泡沫混凝土在道路工程中的應(yīng)用研究

黃朝良

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350108)

0 引言

泡沫混凝土是通過(guò)物理或化學(xué)方法將空氣、CO2等氣體通入混凝土漿體中，再經(jīng)過(guò)合適的養(yǎng)護(hù)方法，最終形成一種具有大量細(xì)微封閉氣孔且具有一定強(qiáng)度的水泥制品[1-3]。其憑借較低的導(dǎo)熱系數(shù)，最早被廣泛運(yùn)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著土木工程的快速發(fā)展，交通荷載、結(jié)構(gòu)形式、邊界條件越發(fā)復(fù)雜，對(duì)材料的性能要求更高。泡沫混凝土具有施工簡(jiǎn)單，材料多孔、輕質(zhì)且強(qiáng)度較低等物理力學(xué)特性，目前已被很多領(lǐng)域大量使用。例如在高速公路、橋頭堡加固工程、體育場(chǎng)外圍地下通道工程等領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用[3-6]。但由于其強(qiáng)度偏低，且容易出現(xiàn)開(kāi)裂、吸水和滲水現(xiàn)象，導(dǎo)致其應(yīng)用存在一定限制[5-8]。

本文作者結(jié)合自身參與的泡沫混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)和理論認(rèn)識(shí)，從道路工程中特殊工程部位的技術(shù)特征出發(fā)，對(duì)泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性、施工工藝及質(zhì)量控制等方面進(jìn)行總結(jié)，并提出其運(yùn)用過(guò)程中存在的技術(shù)問(wèn)題和研究方向。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

作為一種高孔隙材料，泡沫混凝土的物理力學(xué)和工程性能很大程度上取決于氣孔特性(形態(tài)、分布)。如圖1所示，該材料中存在大量均勻分布的橢球或球狀孔隙結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，泡沫混凝土的孔隙率高達(dá)80%以上，這是顯著區(qū)別于其他普通混凝土材料的特征之一。也正是因?yàn)槿绱耍瑳Q定了該材料特殊的物理力學(xué)和工程性能。例如，輕質(zhì)、保溫等，但同時(shí)也限制了該材料強(qiáng)度[9-10]。

圖1 泡沫混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)

2 泡沫混凝土特性及其在道路工程中的應(yīng)用

2.1 輕質(zhì)性

2.1.1 減輕荷重或土壓

(1)臺(tái)背路基換填，是處理軟基路段預(yù)壓不足引起的工后沉降、橋頭跳車(chē)等問(wèn)題的有效辦法。圖2為普通填料和泡沫混凝土在填充臺(tái)背路基的沉降關(guān)系示意曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，一般填土的沉降曲線在路基結(jié)合位置附近發(fā)生了較為明顯突變，而泡沫混凝土填料不會(huì)出現(xiàn)明顯的沉降突變。表明泡沫混凝土可作為消除路基工后沉降、解決橋頭跳車(chē)的有效方法。近5年來(lái)，福州市、南平市新建高架橋橋頭路基填料均要求采用泡沫混凝土，大大緩解了橋頭跳車(chē)的發(fā)生。

(a)采用常規(guī)填土(b)彩泡沫砼圖2 臺(tái)背沉降曲線

(2)泡沫混凝土運(yùn)用于道路拓寬路基填料時(shí)，可有效降低工后不均勻沉降，減少新舊路基不均勻沉降，避免出現(xiàn)縱向開(kāi)裂。例如，福州市金雞山路拓寬改造工程，拓寬5 m寬的路基填料采用輕質(zhì)泡沫混凝土，填高約4 m～6.5 m，2 m設(shè)置一個(gè)臺(tái)階，目前使用3年，無(wú)出現(xiàn)縱向裂縫，如圖3所示。

