孫敏娟

（承德高等級公路建設管理集團有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

新型泡沫輕質(zhì)混凝土材料的應用對于高速公路工程而言，不僅可有效解決傳統(tǒng)路基拓寬工程中常見的橫向不均勻沉降問題，還避免了路基的縱向開裂。相較于傳統(tǒng)混凝土，新型泡沫輕質(zhì)混凝土自身重量較輕、強度良好，同時具有一定的流動性，在各種條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定特性，外界環(huán)境因素對其產(chǎn)生的影響也較小，故而在建設項目中應用日趨廣泛。

1 高速公路路基病害機理

結合我國高速公路路基現(xiàn)狀分析，除去排水、既有路面結構等因素導致的病害問題外，最常見的路基病害主要表現(xiàn)為橫向不均勻沉降和縱向開裂兩種。

（1）當?shù)鼗斆嬖跈M向上的附加應力分布不均勻時，將引起路基路面橫向不均勻沉降。通常拓寬路基和原有路基之間型芯處周圍的沉降值相對較大，并朝向路基頂部發(fā)展。如果路面底基層所使用的板體質(zhì)量較好，還會導致路基頂部發(fā)生局部脫空現(xiàn)象，繼而改變路面結構的受力特性。差異沉降發(fā)展到路面表面時，表現(xiàn)出典型的縱向條帶狀沉陷。

（2）縱向裂縫問題主要是在地基差異沉降作用下，路基不同位置的受拉程度存在差異，頂部拉應力增幅較大，導致拼接處出現(xiàn)縱向拉縫，并使得拉應力重新分布。受此影響，縱向裂縫的底端穩(wěn)定性降低，而隨著差異沉降不斷增加，導致裂縫不斷縱深發(fā)展。與此同時，路基拼接部位基層底部是拉力相對較為集中的區(qū)域，當路基底部出現(xiàn)裂縫后會導致裂縫快速蔓延，并最終體現(xiàn)到地表，形成路面裂縫。可以說，路基出現(xiàn)縱向裂縫，關鍵問題在于差異沉降難以消除，導致路基穩(wěn)定性不斷削弱，影響道路荷載能力，最終形成路面縱縫。一旦出現(xiàn)縱向裂縫，一方面將降低路面結構協(xié)同受力能力，另一方面在降雨環(huán)境下也很容易導致雨水流入道路內(nèi)部，產(chǎn)生更加嚴重的病害問題。

2 新型泡沫輕質(zhì)混凝土性能分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

為測試新型泡沫輕質(zhì)混凝土的強度，將無側(cè)限抗壓強度作為表征參數(shù)。JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》規(guī)定了新型泡沫輕質(zhì)混凝土材料的無側(cè)限抗壓強度，如表1所示。

表1 材料有關的無側(cè)限抗壓強度參數(shù)

圖1 無側(cè)限抗壓強度隨濕密度的變化曲線

根據(jù)研究，新型泡沫輕質(zhì)混凝土指標無側(cè)限抗壓強度與濕密度之間存在一定函數(shù)關系，試驗結果如圖1所示，隨著濕密度增加，新型泡沫輕質(zhì)混凝土的無側(cè)限抗壓強度也會隨之增加。從某種意義上來說，濕密度增加的過程也就是水泥用量提升的過程。這一過程中，泡沫結構所占比例逐漸降低，氣泡留存空間也逐漸下降，同時孔徑之間平均間距受擠壓而逐漸降低，不同空隙之間的貫通結構也在逐漸減小，最終體現(xiàn)為材料強度的提升。

由圖1可知，新型泡沫輕質(zhì)混凝土的無側(cè)限抗壓強度在濕密度維持在500kg/m3～1000kg/m3范圍內(nèi)時始終高于1MPa，這也是表1要求的數(shù)值，因而實際工程中應當確保新型泡沫輕質(zhì)混凝土實密度大于500kg/m3。

2.2 壓縮特性

新型泡沫輕質(zhì)混凝土的曲線模型可劃分為4個階段，壓縮曲線模型如圖2所示。

圖2 材料的壓縮曲線分布

（1）圖中oa段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土調(diào)整階段，這一階段也是試樣自身缺陷的體現(xiàn)，發(fā)生原因在于澆筑過程中模具表面涂層導致的試樣表面脆弱問題。壓縮實驗過程中，隨著壓縮位移不斷增大，試驗材料內(nèi)部空隙逐漸壓實，應變增加，應力隨之緩慢增加。

