氣泡混合輕質(zhì)土的應(yīng)用技術(shù)

王志斌

（河北路橋集團(tuán)第一工程有限公司，河北 邢臺(tái)054001）

0 引言

氣泡混合輕質(zhì)土（簡(jiǎn)稱“輕質(zhì)土”或FCB，下同）是土建工程領(lǐng)域中近年開(kāi)發(fā)的一種新型輕質(zhì)填土材料，它是在原料土中按照一定比例添加固化劑、水和氣泡，經(jīng)充分混合攪拌后形成。其主要特點(diǎn)是低容重、隔熱保溫、固化后可自立、施工時(shí)具可流動(dòng)性。輕質(zhì)土在軟基處理、道路加寬、橋臺(tái)臺(tái)背填土以及解決道路凍脹翻漿等方面具有獨(dú)特的作用。

在明確輕質(zhì)土路用特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合公路工程的要求，充分發(fā)揮輕質(zhì)土輕質(zhì)、直立、隔熱保溫的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于軟基處理、凍土保護(hù)、凍脹翻漿防治、橋臺(tái)臺(tái)背填筑等，可提高公路的建設(shè)質(zhì)量與服務(wù)使用水平，降低養(yǎng)護(hù)成本。

1 土的凍脹與熱傳導(dǎo)理論

土的凍脹與土的壓實(shí)度、含水量、顆粒組成、溫度、濕度梯度等密切相關(guān)。土體凍脹的水分遷移機(jī)制主要有：（1）毛細(xì)水上升；（2）薄膜理論；（3）真空抽吸機(jī)理；（4）離子交換等。

1.1 地面溫度

地面溫度波動(dòng)的周期性可近似表示為：

式中：T0為地面溫度（°C）；A0為溫度波動(dòng)的振幅（°C）；t為時(shí)間（h）；T為溫度波動(dòng)周期（h），日波T=24h，年波T=8760h；φ為初相角。

1.2 土體溫度

不同時(shí)刻不同位置上土體的平面熱傳導(dǎo)問(wèn)題的定解方程如下，通過(guò)單元的離散化后推導(dǎo)熱傳導(dǎo)方程的有限元形式：

2 氣泡混合輕質(zhì)土的材料特性

2.1 試驗(yàn)試件配合比（見(jiàn)表1）

表1 試驗(yàn)試件配合比

2.2 物理力學(xué)特性

輕質(zhì)土一次澆筑1m 高時(shí)試件下部的容重比上部約大10%；輕質(zhì)土浸水后容重最大增加約25%；輕質(zhì)土的滲透系數(shù)為10-5cm/s量級(jí)，導(dǎo)熱系數(shù)約為0.20（W/m·k），澆筑后內(nèi)部溫度最高上升到近80℃。

輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著氣泡含有率的增加而逐漸降低；采用高爐礦渣水泥比采用普通硅酸鹽水泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高；配合比為E，水泥標(biāo)號(hào)為32.5R、42.5R、52.5R 時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 分 別 為1.33MPa、1.46MPa、1.51MPa；10℃、20℃兩種養(yǎng)生溫度的28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.89MPa 和1.53MPa； E 配比試件養(yǎng)生28d 的回彈模量為289MPa；輕質(zhì)土的抗折強(qiáng)度較低；輕質(zhì)土的CBR強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

A～D 配合比無(wú)側(cè)限壓縮破壞表現(xiàn)為脆性破壞，在破壞前，應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)出較好的線彈性，彈性模量與抗壓強(qiáng)度具較好的線性關(guān)系；輕質(zhì)土在循環(huán)荷載與干濕循環(huán)環(huán)境下具有良好的耐久性；輕質(zhì)土有較好的抗凍融性能；輕質(zhì)土的干燥收縮率是普通混凝土的4～6倍。

3 氣泡混合輕質(zhì)土在凍土地基保護(hù)中的應(yīng)用

我國(guó)多年凍土占全國(guó)面積的21.5%，主要分布于大興安嶺和青藏高原。凍土地區(qū)常見(jiàn)的道路破壞現(xiàn)象有：融沉、凍脹、翻漿、冰丘、冰錐、涎流冰等。

3.1 輕質(zhì)土的保溫效果理論分析

地基溫度場(chǎng)分布與輕質(zhì)土的厚度、氣候條件、路基高度、路基寬度、輕質(zhì)土的導(dǎo)熱系數(shù)、路基土的導(dǎo)熱系數(shù)等多種因素相關(guān)。地基溫度場(chǎng)分布數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。通過(guò)大量的數(shù)值計(jì)算，明確了上述因素對(duì)地基溫度場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明輕質(zhì)土具有良好的隔溫效果，能夠大幅度降低地基溫度的變化幅度，提高凍土地區(qū)道路的凍土上限，減輕道路的凍脹與融化作用，對(duì)于確保路基的穩(wěn)定具有明顯的效果。

圖1 地基溫度場(chǎng)分布數(shù)值計(jì)算模型

3.2 輕質(zhì)土隔熱層試驗(yàn)段

為了明確輕質(zhì)土的隔熱保溫效果，鋪筑了試驗(yàn)段，輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)與地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。其中5#、6#、7#、8#地溫計(jì)置于輕質(zhì)土上表面，其余位于輕質(zhì)土下表面。

圖2 輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)與地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果

從地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果分析：經(jīng)歷了一個(gè)冬季之后，輕質(zhì)土下的最低地溫接近于0℃，2～6 月的變化幅度大部分在3℃以內(nèi)，變化幅度很小，能夠防止地基土的融沉。輕質(zhì)土防凍層試驗(yàn)路段于2004年9月完成路面鋪筑并開(kāi)放交通，至今路面平整度狀況良好。

