地聚合物基泡沫混凝土的路用性能及其應(yīng)用研究

齊鵬飛，盧佩霞

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 揚州 225100)

0 引言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的不斷投資和路網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展完善，泡沫混凝土因其輕質(zhì)、密度和強度易調(diào)節(jié)、施工便捷等方面的優(yōu)勢，在道路工程中的使用也日趨頻繁，以減輕荷重或土壓為目的用于替代填土，可廣泛用于軟基橋臺背填筑、道路擴建、山區(qū)陡峭路段填筑、舊路橋頭路基換填等公路工程領(lǐng)域[1-3]。對泡沫混凝土自本身特性[4-7]及其工程應(yīng)用的研究[8-10]已有較多成果?，F(xiàn)階段，國家正在大力倡導(dǎo)推進綠色發(fā)展，2021年全國兩會首次將碳達峰、碳中和寫入政府工作報告，而泡沫混凝土以水泥為膠凝材料，水泥是高耗能產(chǎn)業(yè)，大量使用水泥不符合節(jié)能減排、保護生態(tài)環(huán)境的國家大政方針，對工業(yè)廢棄物的資源化利用適應(yīng)節(jié)能減排、保護生態(tài)環(huán)境的時代需求，地聚合物的資源化利用應(yīng)運而生[11]。

地聚合物的概念最早由法國人Davidovits提出，是由AlO4和SiO44面體結(jié)構(gòu)單元組成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機聚合物。普通硅酸鹽水泥硬化時，少量NaOH能起到催化效果，促進水泥中的硅、鋁化合物溶解，加速與Ca(OH)2反應(yīng)，形成硅酸鈣和鋁酸鈣礦物，水泥硬化，重新生成NaOH催化下一輪反應(yīng)，即為“堿激活”[12-13]。對地聚合物基泡沫混凝土的制備和性能開展了許多研究，汪海風(fēng)等[14]以礦渣為鋁硅質(zhì)原料，通過堿激發(fā)和H2O2發(fā)泡，開發(fā)地聚合物基泡沫混凝土，全礦渣基地聚合物泡沫混凝土的抗壓強度達到1.37 MPa。徐方等[15]對地聚合物基泡沫混凝土(GFC)的氣孔結(jié)構(gòu)形成機理進行了探究，通過電鏡對試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)進行觀察，發(fā)現(xiàn)地聚合物凈漿流量對GFC成孔過程和性能產(chǎn)生影響。賀馨瑤和田雨澤[16]采用粉煤灰、礦渣和堿激發(fā)劑作為原料制備地聚合物泡沫混凝土，地聚合物泡沫混凝土的抗壓強度隨粉礦比例增加而減小，隨Na2O增加先增后降。

泡沫混凝土因其具備強度高、壓縮性低、重量低、流動性高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于軟基處理、路基擴寬、臺背填筑等路基特殊處理部位[1,17-19]。地聚合物基泡沫混凝土作為路基填料的研究和工程實例尚不多見，地聚合物基泡沫混凝土的配比和路用性能如何、地聚合物基泡沫混凝土路基性狀如何，目前尚未可知，因此地聚合物基泡沫混凝土的配比、性能和路用性狀需要深入研究和實踐檢驗?；诖?，本研究采用以粉煤灰和礦粉作為地聚合物原料代替部分水泥用量配制地聚合物基泡沫混凝土，通過室內(nèi)試驗測試其路用性能，選用地聚合物替代25%水泥制作的泡沫混凝土用于高速公路路基試驗段填筑，采用數(shù)值分析和實測對比分析評價地聚合物基泡沫混凝土路用性狀。

