泡沫輕質(zhì)土在高速公路橋頭路基填筑中的應(yīng)用及效益

鐘少杰

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國高速公路也得到了快速發(fā)展，但公路占地面積也越來越大，特別是高填方路堤放坡占地廣，填筑量多，增加了土體附加應(yīng)力，影響工后沉降，甚至?xí)饦蚺_(tái)路基沉降，影響行車安全［1，2］。

近年來，泡沫輕質(zhì)土被廣泛應(yīng)用于我國各項(xiàng)實(shí)體工程中，不僅集中在建筑工程，還體現(xiàn)在高速公路中。2002年我國開始引進(jìn)和發(fā)展泡沫輕質(zhì)土，并逐步應(yīng)用于道路改擴(kuò)建及加寬、橋頭跳車現(xiàn)象防治及治理、軟土路基沉降處理、市政管線回填等工程。在公路拓寬中泡沫輕質(zhì)土用于垂直填土、節(jié)約用地、減少拆遷、縮短施工周期，給投資者帶來前期收益等優(yōu)勢(shì)［3］；李易等人［4］采用“m 法”及沉降系數(shù)法，分析了橋臺(tái)樁基受力情況和橋臺(tái)路基的固結(jié)沉降量，通過與普通碎石回填工況對(duì)比，結(jié)果表明將輕質(zhì)泡沫混凝土應(yīng)用于回填橋臺(tái)背，可有效減少橋臺(tái)的危害和縮減橋臺(tái)路基的固結(jié)沉降量，輕質(zhì)泡沫混凝土用于橋臺(tái)回填可有效解決橋頭跳車問題；黃志鋒［5］的研究表明應(yīng)用這種新型材料可以大大降低填筑荷載，減輕路基自重，降低軟土路基附加應(yīng)力，從而很大程度上提高了軟基路堤穩(wěn)定性，解決了軟基不均勻沉降這一難題。

國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行了研究：其中裘友強(qiáng)等人［6］對(duì)泡沫輕質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)越密實(shí)，氣孔-孔壁結(jié)構(gòu)越堅(jiān)實(shí)且完整，則泡沫輕質(zhì)土?xí)憩F(xiàn)出越高的強(qiáng)度特性；裘友強(qiáng)等人［7］采用UTM-100伺服液壓多功能材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行四點(diǎn)彎曲小梁疲勞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明具有良好的抗疲勞特性，可用作路基填料；李寶等人［8］為了研究泡沫輕質(zhì)土的水穩(wěn)定性和抗凍性能等環(huán)境耐久性技術(shù)指標(biāo)，通過進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，材料環(huán)境耐久性隨著水泥摻入量的增大而提高，試驗(yàn)范圍內(nèi)具備環(huán)境耐久性良好；劉潔等人［9］進(jìn)行了泡沫輕質(zhì)土穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，分析了材料的水穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性，結(jié)果表明泡沫輕質(zhì)土具備良好水穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性；陳忠平等人［10］通過動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了不同密度泡沫輕質(zhì)土在不同濕度和不同循環(huán)荷載下的動(dòng)力工程特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)密度達(dá)到650～700 kg∕m3時(shí)，會(huì)形成壓實(shí)錐，致使產(chǎn)生劈裂破壞，只有加載端周圍的表面被剝離；陳忠平等人［11］通過建立現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路堤模型，使用循環(huán)激振試驗(yàn)，分析路基在長期動(dòng)態(tài)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路堤具有較高的剛度和良好的動(dòng)穩(wěn)定性，材料壓縮僅為路基沉降3.2%～4.5%。

目前，我國對(duì)泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用研究主要集中于工程效益分析，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益分析較少。本文依托實(shí)體工程，提出了具體配合比設(shè)計(jì)，綜合分析了泡沫輕質(zhì)土在橋頭路基填筑中的效益。研究結(jié)果可為泡沫輕質(zhì)土在工程中的應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 材料組成及工程特性

泡沫輕質(zhì)土（也稱為泡沫混凝土）是通過物理或化學(xué)方法，用發(fā)泡劑水溶液制成泡沫。將泡沫與基礎(chǔ)膠凝材料和水（基本組分）按一定比例混合攪拌成漿體；根據(jù)工程實(shí)際需求可選組分有骨料、摻和料和外加劑。通過發(fā)泡設(shè)備制作成細(xì)小穩(wěn)定氣泡群混合攪拌形成泡沫輕質(zhì)土漿體，在施工現(xiàn)場(chǎng)或者工廠預(yù)筑成型，是一種含有大量的均勻分布?xì)馀莸妮p質(zhì)材料。其制備工藝流程如圖1所示。表1列出了泡沫輕質(zhì)土與普通混凝土的性能參數(shù)。

圖1 泡沫輕質(zhì)土生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Preparation Process of Foamed Lightweight Soil