3.3 輕質(zhì)土的設(shè)計(jì)

3.3.1 鋪筑位置與厚度

輕質(zhì)土可用于凍土地基的保護(hù)或控制融化速度，輕質(zhì)土厚50cm且其頂面與地表持平。

3.3.2 強(qiáng)度

輕質(zhì)土的強(qiáng)度以7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生）作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，安全系數(shù)取3，即設(shè)計(jì)強(qiáng)度為實(shí)際承受荷載強(qiáng)度值的3倍。一般情況下設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.0MPa即可滿足強(qiáng)度要求。

3.3.3 容重與導(dǎo)熱系數(shù)

輕質(zhì)土的導(dǎo)熱系數(shù)與其容重、強(qiáng)度密切相關(guān)。降低導(dǎo)熱系數(shù)則需降低容重，為保證強(qiáng)度必須提高水泥用量，則成本增加。一般情況下容重取1.0、1.2時(shí)其綜合性價(jià)比好。

3.3.4 材料與配合比

輕質(zhì)土的發(fā)泡劑應(yīng)選用發(fā)泡倍數(shù)高且氣泡穩(wěn)定的蛋白類發(fā)泡劑，對(duì)于土質(zhì)則應(yīng)優(yōu)先選用細(xì)砂、風(fēng)積沙等，不宜采用細(xì)粒土，禁止采用粒徑超過(guò)5mm的礫類土。

4 氣泡混合輕質(zhì)土在道路凍脹翻漿防治中的應(yīng)用

4.1 輕質(zhì)土基層的隔熱效果分析

輕質(zhì)土的保溫效果計(jì)算模型如圖3所示。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了凍結(jié)指數(shù)、路基高度、路面寬度、路基填料、輕質(zhì)土厚度等因素對(duì)路基溫度場(chǎng)的影響。

圖3 輕質(zhì)土的保溫效果計(jì)算模型

4.2 輕質(zhì)土基層試驗(yàn)段的鋪筑

輕質(zhì)土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，試驗(yàn)段輕質(zhì)土底基層、基層的強(qiáng)度分別為2.0MPa和2.38MPa。

圖4 輕質(zhì)土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕質(zhì)土基層試驗(yàn)路段于2004 年9 月完成路面鋪筑后即開(kāi)放交通，2005年2月即發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)段路面出現(xiàn)較多的縱橫向裂縫，局部出現(xiàn)網(wǎng)裂和面層脫落，露出白色的輕質(zhì)土基層，路面已呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性破壞。而其他非輕質(zhì)土基層對(duì)比路段的路面除有部分因氣候嚴(yán)寒引起的路面橫向裂縫外，未出現(xiàn)網(wǎng)裂、坑槽及面層脫落的現(xiàn)象，路面狀況良好。基于上述情況，于2005 年6 月將試驗(yàn)段輕質(zhì)土基層予以鏟除，并重新鋪筑常規(guī)的水穩(wěn)碎石基層和瀝青面層。

輕質(zhì)土基層試驗(yàn)段失敗的主要原因是：

（1）輕質(zhì)土為多孔脆性材料，在汽車荷載作用下，易被薄層的瀝青碎石壓碎，導(dǎo)致層間結(jié)合較差，引起路面出現(xiàn)眾多的縱橫向裂縫甚至網(wǎng)裂、面層碎落等；

（2）輕質(zhì)土的干縮系數(shù)約為混凝土的46 倍，干縮后引起面層開(kāi)裂。

4.3 輕質(zhì)土基層設(shè)計(jì)

4.3.1 鋪筑位置

總結(jié)輕質(zhì)土基層試驗(yàn)段失敗的原因，提出將輕質(zhì)土保溫層用于底基層或上路床的設(shè)想，即輕質(zhì)土離面層頂面的厚度至少應(yīng)超過(guò)25cm（面層厚度+上基層厚度）。

4.3.2 設(shè)計(jì)程序

輕質(zhì)土的防凍層設(shè)計(jì)程序見(jiàn)圖5，強(qiáng)度安全系數(shù)取3，最大荷載的計(jì)算見(jiàn)相關(guān)規(guī)范，材料設(shè)計(jì)與前述相同。

4.3.3 路面結(jié)構(gòu)

采用輕質(zhì)土作為上路床或隔熱墊層，不改變路面的結(jié)構(gòu)形式；輕質(zhì)土作為底基層與上基層間的結(jié)合效果與我國(guó)半剛性基層相比差別不大，因此路面結(jié)構(gòu)按常規(guī)方法設(shè)計(jì)。

圖5 輕質(zhì)土的防凍層設(shè)計(jì)程序

5 結(jié)語(yǔ)

輕質(zhì)土集低容重、可流動(dòng)性、固化后的直立性和隔熱保溫性于一身，可以有效地解決公路建設(shè)中的某些技術(shù)難題，提高公路的使用壽命與服務(wù)質(zhì)量，降低維護(hù)費(fèi)用與運(yùn)輸成本，提高行車的安全性，對(duì)促進(jìn)我國(guó)公路建設(shè)技術(shù)的發(fā)展具積極意義。輕質(zhì)土在公路工程的應(yīng)用可以減少路基取土，避免對(duì)自然環(huán)境的開(kāi)采破壞，對(duì)環(huán)境友好；可以提高道路的質(zhì)量與服務(wù)水平，降低行駛成本，提高行車安全性，促進(jìn)社會(huì)和諧，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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