一种利用温差制备气泡混合轻质土试样的方法与流程

本发明涉及一种气泡混合轻质土试样的制备方法，具体涉及一种利用温差制备气泡混合轻质土试样的方法，属于土木工程领域。

背景技术：

目前工业和民用建筑、水利、交通各类工程的地基土及填筑土料的基本工程性质试验，大多参考gb/t50123-1999《土工试验方法标准》。随着我国经济的快速发展，公路、铁路、桥梁等基础设施项目越来越多，规模也越来越大。但随着工程建设项目的不断增多，遇到的岩土工程问题也越来越多，尤其是在广泛分布着深厚软粘土层的我国东部及沿海地区，经常由于地基承载力低、变形大导致桥头跳车以及公路、铁路和机场跑道沉降量过大等问题；此外，在边坡回填土方工程中，若回填土的重度过大、强度过低，则极易产生塌方。

气泡混合轻质土是由固化剂、原料土、水、气泡等按照一定比例混合搅拌而成的轻型土工材料，强度和重度均可按工程需要进行自由调整，且有良好的流动性和自立性，能够很好的解决上述工程问题。但是气泡混合轻质土试样制备过程中由于气泡消泡导致试样塌陷的问题，造成试样不完整和试样密度发生变化，导致平行土样之间的无侧限抗压强度、渗透系数、吸水性等的测试数据离散性很大而无法采用和进行比较。

技术实现要素：

发明目的：针对现有气泡混合轻质土试样制备过程中气泡消泡导致试样塌陷、影响试样性能的问题，本发明提供一种利用温差制备气泡混合轻质土试样的方法，该方法可以获得较为平整、密度稳定的气泡轻质土试样。

技术方案：本发明所述的一种利用温差制备气泡混合轻质土试样的方法，包括下述步骤：

(1)称取固化剂、土、水和气泡，混匀后于室温条件下浇注于模具中，将新浇注的试样顶面抹平，模具顶面不封盖，置于养护箱中养护16～40h后脱模，重复制备多组试样，各组试样的养护温度不同、形成温度梯度；

(2)测试每组试样高度，并记录每组试样的养护温度与室内温度之间的温差，建立试样高度和温差的关系曲线，拟合曲线方程，以试样标准高度为基准值，代入拟合方程，计算最适宜温差和最适宜温度，其中最适宜温度是最适宜温差与室内温度之和；

(3)重复步骤(1)制备试样，将养护温度设置为最适宜温度，即可制备出平整的气泡混合轻质土试样。

制备试样的原料中，固化剂可以是水泥、石灰等，土可以是砂土、黏土等。

具体的，步骤(1)中，将固化剂、土、水和气泡分步混匀：先称量固化剂和土，混合搅拌均匀，然后向其中加水、搅拌均匀、得到浆料，最后称取定量体积的气泡，加入浆料中、混合均匀。

其中，气泡由泡沫发生器发泡制得，可按体积比称取稳泡剂、发泡剂和水，搅拌均匀后倒入泡沫发生器中，打开空压机，当压强达到200～400kpa时开始发泡。

步骤(1)中，要控制好搅拌的时间，需要考虑气泡的消泡情况，既不可过短也不能太长。优选的，原料混匀浇注的时机可通过下述方式确定：在原料混匀的过程中，测试新拌气泡混合轻质土的流动度，满足气泡混合轻质土填筑工程技术规程要求的最大水平直径180mm±20mm时，即可浇注于模具。

较优的，步骤(1)中试样养护温度控制在0～40℃，各组试样之间的养护温度差优选为5～8℃。

发明原理：本发明采用温差法制备气泡混合轻质土试样，利用气体膨胀系数大的固有物理特性，通过恒温恒湿标准养护箱调控试样制备的温差条件，使气泡体积膨胀刚好抵消气泡消泡效应造成的试样塌陷，从而获得了较为平整、密度稳定的气泡轻质土试样。