1 地聚合物基泡沫混凝土的路用性能

1.1 試驗方法

地聚合物基泡沫混凝土制備的原材料如表1所示。水泥采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；地聚合物由Ⅰ級粉煤灰和S95級高爐礦渣粉構(gòu)成，性能應(yīng)分別符合《用于水泥和混凝土的粉煤灰》(GB/T 1596)和《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》(GB/T 18046)的規(guī)定，本試驗采用的粉煤灰和礦渣粉主要技術(shù)指標(biāo)如表2和表3所示；發(fā)泡劑是膠凝材料硬化過程中形成氣泡的主要基礎(chǔ)，其種類以及氣泡對硬化過程中氣孔性能有重要影響，通常最理想的發(fā)泡劑應(yīng)該是泌水量和沉陷量最小，而發(fā)泡的倍數(shù)最大的發(fā)泡劑。本研究采用α-烯基磺酸鈉(粉)作為發(fā)泡劑，該發(fā)泡劑為固態(tài)發(fā)泡粉，需要用水進行調(diào)和，發(fā)泡劑與水的比例為1∶20，然后制成泡沫。穩(wěn)泡劑采用硬脂酸鈣。

表1 試驗材料Tab.1 Test materials

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators of fly ash

表3 礦渣粉技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical indicators of mineral powder

試驗中發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、堿激發(fā)劑、水含量不變，保持水固比為0.5，通過調(diào)整地聚合物的摻量進行不同配比試驗，按照地聚合物摻加比，編號分別為A～C，共3組，考慮在滿足路用性能主要指標(biāo)情況下盡量提升本研究的經(jīng)濟效益，并參考相關(guān)文獻[14,16]關(guān)于地聚合物配比對強度的研究成果，對地聚合物中粉煤灰和礦渣按7∶3進行組合，各組試驗配比的質(zhì)量比例關(guān)系如表4所示，其中發(fā)泡劑按照20倍稀釋。

表4 各組分質(zhì)量配比Tab.4 Mixing ratio of each component mass

泡沫混凝土因其結(jié)構(gòu)的特殊性(含有大量的氣孔)，在用做公路路基填筑材料時往往關(guān)注3個方面：(1)流動性。若流動性太小，則會造成施工不便；若流動性過大，則不便于施工質(zhì)量的控制。(2)氣泡的穩(wěn)定性。大量氣孔的存在造成泡沫混凝土的密度較常規(guī)路基填料小。(3)抗壓強度。在泡沫混凝土輕質(zhì)的前提下，抗壓強度需要滿足公路工程路基抗壓強度的要求。因此，本研究主通過測定無側(cè)限抗壓強度、濕重度、流值3個指標(biāo)，評價地聚合物基泡沫混凝土的路用性能。地聚合物基泡沫混凝土制備采用混合攪拌法，每組試塊3個試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×100mm，制備完成后放入標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護。試塊制備測定的工藝流程如圖1所示。

圖1 地聚合物基泡沫混凝土制備工藝流程Fig.1 Preparation process of geopolymer-based foamed concrete

1.2 性能分析

根據(jù)現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》[20]，泡沫混凝土的濕重度在5～11 kN/m3，流值宜取170～190 mm，高速和1級公路路床的無側(cè)限抗壓強度1.0 MPa以上、路堤要求在0.6 MPa以上。

本次3組試驗配比的無側(cè)限抗壓強度、濕重度和流值試驗結(jié)果如表5所示。各組配比試樣的流值都能滿足規(guī)范建議值要求:濕重度在612～732 kg/m3范圍變化,A組試件28 d抗壓強度(q28)為2.36 MPa；B組28 d抗壓強度為1.12 MPa，滿足路基填料強度要求；C組28 d抗壓強度為0.56 MPa，不滿足路堤填料強度要求。A組雖然強度、流值和濕重度均滿足要求，但作為純水泥參照對比組，未添加地聚合物，故選取B組配比用于某高速公路路基填料進行試驗。

