氣泡混合輕質土技術性能及其在路基工程中的實踐

文／陳金鵬 南京市園林經濟開發(fā)有限責任公司 江蘇南京 210000

薛超、黃宏亮、周玉杰 中鐵四局集團有限公司南京分公司 江蘇南京 210000

引言：

近年來，我國公路基礎交通建設步入了高速發(fā)展階段，面對復雜多變的施工環(huán)境，也帶來了許多工程問題，如路基凍脹、橋頭跳車等，對公路的穩(wěn)定通行產生了極大的影響，并且使得維修管理費用明顯增加。氣泡混合輕質土作為一種人工合成的施工材料，具有容重小、強度與變形特性優(yōu)于較好土體的特點，在大力開發(fā)的同時，也逐漸被推廣。早在上世紀80 年代，西方國家便開始大力研究氣泡輕質土，美國在貿易中心建設過程中，使用了氣泡混合輕質土進行地基處理，從而減輕荷載，隨后在公路建設中也大量使用，使用該技術材料填筑路基，有效改善了填土沉降大的問題。我國在氣泡混合輕質土技術研究方面起步相對較晚，但是發(fā)展較快，隨著該技術越來越成熟，其在今后的市政、公路基礎建設中的應用范圍也將會進一步擴大。

1、氣泡混合輕質土技術概念簡述

氣泡混合輕質土是采用物理手段使得發(fā)泡劑水溶液轉化為泡沫，同時加入水泥基膠凝、外加劑、水、摻和料等根據相應的比例混合攪拌從而逐漸形成的新型輕質材料。將水和原料土按照科學的比例混合慢慢形成漿體，并和細小穩(wěn)定氣泡群進行混合攪拌之后形成流體，最終凝固成型的現代化輕型填筑施工材料。早在20 世紀80 年代，日本便深入研究氣泡混合輕質土，并在工程建設中大量使用，隨后作為道路填充材料使用。隨著技術標準以及相關設備的不斷更新與完善，其應用范圍也在不斷擴大，大量研究成果問世，相應的技術規(guī)范也在不斷完善，目前我國也將該材料大量應用于道路工程建設中，取得了顯著的效果。氣泡混合輕質土材料具有密度與強度靈活可調的特點，同時具有輕質性、高流動性、耐久性、經濟環(huán)保等諸多優(yōu)點，是道路工程建設的重要材料之一[1]。

2、氣泡混合輕質土技術性能

2.1 物理性能

（1）容重性，氣泡混合輕質土和普通材料相比較，其容重大小與配合比、齡期、實際環(huán)境狀態(tài)等方面因素有關，氣泡混合輕質土在最開始形成、固化、具體使用環(huán)節(jié)中，容重也會逐漸發(fā)生變化。一般情況下，在初凝之前，會受到設備流動狀態(tài)的影響，容重最大，之后逐漸凝固之后，齡期會延長，如果無水浸潤影響時，氣泡混合輕質土當中的水分也會慢慢喪失，容重慢慢降低。單次進行澆筑的實際高度會對容重產生一定的影響，單次高度不能過大，盡可能不要超過1m 最佳，吸水則會造成氣泡混合輕質土實際容量慢慢增加，如果是長期浸水環(huán)境下，在使用過程中，還應當充分考慮浸水可能會產生的影響，必要的情況下應當采取有效的防水措施，從而盡可能避免容重逐漸增加。（2）滲透性，氣泡混合輕質土在特定水壓作用影響下，會出現滲透，通過和外部進行連通的孔隙進行滲透，可以根據測定結果進一步分析研究，滲透系數也能夠更加真實地反映出內部孔隙和外部連通狀況，當容重減小時，氣泡混合輕質土滲透系數逐漸增大。（3）干燥收縮性，氣泡混合輕質土的實際收縮系數會受到水泥質量與砂之比的影響，當該值逐漸增大，收縮系數呈線性遞減發(fā)展[2]。