圖3 道路路基拓寬

(3)山區(qū)滑坡路堤、高填方的填筑時(shí)，采用泡沫混凝土，能夠避免新建路堤荷重的增加而引起再次滑動(dòng)失穩(wěn)或大的沉降。

2.1.2 橋梁減跨

采用現(xiàn)澆泡沫混凝土應(yīng)用于橋臺(tái)臺(tái)背填筑，可有效處理土壓力與錐坡放坡等問(wèn)題，大幅降低工程造價(jià)。

2.1.3 地下結(jié)構(gòu)工程的覆土減荷

(1)隧道進(jìn)出口開(kāi)挖前，在進(jìn)出口處先澆筑泡沫混凝土土塊，該方法可明顯減低偏圍壓，避免洞體坍塌，并可維持自然地形、環(huán)保優(yōu)勢(shì)突出，如圖4所示。

圖4 隧道進(jìn)出口的處理

(2)上覆土體荷載過(guò)大的地下結(jié)構(gòu)工程，可采用該材料替代常規(guī)填料進(jìn)行有效減荷。例如，近年來(lái)一些地鐵車(chē)站的回填開(kāi)始考慮采用輕質(zhì)材料回填。同時(shí)地下洞穴的填充也可采用泡沫混凝土。

2.2 自流平

流動(dòng)性良好，可垂直與水平泵送100 m和500 m。同時(shí)，其泵送速度快、充實(shí)度高、管道內(nèi)浮力小，可用于處理采空區(qū)、建筑基坑、巖溶區(qū)等空洞及空隙等部位，能有效避免普通填料充填不飽滿的是施工缺陷。

2.3 自立性

固化后的自立性意味著泡沫混凝土可垂直填筑，其垂直臨空面?zhèn)葔毫榱鉡1,3,5]。原則上，利用泡沫混凝土的自立性可取消路側(cè)擋土墻的設(shè)置，但目前尚未發(fā)現(xiàn)有直接取消路側(cè)擋土墻的做法，后期可開(kāi)展相關(guān)方面的研究。

2.4 保溫隔熱性

大量的閉口空隙能夠阻隔熱量交換。通常其導(dǎo)熱系數(shù)處于0.08W/m·K～0.3W/m·K，并與體積密度相關(guān)性較強(qiáng)。當(dāng)體積密度為300kg/m3～1200kg/m3之間時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)通一般處于0.08 W/m·K～0.3 W/(m·K)之間，熱阻約為普通混凝土的10～20倍。

2.5 吸聲特性

多孔隙材料特性賦予其良好的吸聲性能，吸聲系數(shù)通常在0.8～1.4之間，能夠有效地阻止聲音傳播。其常用作橋梁隔音屏夾層，吸聲效果較好，價(jià)格低廉。

2.6 耐久性

泡沫混凝土的耐久性主要包括：服役過(guò)程中的抗?jié)B、凍、腐蝕、碳化反應(yīng)等性能。表1總結(jié)了有關(guān)泡沫混凝土耐久性的研究成果。研究表明，密度越小時(shí)，耐久性越好；滿足規(guī)范要求施工的成品材料，其耐久性幾乎等同于一般混凝土，有效服務(wù)時(shí)間大約100年。

表1 泡沫混凝土的耐久性[1-3,6-9]

除了以上的六大特性外，泡沫混凝土還具有耐熱、環(huán)保、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。由于其主要組成成分為水泥無(wú)機(jī)材料，耐熱溫度較高(一般在500℃以上)；其主要成分中(包括發(fā)泡劑和外加劑)不含有毒材料，同時(shí)不含有揮發(fā)性有害物質(zhì)。在施工時(shí)，工程人員只需保證其攤平，同時(shí)，其可以批量預(yù)制，也可現(xiàn)場(chǎng)澆筑，使用方式靈活、施工便捷。

3 施工工藝與質(zhì)量控制

3.1 配合比設(shè)計(jì)

泡沫混凝土是一種典型的復(fù)合材料，其配合比設(shè)計(jì)是指利用各組分按照最經(jīng)濟(jì)合理的比例，制備出既能滿足各項(xiàng)性能及技術(shù)要求的產(chǎn)品。泡沫混凝土同普通混凝土配合比設(shè)計(jì)要求，需要滿足強(qiáng)度和耐久性要求選擇合理水灰比，且考慮環(huán)境協(xié)調(diào)因素而減少水泥用量，調(diào)整砂、石級(jí)配。應(yīng)注意以下兩個(gè)方面：

