公路工程建设会产生大量废弃土，若堆放、投弃会对土地资源、自然环境造成浪费和污染^[1]。泡沫轻质土作为多孔材料，其自身具有轻质高强、直立填注、材料自流平、施工便捷高效等优点^[2-3]。路基工程常用湿密度为700~800 kg/m³的泡沫轻质土，湿密度是常规填土荷载的1/3，换填后从根本上解决了新旧路基沉降不均、软基沉降侧移等问题，提高路基稳定性，增加路用寿命^[4]。目前国内外学者从工程废弃土资源化和降低泡沫轻质土造价的角度出发，开展了大量研究。Ou等 ^[5]开发赤泥-铝土尾矿泥泡沫轻质土，其湿密度和流值随着赤泥掺量的增加而增加。Tai等^[6]采用田口方法，发现水泥用量对泡沫轻质土抗压强度影响最大，其次是全风化花岗岩用量、水固比。于君彦^[7]验证赤泥代替部分水泥制备泡沫轻质土的可行性。薛国毛等^[8]使用磨细石灰石粉代替粉煤灰制备泡沫轻质土，提升泡沫轻质土的早期强度。

本研究结合天津滨海机场三期改扩建土基处治项目，开展以粉质黏土为原材料的泡沫轻质土研究，分析粉质黏土掺量和泡沫掺量对其基本施工性能的影响。通过扫描电镜对比分析粉质黏土和泡沫掺量对泡沫轻质土微观结构的影响，科学解释微观结构与宏观力学性能的关系。

水泥：普通硅酸盐水泥，P·O强度等级为42.5。水泥参数指标见表 1。

发泡剂：浓缩型高效水泥发泡剂，属于复合类发泡剂。试验时以40倍稀释制备发泡液，采用智能型发泡机发泡，泡沫致密均匀。

原料土：天津滨海机场三期改扩建工程挖弃土，属低塑限粉质黏土，有层理，局部夹淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、粉土。室内试验对原料土进行预处理, 室外晾晒、烘干，粉碎机磨细，过1 mm筛孔筛分。

室内试验以M_原料土/ (M_原料土+M_水泥)=0%，25%，33%，40%，50%这5种配合比分别制备湿密度为700 kg/m³ (A1~A5)和800 kg/m³ (B1~B5)的泡沫轻质土，水固比为0.75。定义泡固比为M_泡沫/ (M_原料土+M_水泥)，以33%粉质黏土掺量为例，改变泡沫掺量，共8种配比，即泡固比(C1~C8)为1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%。具体配合比见表 2。选取部分配合比，分析不同粉质黏土掺量(A1，A3，A5)和不同泡沫掺量(C2，C4，C6)泡沫轻质土的微观特征。

将水泥、原料土、水按设计试验配合比称量，称量好的原材料均匀混合后，经单轴卧式搅拌机搅拌，先加水再加料。首先搅拌3 min，然后清理搅拌机内壁的块状土，再搅拌3 min，保证水泥土浆液无块状土。将稀释倍率为40的发泡液通过智能型发泡机生成泡沫，称取泡沫，将泡沫倒入搅拌机，搅拌时间为2 min。将拌和好的试样进行湿密度、流动度试验，然后将剩余的泡沫轻质土拌和物倒入100 mm×100 mm×100 mm的标准试模中。拌和物略高于试模，辅以人工振捣，最后用保鲜膜覆盖。48 h浇注成型后进行拆模，用平口刀沿模具上表面将试样刮平，通过空气压缩机脱模，在(20±2) ℃条件下密封养护28 d。最后泡沫轻质土试件达到试验龄期后进行抗压强度试验。

泡沫轻质土的性能测试参考《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(CJJ/T 177—2012)。

(1) 流值：泡沫轻质土流值测试方法采用圆筒法，类似于混凝土塌落度测试。流值规定范围宜为160~200 mm。将制备好的泡沫轻质土拌和物轻轻倒进圆筒充满、刮平，轻轻提起圆筒，静等1 min后，用游标卡尺测量试样的最大直径，取3次试验结果的算术平均值。

(2) 抗压强度：采用微机电液伺服压力试验机，对到达龄期的试块进行测试，取3次算术平均值作为最终结果。

(3) 微观试验：根据配合比成型后密封养生28 d，将泡沫轻质土试样在干燥箱中烘干至恒重，取中间部位试样，长度、高度不超1 cm，将试样放入扫描电镜中进行抽真空和表面喷金。

根据表 2中试验配比，对2种密度等级的泡沫轻质土流值进行试验，试验结果见图 1。

图 1 原料土掺量对泡沫轻质土流值的影响 Fig. 1 Influence of raw soil content on flow value of foamed lightweight soil

