陳 行

(福建七建集團(tuán)有限公司 福建漳州 363000)

0 引言

泡沫輕質(zhì)土也稱為氣泡混合輕質(zhì)土、泡沫水泥輕質(zhì)土、泡沫混凝土，是一種介于土體和普通水泥混凝土之間的一種無機(jī)合成材料。早在1923年，國外就有制備氣泡混合輕質(zhì)土的專利[1]，20世紀(jì)30年代，美國最早將氣泡混合輕質(zhì)土應(yīng)用在工程領(lǐng)域，我國于2002年首次將氣泡混合輕質(zhì)土應(yīng)用于工程實(shí)踐。由于泡沫輕質(zhì)土施工技術(shù)簡單、工期短、造價(jià)低，且可以利用粉煤灰、礦渣、石粉等工業(yè)廢渣作為原材料，環(huán)保節(jié)能，因此近年來泡沫輕質(zhì)土的工程應(yīng)用呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢，但相對(duì)而言，泡沫輕質(zhì)土在國內(nèi)的應(yīng)用還不是非常普遍，技術(shù)也有待完善。基此，本文擬此歸納總結(jié)泡沫輕質(zhì)土工程特性的優(yōu)缺點(diǎn)，分析其在市政路橋工程上適用性，并結(jié)合某一典型工程實(shí)例，闡明泡沫輕質(zhì)土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，并針對(duì)其性能缺點(diǎn)提出相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化措施，供同行參考。

1 泡沫輕質(zhì)土特性

現(xiàn)行泡沫輕質(zhì)土規(guī)程[2]對(duì)泡沫輕質(zhì)土(Foamed Lightweight Soil，簡稱FLS)的定義是：用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成一種輕質(zhì)材料。泡沫輕質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)

由于泡沫輕質(zhì)土是由水泥基膠凝材料凝結(jié)硬化而成，且內(nèi)部具有大量獨(dú)立封閉的膠質(zhì)氣泡，因此具有與傳統(tǒng)填土材料、普通混凝土不同的特性，主要表現(xiàn)在以下各方面。

1.1 泡沫輕質(zhì)土優(yōu)點(diǎn)

(1)輕質(zhì)性

根據(jù)所制備泡沫輕質(zhì)土的氣泡及水泥含量，泡沫輕質(zhì)土的容重可在5～12kN/m3范圍內(nèi)變化[3]。相比于填土路基19～20 kN/m3、普通水泥混凝土23～24 kN/m3，泡沫輕質(zhì)土的自重減少50%～80%。

(2)高流動(dòng)性

由于泡沫輕質(zhì)土不含粗骨料，因此流動(dòng)性較高，其流值一般在160 mm～190 mm，最大可達(dá)200 mm以上[3]，高于普通新拌混凝土，因此泡沫輕質(zhì)土更便于泵送施工，其水平最大輸送距離可達(dá)500 m，最大泵送高度可達(dá)30 m，且具有自流平特點(diǎn)，不需要額外的振搗或碾壓作業(yè)，即可以在狹小空間內(nèi)進(jìn)行澆筑，施工便利。

(3)隔熱性

泡沫輕質(zhì)土是一種多孔結(jié)構(gòu)材料，氣泡含有率可高達(dá)40%～70%，其導(dǎo)熱系數(shù)通常為0.1～0.175 w/m·k，遠(yuǎn)小于填土路基的1.047w/m·k和普通水泥混凝土的1.63～1.74 w/m·k，具有良好的保溫隔熱性能[3]。

(4)強(qiáng)度適中

通過調(diào)整泡沫輕質(zhì)土的配合比，其抗壓強(qiáng)度可在0.3～5 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[4]，目前工程上應(yīng)用的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度一般在0.5～1.5 MPa之間，比普通填土強(qiáng)度高得多，卻比水泥混凝土強(qiáng)度低得多。作為路基填料，適中且可調(diào)節(jié)的強(qiáng)度能很好地滿足工程要求。