表5 各組配比試驗結(jié)果Tab.5 Test result using different mixing ratios

下面分別對無側(cè)限抗壓強度、濕重度和流值進行對比分析，研究地聚合物對泡沫混凝土路用性能的影響。

(1)無側(cè)限抗壓強度

地聚合物摻量對強度的影響如圖2所示，隨著地聚合物摻量的增加強度逐漸降低。地聚合物在堿激發(fā)劑作用下凝結(jié)硬化產(chǎn)生一定強度，但與膠凝材料水泥的強度相比仍然不足。隨著地聚合物摻量的增加，大部分顆粒參與到水化反應(yīng)中，少量顆粒在水泥顆粒之間填充，與其水化物形成交叉區(qū)域，另外部分地聚合物的顆粒會發(fā)生團聚形成較大的顆粒團，因其本身的硬度與水泥比較低，故其摻入量越多，其強度就相對越小。

圖2 地聚合物摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響(齡期28 d)Fig.2 Influence of geopolymer content on unconfined compressive strength (28 dage)

(2)濕重度

地聚合物摻量對濕重度的影響如圖3所示。隨著地聚合物的摻量增加濕重度逐漸降低，數(shù)值在612～732 kg/m3范圍變化，均能滿足規(guī)范的相應(yīng)要求。本次試驗配比的各材料組分中，普通硅酸鹽水泥的密度為3 000 kg/m3，粉煤灰的密度為2 550 kg/m3，礦渣的密度為2 800 kg/m3，一方面地聚合物密度本身比水泥小，等量的地聚合物替換水泥，體積會增加，因而質(zhì)量相同情況下地聚合物摻量比例增加會使得重度減?。涣硪环矫嬉驗樗囝w粒粒徑與氣泡屬于同一量級，水泥含量較高時，氣泡與水泥顆粒相互擠壓刺破，導(dǎo)致消泡率增大，使得濕重度相對較大。因此，隨著地聚合物摻量增加，濕重度呈下降趨勢。

圖3 地聚合物摻量對濕重度的影響Fig.3 Influence of geopolymer content on wet bulk density

(3)流值

地聚合物摻量對流值的影響如圖4所示，隨著地聚合物摻量增加，流值呈下降趨勢，數(shù)值均在規(guī)范建議值(170～190 mm)范圍內(nèi)，變化不大。地聚合物摻量對流值的影響效果并不明顯。流動性主要和含水量以及氣泡含量有關(guān)，試驗各組配比中的含水量和發(fā)泡劑用量均相同，故對流動性影響較小。在濕重度滿足要求的條件下，流值只影響其施工性能，3組試驗的流值都滿足規(guī)范要求。

圖4 地聚合物摻量對流值的影響Fig.4 Influence of geopolymer content on flow value

2 地聚合物基泡沫混凝土的應(yīng)用

2.1 依托工程概況

某高速公路進行改擴建，在原來雙向4車道的基礎(chǔ)上兩側(cè)各擴寬兩個車道，改為雙向8車道，路基寬度由26 m變?yōu)?2 m，對于橋頭高填土沉降較大的路段使用輕質(zhì)泡沫混凝土進行填筑，工程采用本研究的試驗配比進行了局部試驗段的填筑，即用B組配比進行了路床和路堤的局部鋪設(shè)，路基填筑高度為5.7 m，其中路床厚度為1.2 m(含80 cm 7%灰土處治)，新舊路基結(jié)合面處采用臺階開挖處理，拓寬道路邊坡采用放坡加擋墻形式，各主要填筑層如圖5所示。

圖5 路基擴寬填筑示意圖(單位：m)Fig.5 Schematic diagram of subgrade widening and filling (unit: m)