1.1 必要材料組成

⑴發(fā)泡劑：是一種通過促進(jìn)泡沫產(chǎn)生從而形成封閉氣孔或者相連氣孔結(jié)構(gòu)的試劑；發(fā)泡液可短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量勻和、穩(wěn)定的泡沫，處理方式有2 種：化學(xué)發(fā)泡與物理發(fā)泡?；瘜W(xué)發(fā)泡是通過加熱分解釋放出CO2和N2等氣體，在聚合物組成中形成細(xì)孔化合物；進(jìn)行物理發(fā)泡時(shí)，泡沫細(xì)孔只是通過某一種物質(zhì)僅產(chǎn)生物理形態(tài)變化。

⑵水泥：是泡沫輕質(zhì)土的主要膠凝材料。硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥具有早強(qiáng)、微膨脹、低干縮等優(yōu)點(diǎn)，在要求泡沫輕質(zhì)土短時(shí)間內(nèi)快凝、防止沉降和泌水、提高早期強(qiáng)度時(shí)，推薦使用這兩類水泥。

1.2 泡沫輕質(zhì)土工程特性

⑴輕質(zhì)性：泡沫輕質(zhì)土中均勻充填氣泡，輕質(zhì)性是其最主要的特性。泡沫輕質(zhì)土、粉煤灰、普通混凝土、回填土、普通碎石的容重分別為3～15 kN∕m3、15 kN∕m3、25 kN∕m3、20 kN∕m3、14～17 kN∕m3。

⑵耐久性：使用壽命與水泥混凝土和主體工程相同。與普通混凝土相比，泡沫混凝土含有大量氣孔，氣孔可以起到緩沖作用，從而獲得較好的抗凍融性能。

表1 泡沫輕質(zhì)土與普通混凝土的性能比較Tab.1 Performance Comparison Between Foamed Lightweight Soil and Ordinary Concrete

⑶減震作用：泡沫輕質(zhì)土密度小、質(zhì)量輕、彈性模量低、微孔多，具有很好的吸能能量的作用。在泡沫輕質(zhì)土中，振動(dòng)波的傳遞速度比在普通混凝土結(jié)構(gòu)中慢得多，經(jīng)受地震荷載時(shí)所承受的地震力較小。因此，相較于普通混凝土具有良好的減震作用。

⑷良好的施工性：流動(dòng)性強(qiáng)，因?yàn)椴缓止橇希赏ㄟ^軟管泵送，降低運(yùn)輸成本。施工時(shí)，操作工人可直接使用，無需振動(dòng)和碾壓，且澆筑可連續(xù)進(jìn)行，大大節(jié)省了時(shí)間。

⑸整體性：結(jié)合泡沫輕質(zhì)土的高流動(dòng)性，澆筑時(shí)無需振搗碾壓，硬化后可達(dá)到均勻密實(shí)狀態(tài)；由于泡沫輕質(zhì)混凝土采用集中生產(chǎn)和軟管泵送現(xiàn)澆施工，與主體結(jié)合緊密。

2 泡沫輕質(zhì)土橋臺(tái)路基應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

本文選取廣州至連州高速公路某大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該大橋位于清遠(yuǎn)陽山縣青蓮鎮(zhèn)桂巖村境內(nèi)，為路線跨越國道G358（原省道S347）、村莊及鄉(xiāng)村道路、灌溉集而設(shè)。此橋原施工圖設(shè)計(jì)全橋左幅共8 聯(lián)：9（3×30）+2×30，右幅共8 聯(lián)：9（3×30）+30。需進(jìn)行方案變更的原因是：橋左幅K137+051.6～K137+081.6（左幅28#墩～29 號(hào)臺(tái)）地處斜坡段，原設(shè)計(jì)為半路半橋，左幅采用30 m PC小箱梁，右幅為路基，與相鄰橋梁之間路基段長度約為200 m。本路段集中預(yù)制梁場(chǎng)設(shè)置于此橋與周屋特大橋之間的200 m 路基段上，考慮兩側(cè)架橋機(jī)拼裝空間后，梁場(chǎng)設(shè)置條件十分緊張。因此變更為該橋大樁號(hào)側(cè)左幅縮短1 孔后相應(yīng)增加路基段長度，樁號(hào)范圍為左幅K137+051.6～K137+081.6，路堤填高約7.2～8.5 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地物及地質(zhì)資料，增加的路基段采用泡沫輕質(zhì)土填筑。平面設(shè)計(jì)及縱斷面設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，濕密度和強(qiáng)度應(yīng)同時(shí)滿足表2中的設(shè)計(jì)要求。

原材料選用PC42.5硅酸鹽水泥和廣東SRTJ-A型發(fā)泡劑，為了滿足距離路面結(jié)構(gòu)層底部不同位置的泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)性能要求，分別設(shè)計(jì)了FC-1 和FC-2 兩種不同濕密度的配合比（見表3）。