(5)耐久性

泡沫輕質(zhì)土中的氣泡，用專門的發(fā)泡設(shè)備，將發(fā)泡劑經(jīng)過一定的稀釋倍數(shù)后形成直徑約為30～300μm的均勻氣泡群，這些氣泡在泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部相互封閉且呈膠質(zhì)，因此具有較好的抗?jié)B性和環(huán)境適應(yīng)性[5]，比傳統(tǒng)填土材料和普通水泥混凝土更適應(yīng)浸水、干濕、凍融以及外部循環(huán)荷載等環(huán)境，在同等環(huán)境條件下具有更好的耐久性。

此外，由于泡沫輕質(zhì)土的固化劑是水泥，因此泡沫輕質(zhì)土與普通水泥混凝土一樣，澆筑后會(huì)逐漸凝結(jié)硬化。通常泡沫輕質(zhì)土在澆筑4h后就會(huì)開始初凝，硬化后便具有良好的自立性，可以進(jìn)行垂直填筑，節(jié)省占地，減少工程量。

1.2 泡沫輕質(zhì)土缺點(diǎn)

由于泡沫輕質(zhì)土不含粗骨料，且水灰比較大(通常在0.6左右)，因此泡沫輕質(zhì)土的干縮性大，其干縮率高達(dá)(15～35)×10-4，而普通水泥混凝土的最大干縮率為(3～5)×10-4，泡沫輕質(zhì)土的干縮率大約是普通水泥混凝土5～7倍以上，極易在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生干縮裂縫[3]。

2 泡沫輕質(zhì)土工程適用性分析

泡沫混凝土，具有輕質(zhì)中強(qiáng)、高流動(dòng)性、良好的保溫隔熱性能和耐久性，以及固化后可垂直自立等優(yōu)點(diǎn)，將它應(yīng)用于以下市政路橋工程，可取得十分良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

2.1 橋臺(tái)背路基填筑

因路橋過渡段沉降差異導(dǎo)致的橋頭跳車病害，一直是路橋工程一個(gè)難題。傳統(tǒng)的處理方法是對(duì)路橋過渡段路基采用樁基或復(fù)合地基來提高地基承載力，并輔以提高回填路堤壓實(shí)度或采用橋頭搭板、柔性橋臺(tái)等措施，但這樣的處理措施，工期長、造價(jià)高，且無法從根本上解決問題[5]。

泡沫輕質(zhì)土為解決該工程問題提供了新途徑。泡沫輕質(zhì)土重量輕，可顯著減少地基的附加應(yīng)力和豎向位移(沉降)和水平位移；泡沫輕質(zhì)土剛度大，自身變形小，經(jīng)采取與填土路基逐步過渡措施后(圖2(a))，可使橋臺(tái)與路基沉降變化均勻緩和，避免了橋頭跳車，并可取消橋頭搭板；固化后的泡沫輕質(zhì)土可自立，不會(huì)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物施加作用力，因此在非軟土地基上可將橋臺(tái)形式優(yōu)化為樁柱式橋臺(tái)(圖2(b))。同時(shí)，由于泡沫輕質(zhì)土自流平、自硬化，無需碾壓和振搗，故能有效解決臺(tái)背回填壓實(shí)難題，提高施工效率，節(jié)約工期，降低工程造價(jià)。

(a)軟土地基

2.2 跨線橋減跨

如圖3(a)所示的上跨式橫過道路的跨線橋，常規(guī)做法需要增設(shè)兩個(gè)邊跨，通過橋臺(tái)及臺(tái)前錐坡與兩端的道路銜接。若利用泡沫輕質(zhì)土特性，采用如圖3(b)所示的處理方式，則可取消兩個(gè)邊跨，極大地減化橋梁結(jié)構(gòu)，大大減少構(gòu)筑物工程量，從而達(dá)到降低造價(jià)、顯著縮短工期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