之所以存在最适宜温度，其原因在于气泡混合轻质土在骨架形成前是一个受横向约束的非闭合三相流动体系，养护箱内部是一个恒温恒湿的封闭体系，当气泡轻质土放入养护箱中后，两个原先热平衡的体系发生热传递，直至两者达到热动平衡。从微观角度分析，由三相体物理特性可知气体分子间距大，分子间作用力相比另两相小，受温度和压强变化显著即气体胀缩系数高，所以受横向约束的非闭合三相体系的胀缩则体现在试样竖向高度的变化之中，即试样顶面既有塌陷，也有鼓胀，那么必然存在一个最适宜的温差和温度，使得试样顶面平整。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的温差法制备气泡混合轻质土有别于传统土工试样制备方法的击实和振捣等直接接触土样的方式，温差法是一种间接方式制备试样的方法，摒弃了直接接触土样对其造成的扰动，制得的气泡混合轻质土试样较为平整、且密度稳定，避免了试样不平整对试验的影响，减小了试样的无侧限抗压强度、渗透系数、吸水性等试验误差；(2)本发明的方法具有普适性，适用于不同的环境温度条件，不同密度的气泡混合轻质土的配合比设计，都可以对应寻找到最适宜温差使得制出试样平整；(3)本发明的方法进一步对工程施工提供了指导意义，从天气温度变化对施工时间的选取提供借鉴作用。

附图说明

图1为实施例中采用温差法制备出的试样高度对比图；

图2为不同温差条件下试样制备平整性对比图；

图3为密度0.6g/cm³试样高度随温差变化拟合曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种利用温差制备气泡混合轻质土试样的方法，制备出的气泡混合轻质土试样平整，特别适合于低密度的气泡混合轻质土试样的制备。

其主要采用温差法，利用试样的室内制备温度与养护温度之间的温差达到试样平整的目的。具体而言，通过恒温恒湿标准养护箱调控试样制备的温差条件，试样在温差条件下表现出凹陷、平整或凸起；当调控温差为一定值时，使得气泡体积膨胀刚好抵消气泡消泡效应造成的试样塌陷，从而获得较为平整、密度稳定的气泡轻质土试样。

具体而言，本发明的一种利用温差制备气泡混合轻质土试样的方法主要包括两大部分。

第一部分是试样的制备，其中原料搅拌混合以及浇筑过程处于室内温度条件下进行，而试样初凝过程则置于标准养护箱中进行。

具体步骤如下：

①准确称量固化剂和土，将固化剂和土混合搅拌均匀；

②往固体物料中加入水进行搅拌，直至搅拌均匀；

③将稳泡剂、发泡剂和水按一定的体积比取量，搅拌均匀并倒入泡沫发生器中，打开空压机，当压强达到200～400kpa时开始发泡；

④用量杯取定量体积气泡，与浆体混合搅拌均匀，该过程需要控制好搅拌的时间，需要考虑气泡的消泡情况，既不可过短也不能太长；

⑤测试新拌气泡混合轻质土的流动度，满足气泡混合轻质土填筑工程技术规程

(cjj/t177-2012)要求的最大水平直径180mm±20mm即可浇注于模具；

⑥将新拌气泡混合轻质土浇注于模具中，用铁铲轻敲几下模具并抹平试样顶面；模具一般选取有机玻璃三瓣模具，模具顶部不封盖；

⑦立即将试样放入标准养护箱中养护16h～40h；其中每进行一组试样，养护箱设置不同的温度，养护温度设置一定的梯度，例如依次设置成5℃、10℃、20℃、25℃、30℃、40℃；

⑧试样脱模，并测量试样高度。

第二部分是建立试样高度和温差(每组试样的养护温度与室内温度之差)的关系曲线，拟合曲线方程，以试样标准高度为基准值，代入拟合方程，计算出最适宜温差和最适应温度，其中最适宜温度是最适宜温差与室内温度的两者之和。