2.2 數(shù)值模擬分析2.2.1 數(shù)值模擬方法

采用Midas GTS NX有限元軟件對路基擴寬施工過程進行模擬分析，以道路中心線為對稱軸取半結(jié)構(gòu)進行模型建立?；炯俣ㄈ缦拢?/p>

(1)路堤足夠長，采用平面應(yīng)變問題進行簡化計算。

(2)舊路基及其下地基固結(jié)沉降已經(jīng)完成，消除初位移后施加初應(yīng)力。

(3)側(cè)面約束水平方向位移，底部約束水平和垂直方向位移，頂面自由。

(4)路面結(jié)構(gòu)、碎石墊層采用線彈性本構(gòu)，余均采用D-P本構(gòu)。

拓寬路基填筑沉降模擬主要包括5部分：(1)舊路基在自重作用下位移清零和應(yīng)力平衡；新舊道路接合面開挖卸載和應(yīng)力平衡。(2)B組泡沫混凝土路堤填筑(分為5層填筑)。(3)上部路床填筑。(4)頂部路面結(jié)構(gòu)鋪設(shè)。(5)營運荷載施加。材料參數(shù)如表6所示。有限元模型網(wǎng)格劃分及相應(yīng)邊界條件如圖6所示。

表6 各結(jié)構(gòu)層的基本參數(shù)Tab.6 Basic parameters of each structural layer

圖6 路基填筑有限元模型網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.6 Griding and boundary conditions of finite element model of roadbed filling

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了解泡沫混凝土填筑方案(方案1)的有效性，同時建立普通填土填筑方案(方案2)模型進行對比，即將B組泡沫混凝土材料用普通填土進行替換計算。限于篇幅，此處僅給出兩種方案路面結(jié)構(gòu)填筑及恢復(fù)營運后兩種工況的沉降分布情況，如圖7～圖8所示，兩種方案在對應(yīng)的工況下沉降變化的趨勢都有一定的類似性，沉降值自路面向下逐漸減少，沉降最大值分布在距離路面頂部一定距離的位置，且沿著新舊接合面向兩側(cè)減小，方案1中沉降過渡相比于方案2更為均勻。選取沉降最大值分布單元對應(yīng)的數(shù)值繪制沉降分布對比曲線如圖9所示。

圖7 B組泡沫混凝土路基填筑沉降分布(方案1)(單位:mm)Fig.7 Distribution of settlements of foamed concrete subgrade in group B (scheme 1)(unit:mm)

圖8 普通填土路基填筑沉降分布(方案2)(單位:mm)Fig.8 Distribution of settlements of ordinary filling subgrade (scheme 2)(unit:mm)

圖9 兩種方案主要工況基底沉降對比Fig.9 Comparison of basement settlements under main working conditions between 2 schemes

根據(jù)圖9曲線，路面鋪設(shè)后，方案2最大沉降值為6.4 cm，方案1最大沉降值為3.1 cm，減小沉降達到51.6%；營運荷載施加后，方案2最大沉降值為8.0 cm，方案1最大沉降值為4.8 cm，減小沉降達到40.0%。由此可見，采用試驗配比泡沫混凝土進行路基填筑可以有效地減小路基沉降。此外，沉降最大值分布在其形心附近底層區(qū)域，由新舊路基結(jié)合面向兩側(cè)逐漸減小，呈現(xiàn)馬鞍形分布，方案2兩種工況下舊路基附加沉降最小值(路基中心處)分別為1.9 cm和4.3 cm，方案1相對應(yīng)的值為1.1 cm 和3.5 cm；路面鋪設(shè)完成后，方案2新舊路面橫坡變化率為0.21%，方案1為0.09%，相比降低了57%；營運荷載施加后，方案2新舊路面橫坡變化率為0.17%，方案1為0.06%，相比降低了65%。同時繪制兩種工況下對應(yīng)的應(yīng)力分布對比曲線，如圖10所示，兩種方案下，路基中心至拓寬處因為有初始應(yīng)力存在，所以基底應(yīng)力值較大，擴寬位置至擋墻段基底應(yīng)力先減小后增加，因上覆荷載呈三角形分布，所以基底應(yīng)力逐漸減小，后由于擋墻約束有應(yīng)力集中現(xiàn)象，故應(yīng)力值出現(xiàn)回彈增加；對比發(fā)現(xiàn)，兩種工況下方案1的應(yīng)力值均比方案2小，最大可以降低基底應(yīng)力30%左右。顯然，方案1可以有效地降低路基沉降值并減小基底應(yīng)力，即試驗配比對于處理路基不均勻沉降問題有較好的適用性。