图选项

水固比为0.75时，粉质黏土掺量、初始湿密度对泡沫轻质土的流值影响较大。同一密度等级下，泡沫轻质土的流值随原料土掺量增大而逐渐减小。土掺量相同时，流值随着密度等级的增大而增大。在湿密度为700 kg/m³(D700)的轻质土中，土掺量在25%~50%时，流值从196 mm减至163 mm，整体施工流动性良好。在湿密度为800 kg/m³(D800)轻质土中，土掺量由0%增至50%时，流值从220 mm减至173 mm，减少了55 mm，降幅为25%。在50%粉质黏土掺量下，湿密度为700 kg/m³和800 kg/m³轻质土的流值分别达到163 mm和173 mm，可见粉质黏土作为泡沫轻质土原材料有较好的流动性。这是因为泡沫轻质土拌和物搅拌时，粉质黏土颗粒增多使得自身需吸附大量自由水分才能湿润溶解，湿润下的粉质黏土有较强的黏附力，产生高黏度的泥浆，自由水分的减少使得拌和物逐渐黏稠，工作性能变差，最终导致了流值的降低。在相同土掺量下，初始湿密度的大小主要由泡沫掺量决定，泡沫自身结构和液膜黏性会阻碍拌和物流动，泡沫越少，但流动性越好越会影响轻质性。拌和物的流动受重力驱动，湿密度越小所受重力减小，所以相同土掺量下低密度泡沫轻质土的流值显著降低。

水固比为0.75时，A1和B1的流值均超过200 mm，有泌水现象，因此未掺粉质黏土的泡沫轻质土水固比应按规程中要求的标准配合比取0.55~0.65^[9]。

湿密度为700 kg/m³和800 kg/m³的轻质土密度下，原料土掺量和养护龄期对泡沫轻质土抗压强度的影响如图 2所示。

图 2 原料土掺量和养护龄期对泡沫轻质土强度的影响 Fig. 2 Influences of raw soil content and curing time on strength of foamed lightweight soil

图选项

由图 2可见，在湿密度为700 kg/m³轻质土中，土掺量由0%增至33%，28 d抗压强度由3.195 MPa下降至1.814 MPa，损失43.22%，增至50%土掺量时，强度损失64%。在湿密度为800 kg/m³轻质土中，土掺量由0%增至33%，强度损失47.82%，增至50%时，强度共减少2.76 MPa，降幅为66%。泡沫轻质土强度损失率与原料土掺量呈线性关系，原料土掺量越大，强度损失率越大。这是因为粉质黏土掺量增加意味着水泥比例减少，而水泥水化产物与土颗粒形成的骨架结构是强度的主要提供者^[10]。粉质黏土自身的吸水性会对水泥水化反应造成一定的影响，掺量越大影响越大，形成的泥浆也会阻碍水化产物形成骨架，间接导致了泡沫轻质土强度的降低。以粉质黏土为原材料，泡沫轻质土微观结构会受到影响^[11]。

泡沫轻质土抗压强度随着养护时间的增加呈逐渐上升趋势。养护龄期从28 d增至56 d和90 d时，强度在0.1~0.3 MPa范围内增加。在湿密度为700 kg/m³轻质土中，不同土掺量下7 d抗压强度分别占28 d抗压强度的55%，61%，57%，64%，62%，平均值为60%。这说明粉质黏土的加入并不会较大程度影响水泥的水化，水泥掺量比例是泡沫轻质土强度的主要来源^[12]。

粉质黏土掺量为33%、水固比为0.75时，改变泡沫掺量大小对泡沫轻质土湿密度、流值、抗压强度的影响如图 3所示。

图 3 泡沫掺量对泡沫轻质土湿密度、流值、抗压强度的影响 Fig. 3 Influence of foam content on wet density, flow value, and compressive strength of foamed lightweight soil

图选项

由图 3(a)可见，泡沫轻质土拌和物湿密度随着泡沫掺量的增加呈下降趋势，泡固比由1%增至8%，湿密度由1 390 kg/m³降至500 kg/m³，降幅为64%。一方面，泡沫轻质土中泡沫掺量量均匀增加，替代超30倍余的粗集料，气相增多，固相颗粒减少，因此泡沫轻质土密度远小于水泥混凝土的密度，更是普通填土质量的1/3^[13]。另一方面，在胶凝材料用量相同时，泡沫用量的增加使得内部孔隙率增大，湿密度逐渐降低^[14]。

由图 3(b)可见，泡沫轻质土流值随泡固比的增大而减小，泡固比4%~6%范围内施工流动性良好，在160~200 mm之间。泡沫由表面活性剂溶液形成，是液体中均匀分散的气体存在，有着较高的表面黏度，即黏滞性较高。且泡沫接触面积大，提高了湿润粉质黏土颗粒的速度，增加了泡沫与土颗粒的黏附效果，一定程度上阻断了泡沫轻质土内部泌水通道，所以大量泡沫的加入减弱了泡沫轻质土流动性^[15]。