2.3 配合比試驗(yàn)

進(jìn)行配合比試驗(yàn)的前提為原材料檢驗(yàn)合格；配合比試驗(yàn)時(shí)的泡沫輕質(zhì)土料漿沉降率應(yīng)滿足《泡沫混凝土用泡沫劑：JC∕T 2199 2013》一等品的要求，即料漿沉降率不超過5%；進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試的試塊按規(guī)范制成10 cm×10 cm×10 cm的立方體，抗壓試驗(yàn)應(yīng)在小量程砂漿壓力機(jī)進(jìn)行，強(qiáng)度結(jié)果不應(yīng)折減；配合比強(qiáng)度試驗(yàn)需測(cè)定7 d齡期和28 d齡期強(qiáng)度，以6塊試塊為一組；當(dāng)配合比試驗(yàn)施工濕密度、料漿沉降率及強(qiáng)度同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，才可作施工配合比。設(shè)計(jì)配合比經(jīng)檢測(cè)，其結(jié)果如表4所示。

圖2 泡沫輕質(zhì)土平面設(shè)計(jì)Fig.2 Graphic Design of Foamed Lightweight Soil

圖3 泡沫輕質(zhì)土縱斷面設(shè)計(jì)Fig.3 Design of Longitudinal Section of Foamed Lightweight Soil

表2 泡沫輕質(zhì)土路基主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)Tab.2 Main Design Performance Indexes of Foamed Lightweight Soil Subgrade

表3 配合比設(shè)計(jì)Tab.3 Mix Ratio Design

表4 泡沫輕質(zhì)土控制指標(biāo)及部分檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Foamed Lightweight Soil Control Index and Some Test Results

由試驗(yàn)結(jié)果可得，F(xiàn)C-1 和FC-2 泡沫輕質(zhì)土濕密度及7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 泡沫輕質(zhì)土效益分析

3.1 工程效益

相比傳統(tǒng)的設(shè)置橋頭錐坡體系，施工時(shí)采用泡沫混凝土階梯型填充橋頭臺(tái)背，可減少地基附加應(yīng)力，提高路堤的穩(wěn)定性，消除材料本身的壓縮沉降；軟管輸送，可減少施工面、縮短施工周期，便捷施工；其自身自立，可消除橋臺(tái)附加應(yīng)力，因而臺(tái)背無放坡，增加橋底下空間，減少橋梁長度；施工在形成過程中始終貫徹國家節(jié)能減排的要求，降低了由于施工造成的破壞和環(huán)境污染，同時(shí)節(jié)省了大量錐坡處理材料。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

廣州至連州高速公路某大橋施工方案變更后泡沫輕質(zhì)土費(fèi)用由表5 構(gòu)成，變更前后主要工程數(shù)量及造價(jià)比較如表6所示。方案變更后雖然橋梁工程量減少了16.35 m，但采用泡沫輕質(zhì)土的填方路堤增加了30 m，造成泡沫輕質(zhì)土工程量的增加2 263.3 m3，經(jīng)計(jì)算泡沫輕質(zhì)土綜合單價(jià)360.5 元∕m3，土方綜合單價(jià)75元∕m3，因此造成了總造價(jià)增加，增加了造價(jià)成本。

表5 泡沫輕質(zhì)土施工費(fèi)用組成Tab.5 Composition of Construction Cost of Foamed Lightweight Soil

表6 主要工程數(shù)量及造價(jià)比較Tab.6 Comparison of Major Project Quantity and Cost

4 結(jié)論

⑴ 設(shè)計(jì)了FC-1 和FC-2 兩種不同濕密度泡沫輕質(zhì)土配合比，配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出FC-1 和FC-2滿足設(shè)計(jì)要求，可用于實(shí)際施工。

⑵施工無橋頭錐坡現(xiàn)澆擋墻泡沫混凝土輕質(zhì)路堤與傳統(tǒng)做法相比，可減少路基附加應(yīng)力，解決臺(tái)前錐坡放坡問題減少橋跨，且質(zhì)量可靠，可控性更高，加速施工，緩解橋臺(tái)與路基連接位置剛性突變、減少工后沉降和緩解橋頭跳車。

⑶泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于橋臺(tái)路基填筑時(shí)綜合單價(jià)為360.5 元∕m3，與土方綜合單價(jià)75 元∕m3相比是其成本的5倍左右，造價(jià)較高。

⑷泡沫輕質(zhì)土存在吸水率高、干燥收縮較大、抗壓及抗折強(qiáng)度偏低等缺陷，因此改善泡沫輕質(zhì)土吸水率、干燥收縮、抗壓及抗折強(qiáng)度是下一步的研究重點(diǎn)。