(1)同時(shí)需要滿足強(qiáng)度等級(jí)和密度等級(jí)的要求。提高強(qiáng)度和降低其密度通常情況下是互相矛盾的一對(duì)性能，因此在設(shè)計(jì)材料時(shí)，綜合考慮提高強(qiáng)度和降低密度成為一個(gè)很重要的因素。

(2)吸水率是另外一個(gè)需要著重考慮的因素。泡沫混凝土的高孔隙率，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)不同的使用工況確定吸水率控制范圍，如用于承重的泡沫混凝土比用于保溫有著更高的吸水率[11]。

3.2 軟土地基泡沫混凝土質(zhì)量控制

在軟土路基中，該材料可以顯著減輕路基自重，降低路基土的附加應(yīng)力，可有效解決軟土地基不均勻沉降的問(wèn)題。其施工工藝流程如下：開(kāi)挖路基至泡沫混凝土施工斷面，然后預(yù)制擋板、立模板和澆筑，按照底層、中層和頂層順序依次施工，直至到設(shè)計(jì)高度。施工中應(yīng)注意：

(1)原材料質(zhì)量控制。選擇高質(zhì)量的發(fā)泡劑，使其能夠產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、細(xì)微且互不連通的氣泡，滿足泌水性要求。

(2)施工工藝質(zhì)量控制。保證精準(zhǔn)安裝模板，確保其能夠達(dá)到設(shè)計(jì)斷面尺寸和板縫均勻的要求；避免雨水影響，施工過(guò)程應(yīng)做好避雨措施，澆筑完成后，應(yīng)立即鋪放防水材料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，如用土工布或塑料薄膜[12]鋪放。

3.3 道路拓寬工程泡沫混凝土質(zhì)量控制

泡沫混凝土的高流動(dòng)性、自立性和易施工等特性，在道路拓寬工程中，可提供施工作業(yè)面小、與原有道路相適應(yīng)等問(wèn)題。其施工工藝如下：清除表面、基礎(chǔ)開(kāi)挖整平、安裝模板和分層澆筑。應(yīng)注意：

(1)原材料質(zhì)量控制。應(yīng)控制發(fā)泡倍數(shù)≥20的發(fā)泡材料，配合比要滿足濕容重為6.5 kN/m3～7.5 kN/m3。

(2)施工工藝質(zhì)量控制。注重施工各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量控制。例如：澆筑時(shí)需對(duì)拌合配合比進(jìn)行不間斷監(jiān)控，養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)避免不必要的人員踩踏和雜物堆積[13]。

3.4 橋梁臺(tái)背泡沫混凝土質(zhì)量控制

泡沫混凝土因其質(zhì)輕和自立性等優(yōu)勢(shì)，可作為填筑體替代常規(guī)臺(tái)背回填料，降低了側(cè)向不平衡土壓力對(duì)橋臺(tái)樁的影響，有效控制橋頭不均勻沉降，大大節(jié)約工期。其施工工藝如下：基礎(chǔ)開(kāi)挖、基底處理、輕質(zhì)土分層澆筑。應(yīng)注意：

(1)原材料質(zhì)量控制?？刂坪盟冶?，水泥漿的濕密度誤差控制在±2%以內(nèi)，泡沫的密度誤差控制在±5%，攪拌時(shí)應(yīng)能調(diào)節(jié)水泥漿或氣泡流量。

(2)施工工藝質(zhì)量控制。澆筑方向自沿著澆筑區(qū)長(zhǎng)軸中間方向近兩端澆筑，且采用階梯式澆筑，分3個(gè)臺(tái)階澆筑，以達(dá)到減荷的目的。除頂層外，泡沫混凝土基本可采用連續(xù)施工，無(wú)需養(yǎng)護(hù)。在適當(dāng)部位設(shè)置噴淋裝置做好防塵工作，避免揚(yáng)塵對(duì)半成品質(zhì)量的影響[14]。

