%。分析的原因?yàn)?蛋白型泡沫在料漿中大量破滅，所置換的水泥土體積較小，密度大，土骨架占比多，導(dǎo)致雖然強(qiáng)度較高，但達(dá)不到輕量化的目的;K12A發(fā)泡劑制備的泡沫的黏彈性不足、大小不均勻且泡徑>1 mm的大泡較多，在輕質(zhì)土中形成較多的大孔隙，應(yīng)力集中使得強(qiáng)度降低明顯，不利于強(qiáng)度的發(fā)揮;F型泡沫大小均勻，穩(wěn)泡性能好，所形成的氣孔大小差異不大，應(yīng)力在土樣中均勻分布，在保持比較好的輕量化特征的同時(shí)，具備較好的土強(qiáng)度發(fā)揮特性。

圖3(c)為上述3種輕質(zhì)土密度與強(qiáng)度的關(guān)系。同等密度下，F(xiàn)型強(qiáng)度高，K12A型次之，蛋白型最差。三者強(qiáng)度差異在不同的密度階段表現(xiàn)不同：當(dāng)密度>1.45g/cm3時(shí)，差異較小，原因可能為此階段摻入氣泡較少，K12A均勻分散于土體中，所形成大孔較少；在密度為1.35～1.45g/cm3之間，強(qiáng)度差異增大，原因可能為K12A摻量增大，大泡增多，與穩(wěn)定性好的F型相比，強(qiáng)度降低較多；在密度<1.35g/cm3時(shí)，強(qiáng)度差異有減小的趨勢(shì)，原因可能為隨著氣泡繼續(xù)增多土骨架進(jìn)一步被削弱，水泥的固化作用減小明顯，密度差異開(kāi)始變小。

根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以進(jìn)一步分析不同發(fā)泡劑類(lèi)型對(duì)河道淤泥氣泡混合土的變形性質(zhì)的影響。

圖4為幾種不同配比條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果顯示:氣泡摻入比為1%時(shí)，不同發(fā)泡劑對(duì)輕質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響不明顯;隨著氣泡摻入比增大，影響逐漸明顯，蛋白型初始彈性模量最大，破壞峰值強(qiáng)度高，K12A型初始彈性模量最小，破壞峰值強(qiáng)度最小。同時(shí)隨著氣泡含量的增加，氣泡輕質(zhì)土的彈性模量逐漸減小，破壞峰值強(qiáng)度逐漸降低，破壞形式由脆性破壞逐漸變成延性破壞。

圖4 氣泡輕質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain curves of the foamed mixture soil using river sludge with different material proportions

圖5(a)為3種輕質(zhì)土的E50(割線模量E50為曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變的一半處所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率[13-14])隨密度的變化。對(duì)E50隨密度的變化進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示:E50與密度有良好的線性相關(guān)性，F(xiàn)型、K12A型、蛋白型擬合度分別為0.951 93,0.907 66,0.950 37，E50隨密度降低而線性降低;同時(shí)，在同等密度下，F(xiàn)型輕質(zhì)土的E50最大，蛋白型最小。通過(guò)圖5(b)可以看出：破壞應(yīng)變受密度的影響不大，但總體可以看出，F(xiàn)型輕質(zhì)土破壞應(yīng)變?cè)?.4%～1.8%之間，K12A型在1.2%～1.5%之間，蛋白型在1.3% ～1.9%之間;同等密度之下，F(xiàn)型較K12A型破壞應(yīng)變大。

圖5 密度與E50和破壞應(yīng)變的關(guān)系Fig.5 Relations of density vs. E50 and strain at failure