2.2 力學性能

（1）應力～應變特性，數據顯示，氣泡混合輕質土主要是以脆性破壞形式為主，在此之前，應力和應變呈現彈性關系。因澆注高度會對容重產生直接的影響，完成澆注成型的試樣高處容重則更小，高處氣泡含有率偏高，所以高處強度和低處相比較偏低，試樣受壓環(huán)節(jié)中，破壞裂紋大多數情況下在成型高處慢慢開始。（2）抗壓強度與影響因素，氣泡混合輕質土抗壓強度，很多時候會受到原材料、環(huán)境、溫度、氣泡含有率、齡期等諸多方面因素的影響。無側限抗壓強度則會根據氣泡含有率逐漸變化增加而慢慢降低，固化材料類型與標號也會對無側限抗壓強度產生不同程度的影響，在條件相同的狀況下，采用高爐礦渣水泥的抗壓強度明顯更高于一般水泥，水泥標號逐漸增加的同時，抗壓強度也會隨之增加，但是整體幅度明顯減小。在氣泡含有率基本相同時，砂和水泥比越大，抗壓強度也就會越低，在一定區(qū)域范圍之內，其還會受到溫度的影響逐年變化增大，長時間浸水會導致材料強度降低，所以，需要盡可能地避免出現長時間浸水狀況，同時還需要對暴露面采取有效的防護措施。（3）抗折強度，材料的抗折強度比較低，通常在0.4MPa。（4）CBR 特性，研究數據顯示，當材料局部壓力逐漸增大并逐漸達到一定值后，材料中的孔洞慢慢出現壓潰，但因存在側線，導致材料的整體強度并不會喪失，還可能會由于材料重新壓實之后，承載力會有一定的提高，和規(guī)定的強度相比較，依然可以滿足實際要求，符合道路工程路基填土具體規(guī)范[3]。

2.3 隔熱性能

氣泡混合輕質材料中有著很多封閉泡沫，使得其自身導熱系數相較于填土路基更低，后者通常是前者的4-5倍左右，氣泡混合輕質土具有良好的隔熱性能，但其與氣泡含有率密切相關，當含有率越高，導熱系數也就越小，氣泡混合輕質土材料的實際導熱系數也就越小，隔熱性能更加突出。

2.4 耐久性能

氣泡混合輕質土是一種新型的水泥材料，其和EPS材料相比較，耐久性更好，其耐酸與耐堿性能和一般的混凝土相比較為類似。

3、施工工藝方法及規(guī)定

3.1 地基處理

根據設計標高及尺寸具體要求開挖、清理以及整平處理，根據路基具體情況，設置排水溝，確保排水系統完善，及時清除地表與地基水[4]。

3.2 合理設置排水布

在正式施工之前，需要在基底部分鋪設透水布，之后在氣泡混合輕質土表面進行防水布鋪設，確保防水布和擋板間密切搭接。

3.3 模板

要確保模板的剛度與強度符合實際要求，在具體安裝環(huán)節(jié)中，模板和地基間一定要固定和密接，從而有效避免出現漏漿與垮塌問題。在完成攪拌之后，氣泡混合輕質材料通常使用泵送方式進行傳輸。

3.4 輸送距離

為了保障在輸送過程中，氣泡相對穩(wěn)定，材料不離析的基礎上，一級泵送的距離最遠為500m，實際輸送距離如果超過了這一范圍，需要合理設置中繼泵送裝置，或者將氣泡混合移送到泵送管出口周邊區(qū)域。

3.5 澆筑具體方法

為了切實保障氣泡混合輕質土材料當中，氣泡均衡分布且獨立，就必須要將材料離析隔離控制，使其處于最小狀態(tài)，在具體施工環(huán)節(jié)中，還應當盡可能地避免出現過度振動的現象，澆筑環(huán)節(jié)中可采取以下方面，也就是從軟管的前部進行澆筑，出料口應當埋進氣泡混合輕質土材料當中，并且盡可能地距離其表面較近，同時還應當注意避免在下雨時進行施工。

4、質量控制技術與施工質量管理措施

4.1 工程質量控制技術

4.1.1 組分結構

氣泡混合輕質土材料主要是由氣體、液體以及固體等多種介質共同組成，其為多孔介質新型材料，其輕質性主要是因為當中含有的泡沫空隙逐漸形成的，因此，泡沫輕質土非常重要的結構特性之一便是多孔性。氣泡混合輕質土是一種水泥材料，從前期制備以及使用等環(huán)節(jié)中，其也具備水泥的凝結性，具備初凝、終凝時間，是一種水硬性材料，強度一般會隨著齡期變化而不斷增長[5]。