(a)減跨前形式

2.3 道路加寬

隨著城鄉(xiāng)城際交通流量的不斷增長，許多道路需要進(jìn)行拓寬改造。常規(guī)道路路堤拓寬往往要遇到兩個(gè)問題：

(1)新舊路基的差異沉降。舊路基已基本完成工后沉降，而新填路堤的地基將產(chǎn)生沉降，為消除此差異沉降，需對(duì)新填路堤的地基進(jìn)行處理，而這種處理往往工藝復(fù)雜，耗時(shí)長，造價(jià)不菲。

(2)占地和拆遷問題。由于規(guī)劃原因，有的路段預(yù)留空地不足，常規(guī)拓寬做法需要征地拆遷(圖4(a))，使建設(shè)成本大增，且工期難控。

若將泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于道路路堤拓寬，其輕質(zhì)性特點(diǎn)可大大減小新填路堤地基沉降，新填路堤地基僅需簡單處理即可滿足要求；若為軟基上低填市政路堤，甚至無需進(jìn)行軟基處理；可直接利用固化泡沫輕質(zhì)土的自立性進(jìn)行垂直填筑顯著減少填筑工程量，大大節(jié)省用地，避免減少征地拆遷(圖4(b))。此外，泡沫輕質(zhì)土通過泵送運(yùn)輸，可大大減小填筑現(xiàn)場的施工作業(yè)面，快速、有效解決了城區(qū)狹窄路段施工場地不足的問題。

(a)常規(guī)道路路堤拓寬

2.4 陡峭地段填方路基

在山區(qū)修筑公路時(shí)，難免會(huì)遇到地形陡峭路段，需要進(jìn)行大量的挖填方處理形成路塹路堤。路堤的常規(guī)做法，先修筑重力式擋土墻，然后在墻背填方壓實(shí)。而常規(guī)做法對(duì)擋土墻的設(shè)計(jì)施工要求較高，工程量大，造價(jià)高，工期長，且墻背填方施工壓實(shí)質(zhì)量往往難以嚴(yán)格控制(圖5(a))。若填方路堤采用泡沫輕質(zhì)土填筑(圖5(b))，可完全替代擋土墻和墻背填方，整體性強(qiáng)，質(zhì)量可控；地基基本無需特殊處理即可滿足路基穩(wěn)定性要求，工程量小，施工簡單，造價(jià)低，工期短；可直立填筑，顯著減少陡坡地形條件下的占地和開挖量，有利于對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

(a)重力式擋墻工法

2.5 其他應(yīng)用

泡沫輕質(zhì)土除了適用于上述場合外，其容重輕、施工簡單高效等優(yōu)點(diǎn)，可作為工程搶險(xiǎn)搶修的理想材料，特別適宜于高速公路路基滑坡、道路塌陷等事故的快速搶險(xiǎn)修復(fù)[6]；其高流動(dòng)性、自流平特性，特別適宜于狹小空間的充填。如市政地下管線周邊空隙的回填；其良好的保溫隔熱性能和較好的抗?jié)B性，應(yīng)用于寒冷地區(qū)路基工程，有望解決凍土地區(qū)路基的凍脹翻漿問題。

總之，泡沫輕質(zhì)土作為一種性能優(yōu)良的新型輕質(zhì)材料，具有寬廣的應(yīng)用前景。

3 工程實(shí)例

3.1 工程簡況

福建某高速公路互通A、B、C 3條匝道路堤工程，原設(shè)計(jì)為土料填方路堤，其中A、B兩條匝道中心最大填高，分別為37 m、32 m，分4階填筑，坡率自上而下為1∶1.5、 1∶1.75、 1∶2.0、 1∶2.0，坡面采用拱形骨架防護(hù)。當(dāng)填方路堤施工至距離路床頂面約2.0 m時(shí)，雨季來臨，受持續(xù)下雨影響，坡體逐漸飽和，殘積土地基軟化，抗剪強(qiáng)度降低，坡體出現(xiàn)多處失穩(wěn)性的張拉裂縫及斜向裂縫，坡腳排水溝有多處擠壓變形跡象，坡腳前緣山包發(fā)現(xiàn)多處下錯(cuò)、膨脹及裂縫，并呈繼續(xù)發(fā)展趨勢[7]。