圖10 兩種方案主要工況基底應(yīng)力對比Fig.10 Comparison of basement stresses under main working conditions between 2 schemes

由于泡沫混凝土較大的彈性模量、較輕的容重和良好的整體性，使其具有類似剛性基礎(chǔ)的作用，較大的剛度使其本身變形較小，且使得應(yīng)力發(fā)生擴散，上覆荷載的減小引起的附加應(yīng)力也減小。采用該種輕型填料，可以較好且有效地處理沉降過大的工程實際問題。

2.3 觀測成果及分析

該工程委托第三方進行了路基沉降觀測，舊路右側(cè)路緣帶(僅單側(cè)設(shè)置)和舊路硬路肩外側(cè)位置各設(shè)置一處觀測點，采用道釘(N2～N4)打入；拼寬路基土路肩范圍內(nèi)設(shè)置一處位置觀測點，采用埋設(shè)沉降板(L1，L5)，布設(shè)形式如圖11所示。

圖11 主線拼寬路段觀測點布置(單位：cm)Fig.11 Layout of observation points of widened sections of main road(unit：cm)

取試驗段監(jiān)測斷面1#～3#測點繪制路基月沉降速率曲線和累計沉降曲線，如圖12所示，擴寬路基上的監(jiān)測點在路基填筑期及路面工期的施工初始階段沉降速率呈稍上升趨勢，后呈逐漸減小趨勢，最后變平緩趨勢，說明路基沉降已處于穩(wěn)定狀態(tài)，前期沉降較大的1#～3#測點監(jiān)測期內(nèi)總的累計沉降量分別為2.2，1.4和1.2 cm。

圖12 填筑期沉降監(jiān)測曲線Fig.12 Settlement monitoring curves during filling period

將前述數(shù)值模擬的路基沉降值與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，數(shù)值模擬填筑期最大沉降值為3.1 cm，對應(yīng)現(xiàn)場實測最大沉降值為2.2 cm，兩者數(shù)值較為接近且實測值小于模擬值；實測橫坡變化率0.05%小于數(shù)值模擬橫坡變化率0.09%；試驗路段采用試驗配比地聚合物基泡沫混凝土后，其沉降結(jié)果滿足設(shè)計要求，可以有效地解決本工程部分沉降過大的問題，具有良好的適用性。

3 結(jié)論

(1)通過在實驗室進行地聚合物部分替代水泥制備輕質(zhì)泡沫混凝土，當(dāng)替代比例為25%時(B組)，其路基用主要指標(biāo)(強度、濕重度、流值)可以滿足高等級公路路基中路床和路堤相應(yīng)要求。

(2)通過數(shù)值模擬對比分析普通填土和試驗配比泡沫混凝土兩種方案進行拓寬路基施工，地聚合物基泡沫混凝土組可以有效減小路基沉降，路面鋪設(shè)完成后沉降可以減小52%，橫坡變化率可以減小57%；營運荷載施加后沉降可以減小40%，橫坡變化率可以減小65%。通過現(xiàn)場實測沉降值和數(shù)值分析結(jié)果對比，實測值小于模擬值，發(fā)現(xiàn)該輕質(zhì)泡沫混凝土可以有效地緩解路基沉降過大的問題，證實地聚合物基泡沫混凝土用于控制高速公路路基沉降的可行性。

(3)本次試驗的地聚合物主要成分為礦渣和粉煤灰，屬于工業(yè)廢料，在滿足路用性能情況下替代部分水泥，可以減小水泥用量，實現(xiàn)固廢利用，節(jié)省工程造價的同時降低碳排放利于環(huán)保，綜合性能優(yōu)越，具有一定的實用價值。