由于氣泡輕質(zhì)土是由氣泡代替水泥土所形成的結(jié)構(gòu)，土體中由氣泡所形成的空隙具有一定的變形儲(chǔ)備，隨著荷載逐漸增大，氣孔不斷被壓縮，當(dāng)所承受的荷載超過(guò)氣孔的極限承載力后，氣孔就會(huì)被壓壞，更容易形成連通孔，產(chǎn)生微裂縫，微裂縫向相對(duì)薄弱的部位延伸，沿著土骨架的薄弱部位不斷地發(fā)展，使得土體承重能力降低。特別是在氣孔不均勻的K12A型輕質(zhì)土中，應(yīng)力集中更容易發(fā)生，使得強(qiáng)度較低，同時(shí)抵御變形的能力也較弱。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)發(fā)泡劑的改性研究，制備出性能較好的發(fā)泡劑，并對(duì)陰離子型、蛋白型、復(fù)配型發(fā)泡劑對(duì)氣泡混合土性能的影響進(jìn)行論證考察，得出以下結(jié)論。

(1) 對(duì)發(fā)泡性好、穩(wěn)泡性和均勻性較差的K12A進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化，制備的發(fā)泡劑F，其泡徑較小、氣泡群較為均勻、氣泡膜黏彈性較高，綜合性能較好。

(2) 氣泡應(yīng)與輕質(zhì)土料漿共存，所選蛋白發(fā)泡劑，其氣泡在摻入料漿之前穩(wěn)泡性較好，但在料漿中破滅嚴(yán)重，所得制品不滿足密度要求，且成本較高。

(3) 通過(guò)對(duì)輕質(zhì)土密度、強(qiáng)度、變形特性的研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示:隨著氣泡含量的增大，輕質(zhì)土的密度和強(qiáng)度均降低，脆性破壞向延性破壞發(fā)展;同等氣泡摻量下，K12A與發(fā)泡劑F對(duì)輕質(zhì)土密度的降低程度差異較小，但K12A型輕質(zhì)土強(qiáng)度相對(duì)于F型降低較多;同等密度下，F(xiàn)型強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和E50均高于K12A型，復(fù)配型發(fā)泡劑表現(xiàn)出良好的性能。

(4) 穩(wěn)泡性是制備輕質(zhì)土的主要因素，發(fā)泡倍數(shù)需滿足經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為次要因素，同時(shí)泡沫群要兼具自身的均勻性、與混合土料漿的共存性。氣泡液膜黏彈性滿足要求、穩(wěn)定性較好，同時(shí)氣泡不受料漿的影響，不容易在料漿中破滅或者融合成大泡，則有利于土密度的降低，強(qiáng)度、變形的發(fā)揮，提高輕質(zhì)土的綜合性能。

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(編輯：姜小蘭)

Influence of Bubble Preparation Factors on Properties ofFoamed Mixture Soil Using River Sludge

LI Rong-he, GU Huan-da
(School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011,China)

The aim of this research is to investigate the influence of bubble preparation factors on the properties of foamed mixture soil using river sludge. We examined the foaming performance of different foaming agents and prepared a mixed foaming agent F by optimizing the proportions of foaming agents. On this basis, we analyzed the physical and mechanical properties of the foamed mixture soil with river sludge as raw material through contrast test. Results showed that different types and qualities of foam agents have apparent influence on the properties of the mixture soil. Protein foaming agent is of poor ability in stabilizing foams, hence could not meet density requirement. Under the same density, the lightweight soil prepared by foaming agent F is superior to that by foaming agent K12A in terms of strength, strain at failure andE50. In conclusion, good performance of foam-stabilization, expansion rate of foam, uniform bubbles, and co-existence with soil slurry would be beneficial to improving the comprehensive performance of light-weighted soil.

river sludge; bubble preparation; light-weighted soil; foaming agent; strength; density

2016-06-15；

：2016-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378327)

李榮賀(1989-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事軟土地基處理及技術(shù)應(yīng)用方面的研究，(電話)18206200631(電子信箱)lrh3050@sina.com。

顧歡達(dá)(1958-)，男，江蘇無(wú)錫人，教授，博士，主要從事軟土地基處理技術(shù)及原理方面的工作，(電話)0512-68786743(電子信箱)ghdgx@163.com。

10.11988/ckyyb.20160612

2017,34(9):137-141,149

TU411

：A

：1001-5485(2017)09-0137-05