（2）圖中ab段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土彈性階段。這一階段中，試樣所受應力隨著應變增加而出現(xiàn)線性增長，試樣承擔所受到的全部外力影響，并表現(xiàn)出顯著的應力變化特征。

（3）圖中bc段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土脆性階段，這一階段中，裂紋在材料結構內(nèi)部逐漸蔓延，且存在新裂縫生成與聚集現(xiàn)象，試樣應力在應變快速增加的同時出現(xiàn)緩慢增長，相較于彈性階段而言，這一階段混凝土的彈性模量有所下降。

（4）圖中cf段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土震蕩屈服階段，cd段和de段稱為新型泡沫輕質(zhì)混凝土點屈服階段。當應力達到一定幅度后，試樣表層的部分孔壁結構被破壞，因而其他孔壁就會出現(xiàn)應力集中問題，壓垮周圍孔壁的同時，會隨著應變進一步增加，應力降幅略有下降。當破碎部分被應變壓實后，應力會隨應變擴大而略微增大，且最大值小于峰值。接著，和已被壓實孔隙之間直接接觸的部位也會重復這一過程，并在曲線中表現(xiàn)為相同循環(huán)。cd段發(fā)生原因是由于斷裂承載力低于試樣應力，造成脆性斷裂，同時隨著應變進一步增加，應力會快速下降，破壞部位的裂縫和軸線之間夾角約在45°。de段發(fā)生原因在于試樣的整體性已經(jīng)受到破壞，試樣斷裂后的幾個部分共同承擔荷載，而隨著壓縮位移的進一步增加，在幾個斷裂部分中生成次縫隙，會加劇試樣材料的破壞，故繼續(xù)增大應變，出現(xiàn)應力加速衰退的變化。

從圖1數(shù)據(jù)來看，新型泡沫輕質(zhì)混凝土在不同濕密度下所處狀態(tài)也不同，濕密度在400kg/m3附近時為震蕩屈服，而點屈服狀態(tài)一般體現(xiàn)為濕密度介于700kg/m3～1000kg/m3。當濕密度繼續(xù)增大時，cd段變化趨勢表現(xiàn)為緩慢增長。

2.3 彈性模量

彈性模量能直觀反映出試樣受到應力和發(fā)生應變之間的關系，是表征新型泡沫輕質(zhì)混凝土力學性能的關鍵指標，能夠以此為基礎對其結構開展數(shù)值化分析。新型泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度在600kg/m3～1000kg/m3之間時彈性模量增長迅速，而濕密度在500kg/m3～600kg/m3時彈性模量增長速度較慢，一旦試樣濕密度大于1000kg/m3時，彈性模量增長速度會再次降低。對于屈服階段，由于新型泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度增加，原本氣孔受到的作用力將轉(zhuǎn)向試樣骨架；若濕密度降低，則試樣孔徑和氣孔含量都會有所增加。

3 新型泡沫輕質(zhì)混凝土應用優(yōu)勢

3.1 卸荷減載

相較常規(guī)混凝土，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)特性，在高速公路路基拓寬工程中能有效降低附加應力。假設路基排水條件相同，則隨著附加應力提升，固結沉降所用時間及超孔隙水壓力消耗所用時間都會快速增加。除此之外，由于能夠降低超孔隙水壓力，故在高速公路路基拓寬工程中采用新型泡沫輕質(zhì)混凝土，能夠有效提高填筑高度，節(jié)省固結沉降耗時，加快施工速度。

3.2 減少對橋臺的干擾

固化施工完成后，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具備自立性，不會對周圍擋墻或橋臺等產(chǎn)生干擾，有利于實現(xiàn)橋臺穩(wěn)定控制。除此之外，新型泡沫輕質(zhì)混凝土相較于常規(guī)土體填料能對側(cè)向結構產(chǎn)生不同的作用效果：常規(guī)土體不具有固化自立性，因而在填筑高度提升過程中會對周圍的側(cè)向結構物產(chǎn)生近似線性的土壓增加影響，這一壓力可通過朗肯或庫倫理論計算。但新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有良好的固化自立性，因而即使提高填筑高度，也不會對側(cè)向結構物產(chǎn)生明顯壓力影響。