4.1.2 關鍵技術

氣泡輕質土制備工藝的不同環(huán)節(jié)都具有共同點，即混合，主要體現在多步驟以及不同比例的混合特點。發(fā)泡劑稀釋，其主要是通過科學的比例，將發(fā)泡劑稀釋成發(fā)泡液，這樣也有利于對發(fā)泡全過程進行計量，主要體現在發(fā)泡劑和稀釋水之間的混合。水泥漿攪拌，其主要是水泥和水之間發(fā)生混合反應，在這個過程中需要對水泥漿配合與攪拌時間進行合理控制。泡沫制備，該環(huán)節(jié)是發(fā)泡液和壓縮空氣有效混合的環(huán)節(jié)，以發(fā)泡液與壓縮空氣輸送為動力，從而形成泡沫流，這個過程中，混合比例主要和泡沫密度值有直接關系。因屬于氣液混合，控制過程中難度較大，裝備的發(fā)泡劑性能、發(fā)泡技術等會直接影響控制質量，主要體現在泡沫密度是否穩(wěn)定。泡沫和水泥漿之間混合，這個過程中，混合比例與輕質土實密度及氣泡率密切相關，其中也包括了氣、液、固三種介質，也是最難控制的部分，裝備系統及混合技術會直接關乎控制質量，體現為輕質土密度穩(wěn)定性，是否相對均勻。

4.2 質量控制環(huán)節(jié)

氣泡輕質土組分結構以及制備工藝的關鍵環(huán)節(jié)在很大程度上也直接影響氣泡輕質土質量控制，怎樣保障輕質土密度均勻性與穩(wěn)定性合理是非常關鍵的，材料組分結構特點對其有重要的影響。發(fā)泡技術、混合技術等對輕質土密度穩(wěn)定性及均勻性都有著決定性作用。施工設備、混合技術等不達標則會導致密度控制不合理，并且存在粉狀夾芯層的情況，并且極大地影響路基整體質量狀況，如果是發(fā)泡劑技術不達標，則會導致完成澆注的泡沫輕質土在終凝之前發(fā)生消泡沉陷。氣泡輕質土凝結特征也會對質量均勻性產生極大的影響，在相同澆注區(qū)域的澆注層，在澆注環(huán)節(jié)中由于設備產能不足時，不能在初凝期間順利完成澆注，這樣會造成完成初凝的輕質土材料受到流動與擠壓方面因素的影響，并逐漸形成剪切裂縫，導致其內部結構被破壞[6]。

4.3 發(fā)泡劑性能

氣泡混合輕質土發(fā)泡劑性能也會對泡沫質量產生極大的影響，并直接影響其質量，對發(fā)泡劑性能加以檢驗的具體方法有泌水率與消泡試驗，前者可明確泡沫的穩(wěn)定性，后者則能夠明確泡沫在水泥漿當中的穩(wěn)定性，兩者之間發(fā)生共同反應，則可體現發(fā)泡劑的性能。如果發(fā)泡劑的性能優(yōu)良，其穩(wěn)定性也就越高，泌水率低，實密度率低，只有實密度低增加率，氣泡輕質土材料的質量穩(wěn)定性與均勻性才能夠得到有效保障。

4.4 裝備技術基本要求

氣泡混合輕質土的應用范圍不斷擴大，使用量也在不斷增加，其工程質量標準也大幅提升，為了保障輕質土施工質量均勻性及穩(wěn)定性的最終目標，就必須要對制作現場、輸送以及澆注等各個環(huán)節(jié)加強管控，同時也對施工設備提出了更加專業(yè)的要求，如，自動化系統數據顯示功能、產能要求、發(fā)泡裝置應具備自動稀釋功能，水泥漿輸送泵也應當確定為流量泵，禁止使用泡沫凝土與發(fā)泡水泥設備代替輕質土專用設備施工。要使用專業(yè)拌合站，禁止使用小型的攪拌機[7]。

4.5 施工質量管理

4.5.1 施工原材料與配合比的質量控制

在正式施工之前，需要針對施工各個環(huán)節(jié)的實際需求，對容重、強度以及其他相關性能指標等進行合理設計，配合比設計環(huán)節(jié)應當按照規(guī)定圍繞著容重、強度等有序展開，配合比設計還涵蓋了原材料的選擇，輕質土的成分具體比例確定。流動值需滿足施工性能指標，特殊情況除外，流動值標準在180±20mm。配合比試配過程中，要確保滿足該要求，還應當確保容重、強度及其他相關性能指標滿足實際要求。原材料還需要合理控制，發(fā)泡劑，在稀釋倍率及發(fā)泡倍率確定的情況下，其穩(wěn)定性較好，消泡程度也明顯減小，將發(fā)泡劑和其他相關材料根據具體情況進行配合比制作，在滿足流動值的基礎上，其濕容重應當控制在5%之內，不然發(fā)泡劑不能滿足實際要求。水泥，在選擇水泥時，應當針對工程項目具體情況，選擇當地產水泥，并開展試配試驗，當試驗結果未達到要求時，則應當調整水泥的品牌與標號，從而確保滿足條件。原料的粒徑應當控制在5mm 之內，并選擇細砂，其他材料，摻入外加劑以及粉煤灰過程中，需要確保發(fā)泡劑具有良好適應性，同時滿足要求，不然應當考慮是否摻入適量的粉煤灰與外加劑。