经过第二部分的理论计算结果，然后再重复第一部分试样制备步骤，只需将第⑦步中的养护温度设置为最适宜温度，即可制备出平整的气泡混合轻质土试样。

不同密度以及不同的室内温度条件下的气泡混合轻质土试样制备，都可以采用上述方法找寻最适宜温差和温度即利用温差法制备出平整的气泡混合轻质土试样。

下面以实验室内温度为13℃±2℃，制备内径50mm，高100mm的0.6g/m³密度的气泡混合轻质土试样为例，对本发明的制备方法进行详细说明。

1.原料及组成：水泥、砂土、水和气泡，其中，砂土与水泥的质量比为1:4；水灰比为0.5；砂土粒径范围在0.3mm～0.6mm之间，颗粒比重2.68。

2.以内径50mm，高100mm的有机玻璃三瓣模具浇注试样，模具底部承接边长为10mm，厚度为5mm的有机玻璃平板：根据试样模具的尺寸确定试样的标准体积约为196cm³，所以制备一个密度为0.6g/cm³的气泡混合轻质土试样，试样质量约为120g。经大量试验发现经过28天养护后试样的含水率可以提高10％～15％，据此判断，在试样脱模后的质量达到105～110g即可。一组试验采用三个平行试样，实际搅拌按4个平行试样的配合比用量，其中水泥为373g、砂土为93g、水为187g、气泡800ml。

3.将上述砂土和水泥按量称出，两者先混合均匀，再加入定量水，然后将水泥砂浆搅拌均匀；接着将稳泡剂、发泡剂和水按体积比1:3:90取量，搅拌均匀并倒入泡沫发生器中，打开空压机，当压强达到300kpa时开始发泡，借助量杯取800ml体积的气泡，与水泥砂浆充分混合均匀。在加入气泡搅拌时，控制时间为2min，一方面是由于每组试样数少，需搅拌混合的料少，2min足够搅拌均匀；另一方面是搅拌混合时间不宜过长，因为气泡在空气中随时间推移存在消泡且机械搅拌会加速气泡消泡。

4.整个搅拌过程是在室内温度条件下进行，注意记录搅拌过程期间的室内温度。

5.测试新拌气泡混合轻质土的流动性，将新拌混合物装入内径80mm、净高80mm，内壁光滑的有机玻璃材质的空心圆筒，底部承接的是边长400mm×400mm的光滑有机玻璃平板，装入模具后抹平试样顶面，慢慢将空心圆筒垂直向上提起，并使试样自然坍落静置1min，满足最大水平直径为180mm±20mm，即可装入模具中。

6.将装入模具的新拌气泡混合轻质土，不需击实和振捣，用铁铲轻敲几下模具并抹平试样顶面，立即放入标准养护箱中16h～40h，其中养护箱温度提前设定至不同的预定温度(5℃、10℃、20℃、25℃、30℃、40℃)，与实验室内温度形成不同的温差(-8℃、-3℃、7℃、12℃、17℃、27℃)。待试样骨架形成一定强度后脱模，脱模后的试样形状如图1，观察发现，试样顶面出现塌陷、平整和鼓胀现象，如图2；用游标卡尺测量试样高度。

7.通过绘制试样高度与温差关系曲线，并拟合相关方程。从试验结果可知，0.6g/cm³密度试样高度与温差呈线性关系，如图3，再由试样的标准高度100mm代入拟合的线性方程中，可以计算出一个最适宜温差为5.7℃(即图3中实线与虚线交点的横坐标值)。最适宜温度等于室内温度+最适宜温差，从而得到制备试样所需的最适宜温度为18.7℃±2℃，将养护箱设置为最适宜温度，即可大批量制备出平整的气泡混合轻质土试样。

本方法应用在制备气泡混合轻质土，只需改变适当的温差，就可以制备出较为平整的气泡混合轻质土试样，避免了将试样放置于实验室内制备出现的塌陷问题，对制备出的试样进行无侧限抗压强度、渗透系数、吸水性等的测试，数据均匀性良好，可见温差法可以很好地应用于气泡混合轻质土试样的制备。该方法具有强的实用价值，使土工试验成果为工程设计和施工提供准确可靠的土性指标奠定了基础。