3.2 治理方案

首先采取挖除卸載應(yīng)急措施，然后制定了泡沫輕質(zhì)土、抗滑樁、匝道橋、樁板4個(gè)治理設(shè)計(jì)方案供比選。經(jīng)初步設(shè)計(jì)分析及概算，4個(gè)方案的主要工程量、造價(jià)、工期對(duì)比情況見表1[7]。

表1 治理方案比較

表1數(shù)據(jù)顯示，泡沫輕質(zhì)土方案工程造價(jià)最低、施工工期最短，且現(xiàn)場澆筑，施工技術(shù)簡單，質(zhì)量可控性強(qiáng)，但需挖除約10萬m3土方量；其他3個(gè)方案的工程造價(jià)和施工工期均高于泡沫輕質(zhì)土方案，且施工均需要較大型施工設(shè)備和鋼筋加工廠，對(duì)場地要求高，且樁基成孔施工不確定性大，工程風(fēng)險(xiǎn)可控性較差。兩相對(duì)比最終選用泡沫輕質(zhì)土治理方案。

3.3 技術(shù)措施

針對(duì)泡沫輕質(zhì)土干縮性大、易開裂的缺點(diǎn)，結(jié)合該工程實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)和施工上采取了以下若干技術(shù)措施[8-9]。

(1)為避免泡沫輕質(zhì)土直接與大氣接觸，先用C30鋼筋混凝土澆筑一個(gè)U形槽，其底板厚30 cm，側(cè)板厚20 cm，該U形槽側(cè)板同時(shí)作為泡沫輕質(zhì)土垂直澆筑的擋板。

(2)在泡沫輕質(zhì)土頂面鋪設(shè)一層防滲土工膜，以隔絕滲透水的侵蝕，確保耐久性。

(3)按分層、分塊方式進(jìn)行澆筑，分層澆筑厚度0.5～1.0 m，以控制泡沫輕質(zhì)土漿料對(duì)擋板的側(cè)壓力；擋板和填筑體每隔15 m左右設(shè)置一道沉降縫，以適應(yīng)地基變形。

(4)底部及路面底基層底面以下50 cm，以及每一階頂部及其上0.5 m鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為φ8@10 cm×10 cm，以增強(qiáng)整體性和強(qiáng)度。

(5)施工過程要求做到定機(jī)、定人、定崗、定責(zé)，保證設(shè)備狀態(tài)良好，確保配合比準(zhǔn)確；每日按規(guī)定頻率對(duì)泡沫輕質(zhì)土的濕容重、流動(dòng)值、氣泡密度等進(jìn)行抽檢，確保其偏差值在允許值范圍。同時(shí)，制作同期養(yǎng)護(hù)試塊，進(jìn)行7d、 28d齡期抗壓強(qiáng)度檢測，作為工程質(zhì)量驗(yàn)收依據(jù)之一。

經(jīng)工程實(shí)施及運(yùn)營證明，該工程采用泡沫輕質(zhì)土治理方案取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)語

泡沫輕質(zhì)土具有多項(xiàng)優(yōu)良的性能，作為一種換填材料，應(yīng)用于市政路橋工程中的橋臺(tái)背路基填筑、道路加寬、陡峭地段填方路基、跨線橋減跨以及路基滑坡、道路塌陷等事故的快速搶險(xiǎn)修復(fù)等，可取得十分良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但是，泡沫輕質(zhì)土具有干縮性大的性能缺點(diǎn)，在工程應(yīng)用時(shí)必須結(jié)合實(shí)際情況采取相應(yīng)的技術(shù)措施，才能揚(yáng)長避短，保證工程質(zhì)量。