4 存在的問(wèn)題與研究方向

4.1 存在問(wèn)題

雖然泡沫混凝土在國(guó)外上已被大量應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)卻不普遍。為實(shí)現(xiàn)其本土化推廣使用，還需解決以下問(wèn)題：

(1)強(qiáng)度偏低

由于泡沫混凝土內(nèi)部含有豐富的孔洞，這是造成其強(qiáng)度較低的原因。當(dāng)其容重為800 kg/m3～850 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度通常小于2.0 MPa。根據(jù)上述可知，其強(qiáng)度的提高，可通過(guò)組成材料、配伍、添加劑等，進(jìn)而協(xié)調(diào)孔隙占比、孔隙結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的關(guān)系。

(2)容重問(wèn)題

在生產(chǎn)中泡沫占比較大，因此較難分散，密度低于500 kg/m3時(shí)，施工成型困難，同時(shí)又會(huì)降低強(qiáng)度。大量氣泡同時(shí)還會(huì)增大吸水率，帶來(lái)抗凍性較差等問(wèn)題。

(3)孔結(jié)構(gòu)問(wèn)題

發(fā)泡劑種類(lèi)繁多，但目前工程應(yīng)用和研究表明，發(fā)泡劑與水泥漿中的孔隙結(jié)構(gòu)尚未發(fā)現(xiàn)顯著規(guī)律，這使得各生產(chǎn)指標(biāo)關(guān)系的控制與協(xié)調(diào)困難。

基于以上可以發(fā)現(xiàn)，高孔隙率的泡沫混凝土存在強(qiáng)度低、大吸水率、抗凍性低等亟待解決的技術(shù)問(wèn)題?？梢哉f(shuō)，泡沫混凝土的諸多功能特性是以犧牲其強(qiáng)度性能為代價(jià)，因此，各性能之間的相互均衡是其關(guān)鍵性。

4.2 研究方向

綠色、生態(tài)、節(jié)能的新型建筑材料的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，是我國(guó)目前工程建筑領(lǐng)域的重要方向之一。高性能、可控、廉價(jià)的發(fā)泡材料的研究，對(duì)其成品材料的工程性能、施工應(yīng)用等具有極其重要的意義。另外，基于泡沫混凝土的功能性砌塊、墻體材料等產(chǎn)品，將備受重視，市場(chǎng)前景廣闊。

基于上述認(rèn)識(shí)，以下總結(jié)了泡沫混凝土的研究方向：①精確可控的生產(chǎn)工藝；②經(jīng)濟(jì)、高效的發(fā)泡劑；③原料與復(fù)合外加劑的選用、配伍；④各產(chǎn)品性能的影響因素研究；⑤施工工藝流程及設(shè)備優(yōu)化；⑥進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

5 結(jié)論

本文基于工程經(jīng)驗(yàn)、理論認(rèn)識(shí)和文獻(xiàn)調(diào)研，圍繞泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要性能及其在道路工程中的應(yīng)用，施工工藝與質(zhì)量控制，技術(shù)問(wèn)題和研究方向進(jìn)行了闡述。主要結(jié)論如下：

(1)泡沫混凝土是一種高孔隙材料，其物理力學(xué)和工程性能很大程度上取決于氣孔特性(形態(tài)、分布)。

(2)泡沫混凝土工程特性，主要包括：輕質(zhì)、自流平、自立、保溫隔熱、吸聲、耐久；其工程特性在道路工程中都有著較為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

(3)泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮提高強(qiáng)度和降低密度的均衡，需依據(jù)實(shí)際服役工況確定吸水率控制范圍，并指出其在軟土地基處理、道路拓寬工程和橋梁臺(tái)背應(yīng)用的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

(4)泡沫混凝土仍存在強(qiáng)度低、大吸水率、抗凍性低等亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，未來(lái)需加強(qiáng)在生產(chǎn)工藝、發(fā)泡劑、材料性能等方面的研究。

本文的總結(jié)與論述可為相關(guān)工程人員開(kāi)展泡沫混凝土的應(yīng)用與研究提供思路。