4.5.2 過程質量控制

為了保證工程質量，需要加強過程質量控制，首先是原材料的精度，嚴格控制在±2%以內，在施工過程中，要確保材料符合具體設計要求，在攪拌施工過程中，還應當不定期的檢測混合輕質土材料的濕容重、流動值以及空氣含有率等各項指標，誤差要控制在±1%左右，每2 次/日對流動值、濕容重進行檢測，同時也需要定期檢測空氣含有率[8]。

4.6 前期準備工作

4.6.1 基槽及墊層處理

在氣泡輕質土正式澆注之前，需要對路基基槽進行開挖，并切實做好相關準備工作，如防、排水工程等環(huán)節(jié)，施工墊層，嚴格根據標準要求對墊層頂標高加強控制。澆注之前，需要檢查基槽低于開挖的側壁有無殘留松土，保障澆注的部分和基槽底、側壁等都能夠密實接觸。在澆注之前，需要明確澆注頂標高線，在具體澆注環(huán)節(jié)，以寬縱向約20m 為澆筑區(qū)域澆注施工，每一次澆注完畢。

4.6.2 配比試驗

在消泡試驗過程中，應當明確發(fā)泡劑和其他相關材料適應性，施工配合比試驗，需提前明確配合比，氣泡混合輕質土的配比優(yōu)化，可考慮添加適當的早強激發(fā)劑，塑形膨脹劑與增稠劑，優(yōu)化氣泡混合輕質土結構的抗裂與穩(wěn)泡性能，從而提高結構穩(wěn)定性與耐久性。

4.6.3 設備配備

使用廣東東升科技發(fā)展有限公司氣泡輕質土進行設備制備，此設備能夠確保多步驟、自動化控制，從而達到自動控制輕質土密度、泡沫流量、密度等多個方面，產能也大大提高，從而有效改變傳統設備存在的不足和缺陷，達到輕質土施工質量均勻性與穩(wěn)定性的目標。

4.7 施工具體工序

先進行施工坡面開挖，包括了坡面臺階縱向與橫向排水軟管、錨筋施工，等到混凝土強度慢慢達到80%之后，再進行氣泡輕質土澆筑施工，在整個澆筑環(huán)節(jié)中，要嚴格按照設計要求，鋪設水平鋼筋網。路基頂部路面結構層與防撞護欄部分，一定要在輕質土路基強度逐漸達到0.5Mpa 以上才能夠正常展開施工。

4.8 澆筑施工

拌和站將拌制的水泥漿要及時運往現場，并通過輸送泵送到制備站，水泥漿和經泡沫混合之后泵送到澆注面，前端制備站會根據澆注工區(qū)改變慢慢移動。氣泡群要和水泥基漿料均勻混合，氣泡混合輕質土在泵送管道中停留時間要合理控制在1h 之內，在分區(qū)開展?jié)沧⒆鳂I(yè)過程中，單層澆注厚度要控制在80cm，從而確保單層澆注施工時間在水泥漿初凝之前順利完成，下澆筑層終凝之后再繼續(xù)上層澆筑作業(yè)。在填筑頂層澆筑完之后，還需要在表面覆蓋塑料薄膜，同時保濕養(yǎng)護約7d 左右，氣泡輕質土頂層還需鋪設防滲膜進行包裹，并設置護欄基座。每間隔20m 需設置2cm 通縫，在縫內填充泡沫塑料板。

結語：

氣泡混合輕質土是一種新型的施工材料，其具有輕質性、高流動性，密度與強度可靈活調節(jié)，施工過程便捷等諸多特征，從而能夠有效降低填土施工荷載以及附加應力，改善地基不均勻沉降與側移，不斷提高路基的整體穩(wěn)定性與可靠性。地下結構物表面壓力也明顯減少，結構物的使用壽命也明顯得到提高，同時能夠有效遏制路堤差異沉降以及錯位現象。近年來，該材料被廣泛應用于各個領域當中，取得了顯著的效果，該施工材料集環(huán)保、價廉、新技術于一體，具有廣闊的應用前景，也為我國工程建筑行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展奠定了良好的基礎。