图 3(c)中，泡沫轻质土的抗压强度随着泡沫掺量的增加而逐渐减小。主要原因是由于在泡沫轻质土强度发展过程中，内部孔隙率随着泡沫含量的增大而增大，单位体积内的水化胶凝材料减少，引起泡沫轻质土内部整体密实度不够，所以抗压强度显著下降。而孔隙率提高，泡沫轻质土试件的承压面积变小，也使得抗压强度降低。当泡固比小于6%时，湿密度等级处于500 kg/m³时，泡沫轻质土抗压强度明显过低，不利于工程应用。建议施工中路基路床部位配合比选定设计为粉质黏土掺量33%，水固比0.75，泡沫掺量4%~6%，泡沫轻质土试块28 d抗压强度范围在1.208~2.185 MPa之间，流值范围为167~197 mm之间，湿密度范围在630~820 kg/m³之间，满足工程要求的力学性能和流动性。

粉质黏土掺量和泡沫掺量的增大对泡沫轻质土抗压强度有着不同程度的降低，必然对其内部微观结构有影响(见图 4)。选择粉质黏土掺量0%，33%，50%和泡沫掺量2%，4%，6%进行微观试验。

图 4 不同粉质黏土掺量和泡沫掺量时泡沫轻质土SEM照片 Fig. 4 SEM photos of foamed lightweight soil with different silty clay contents and foam contents

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由图 4可以看出，泡沫轻质土整体呈现类似于蜂窝状的主体结构，且大多数气孔与气孔之间由土颗粒、矿物质、水化产物嵌合形成的总体骨架结构连接，最终构成泡沫轻质土的主体结构。随着粉质黏土掺量增大和泡沫含量的增大，对内部气孔-孔壁结构影响显著，包裹气孔的孔壁影响着泡沫轻质土抗压强度^[16]。

在A1中，气孔形状基本为完整独立的球形，孔壁较厚，相较于A3和A5，气孔之间的间距比较均匀，单位体积内的固相颗粒较大，整体骨架密实，宏观上表现为抗压强度最大，高达4.178 MPa，比A5高出2.76 MPa。随着原料土掺量增加，连通气孔和聚合气孔增多，气孔形状不规则，分布不均匀^[17]。A5中部分气孔因串泡并泡现象破碎，粉质黏土形成的泥浆包裹水化产物与土颗粒形成的骨架结构较疏松，抗压强度明细降低。

在C2，C4，C6中，明显看出泡沫掺量的增加伴随着湿密度降低，泡沫轻质土内部气孔逐渐增多，气孔孔径的差异逐渐变大，气孔也无规律地分布^[18]。C2具有较为良好完整的孔壁结构，相同体积下形成胶凝材料总体积越大，抗压强度相对较高^[5]，约是C6的3倍。在C6中，泡沫掺量最大，气孔数量最多且集中，孔壁逐渐变薄，水化产物最少，泡沫轻质土整体结构疏松，其力学性能也就有所降低。

通过粉质黏土和泡沫作用机理分析，泡沫轻质土抗压强度受粉质黏土掺量和泡沫掺量的影响显著。从微观角度解释，粉质黏土掺量的增加意味着胶凝材料的减少，粉质黏土使得拌和物内部摩擦力增大，对气孔损坏程度增大。泡沫轻质土中粉质黏土掺量越大或泡沫掺量越大，其内部结构孔隙率增大、孔壁变薄、气孔无规则分布，有害孔洞增多，宏观上则表现为抗压强度的降低，直接影响泡沫轻质土的耐久性。

通过室内试验和扫描电镜相结合，对泡沫轻质土的宏观性能和微观结构的联系进行了分析，得出结论如下。

(1) 水固比相同时，泡沫轻质土的流值随粉质黏土掺量的增加而减小。相同土掺量下，流值随初始湿密度的增大而增大。合理控制粉质黏土掺量和初始湿密度的大小以便施工具有良好的流动性和稳定性。

(2) 泡沫轻质土的抗压强度随着粉质黏土掺量的增加而减小，随着湿密度的增大而增加，随养护时间的增加而上升，后期增长速度缓慢。

(3) 当粉质黏土掺量为33%、水固比为0.75时，湿密度为700 kg/m³和800 kg/m³轻质土的7 d抗压强度均超过1 MPa，满足路基路床部位施工要求。

(4) 粉质黏土掺量为33%时，泡沫轻质土拌和物的湿密度随泡固比的增加呈下降趋势。流值、抗压强度随泡固比的增大而减小，与内部孔隙率和泡沫自身黏滞性有着密切关联。

(5) 微观机理解释宏观性能。粉质黏土掺量和泡沫掺量的增大对泡沫的孔径、孔壁和气孔形状等造成不良影响，造成孔径变大、孔壁变薄、气孔破坏、串孔连孔等，造成泡沫轻质土强度降低。完整密实的气孔-孔壁结构是提高泡沫轻质土强度的关键。