3.3 加快進度

在填筑施工過程中，通常會通過控制填料壓密沉降變形來確保填料壓實程度達到預期。相較一般公路工程而言，高速公路工程對于路基沉降的要求更加嚴格，須確保路基填料壓實度充分滿足工程需求。在傳統(tǒng)施工過程中，完成碾壓施工后還須對路基長時間靜置確保路基壓實度，這也導致施工周期相對較長。而應用新型泡沫輕質(zhì)混凝土施工，材料壓密沉降較小、變形模量較高，碾壓后無須長時間靜置，強度形成后即可直接開展下一步施工，能有效加快工程進度。

4 新型泡沫輕質(zhì)混凝土應用于高速公路路基拓寬中的施工工藝

在實際操作中，將新型泡沫輕質(zhì)混凝土應用于高速公路路基拓寬時，采取的施工工藝和常規(guī)施工并無太大差異，具體施工流程展示如圖3所示。

圖3 新型泡沫輕質(zhì)混凝土施工工藝流程

4.1 澆筑施工

（1）相較常規(guī)混凝土，新型泡沫輕質(zhì)混凝土通常具有較多氣泡，如果應用罐車等方式運輸，氣泡消解量較大，會對材料產(chǎn)生明顯的振動影響，導致材料流動性變差，須采用輸送泵運輸材料。為了確保材料穩(wěn)定性，一次性輸送距離應當維持在500m以內(nèi)，否則應設置中繼泵。

（2）澆筑新型泡沫輕質(zhì)混凝土時須控制分層，確保每一層的厚度不高于1m，否則會因自重產(chǎn)生氣泡壓縮乃至消泡問題。

（3）劃分澆筑區(qū)域時，首先應當確保每個澆筑區(qū)域配備的設備與工作量相匹配，避免因澆筑時間過長導致水泥漿初凝時間長于澆筑時間。劃分澆筑區(qū)域時，應當考慮新型泡沫輕質(zhì)混凝土的收縮裂縫、沉降縫位置。澆筑層、澆筑區(qū)和設備產(chǎn)能之間的關系應當滿足A×h＜W×t。其中，A—分區(qū)面積（m2）；h—分層高度（m）；t—混凝土初凝時間（h）；W—新型泡沫輕質(zhì)混凝土設備產(chǎn)量（m3/h）。

（4）由于流動性較好，澆筑新型泡沫輕質(zhì)混凝土時須通過模板或者保護壁等方式分區(qū)處理，同時封堵模板，避免混凝土溢出，模板的強度和穩(wěn)定性應當符合工程需求，避免可能出現(xiàn)的模板變形等問題。

（5）為盡量減少材料離析和消泡問題的發(fā)生概率，通常需要將出料口埋入新型泡沫輕質(zhì)混凝土當中，并在軟管出口前端直接澆筑，如果工程需要溜槽澆筑，還須確保澆筑面和出料口之間的距離在0.5m以內(nèi)。

4.2 養(yǎng)護措施

后期養(yǎng)護效果對于保證新型泡沫輕質(zhì)混凝土的路用性能具有重要影響。

（1）覆蓋澆水養(yǎng)護。新型泡沫輕質(zhì)混凝土澆筑后3h～12h之間，選擇鋸末、草簾等覆蓋工作區(qū)域，同時澆水來保持材料濕潤。

（2）塑料薄膜養(yǎng)護。應用塑料薄膜將材料和空氣之間形成隔離，避免材料水分蒸發(fā)。由于塑料薄膜養(yǎng)護散熱效果較差、無法有效保溫，實際應用中可能會出現(xiàn)溫度裂縫問題，因此當氣候條件較差時，須采取隔熱或防凍措施。

5 結束語

通過實踐應用發(fā)現(xiàn)，新型泡沫輕質(zhì)混凝土相較傳統(tǒng)混凝土而言具有更高的強度性能，同時具有良好的壓實度和底部抗滑穩(wěn)定安全性。但施工時應當盡量減少新型泡沫輕質(zhì)混凝土在空氣中直接暴露的情形，應用在公路工程時還應做好防護與排水措施。