氣泡混合輕質(zhì)土在高速公路改擴(kuò)建中的應(yīng)用研究

李浩 王躍虎

摘要 為研究氣泡混合輕質(zhì)土在高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用，以提高路基整體性和穩(wěn)定性，從而提升公路整體通行能力。文章結(jié)合實(shí)際工程，首先闡述了氣泡混合輕質(zhì)土的原材料設(shè)計(jì)、制備工藝及配合比設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土施工工藝進(jìn)行研究。研究表明，氣泡混合輕質(zhì)土可作為路基填料可較好應(yīng)用于公路改擴(kuò)建工程中。

關(guān)鍵詞 高速公路;改擴(kuò)建;氣泡混合輕質(zhì)土

中圖分類號(hào) U414;U418.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）05-0117-03

0 引言

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)事業(yè)的不斷進(jìn)步，截至目前，全國(guó)高速公路總里程已穩(wěn)居世界第一位，極大促進(jìn)了人們的日常出行需求。由于全國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，車輛保有量也在不斷增多，早些年修建的高速公路通行能力已很難滿足目前的行車要求，針對(duì)此類問(wèn)題，采用的較普遍方式為對(duì)公路進(jìn)行改擴(kuò)建處理，以增強(qiáng)公路整體通行能力。在高速公路改擴(kuò)建建設(shè)項(xiàng)目中，路基填料的選取較為重要，現(xiàn)階段常用于氣泡混合輕質(zhì)土作為路基填料，其施工簡(jiǎn)單、成本低廉、質(zhì)量易于保證等特性而應(yīng)用較為廣泛。該文圍繞氣泡混合輕質(zhì)土的工程特性、原材料設(shè)計(jì)以及制備工藝進(jìn)行展開(kāi)，重點(diǎn)研究其施工工藝，并在具體工程中進(jìn)行應(yīng)用研究。

1 氣泡混合輕質(zhì)土工程特性

1.1 輕質(zhì)性

通常氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)部存在較多氣泡群和空隙，其容重相對(duì)較小，可通過(guò)改變固化劑和氣泡的比例來(lái)調(diào)整自身的強(qiáng)度和容重。

1.2 施工和易性

氣泡混合輕質(zhì)土具備一定的流通性，可在滿足長(zhǎng)距離泵送要求，同時(shí)無(wú)需進(jìn)行壓實(shí)和振搗，可極大減少施工周期。

1.3 耐久性

氣泡混合輕質(zhì)土屬于水泥類材料，因此具備耐熱性和耐久性，比一般的高分子材料的性能更高，可滿足大多數(shù)交通荷載要求。

1.4 環(huán)保性

氣泡混合輕質(zhì)土的原材料可選用工業(yè)廢渣或粉煤灰，可實(shí)現(xiàn)資源的二次循環(huán)利用，降低對(duì)環(huán)境污染的影響。

1.5 隔熱和滲透性好

由于氣泡混合輕質(zhì)土存在較多氣泡，且空隙率較大，進(jìn)而其傳熱效果較差，自身的保溫隔熱性能良好。另外，由于內(nèi)壁氣泡為獨(dú)立封閉狀態(tài)，因此具備良好的防滲透性能。

2 工程概況

某高速公路建設(shè)項(xiàng)目全線長(zhǎng)45.07 km，雙向六車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為120 km/h，路基寬度為34.5 m，公路全線橋隧比共計(jì)41.5%，其中路基工程相對(duì)占比較大。該高速公路自建成通車投入運(yùn)營(yíng)到現(xiàn)在已有十余年，由于當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)迅猛發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，日交通量逐年增多，現(xiàn)階段高速公路路面較多標(biāo)段已出現(xiàn)不同程度的病害問(wèn)題，同時(shí)公路通行能力已無(wú)法滿足目前的車流量需求，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象，因此，需要對(duì)該高速公路進(jìn)行必要的改擴(kuò)建處理，通過(guò)綜合比較選擇采用氣泡混合輕質(zhì)土作為路基填料進(jìn)行路基施工，并對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土制備工藝和施工方案進(jìn)行研究。

3 氣泡混合輕質(zhì)土工程特性分析

3.1 原材料設(shè)計(jì)

3.1.1 發(fā)泡劑[1]

項(xiàng)目選用復(fù)合類型的發(fā)泡劑材料，首先采用發(fā)泡機(jī)對(duì)發(fā)泡劑進(jìn)行稀釋處理，后對(duì)其主要性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

3.1.2 水泥

選用P·O42.5R型號(hào)水泥材料，該水泥的物理性能和化學(xué)性能指標(biāo)如表2、表3所示。

3.1.3 粉煤灰

項(xiàng)目選用Ⅱ級(jí)粉煤灰材料，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

3.2 制備工藝

氣泡混合輕質(zhì)土的制備主要通過(guò)預(yù)制泡沫、制備膠凝材料漿體和泡沫漿體攪拌三個(gè)關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)，其制備工序流程如圖1所示。氣泡混合輕質(zhì)土的制備原理為物理發(fā)泡，具體為將發(fā)泡劑在水中進(jìn)行稀釋溶解成溶液，再采用高壓空氣機(jī)制備泡沫，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓來(lái)調(diào)整泡沫密度[2]。其制備流程具體如下：

（1）采用機(jī)械設(shè)備來(lái)攪拌氣泡混合輕質(zhì)土，提前對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行清理，且預(yù)拌攪拌量在攪拌機(jī)1/4左右的同類型氣泡混合輕質(zhì)土混合料。

（2）對(duì)各原材料進(jìn)行稱重處理，稱重偏差控制在±0.55左右，向攪拌機(jī)中摻加水泥、粉煤灰、水等材料并攪拌2 min左右，以制得膠凝材料，攪拌保持均勻連續(xù)，避免出現(xiàn)離析。

（3）結(jié)合設(shè)定的稀釋倍率配置發(fā)泡劑溶液，調(diào)整閥門(mén)將發(fā)泡液制備成泡沫，直至泡沫可均勻從出口流出，泡沫的密度宜控制在48～52 kg/m3范圍內(nèi)。

（4）將泡沫結(jié)合設(shè)計(jì)比例均勻加入膠凝材料中攪拌2～4 min。

（5）將拌和得到的氣泡混合輕質(zhì)土均勻倒入模具中，模具內(nèi)壁提前涂刷一層脫模劑，裝模完畢后采用保鮮膜進(jìn)行覆蓋，嚴(yán)禁出現(xiàn)晃動(dòng)，避免氣泡破滅。

（6）成型1～2 d后進(jìn)行拆模處理，拆出的試件放入塑料袋內(nèi)進(jìn)行密封處理，并放置養(yǎng)護(hù)室中按照齡期進(jìn)行養(yǎng)生處理。

3.3 配合比設(shè)計(jì)

由于氣泡混合輕質(zhì)土的流動(dòng)性較低，其混合料泵送所需壓力較大容易堵管，且其混合料若在管道中長(zhǎng)時(shí)間滯留時(shí)容易產(chǎn)生離析，因此在進(jìn)行氣泡混合輕質(zhì)土施工前應(yīng)充分考慮氣泡混合輕質(zhì)土流動(dòng)性的情況下進(jìn)行必要的配合比設(shè)計(jì)。氣泡混合輕質(zhì)土中重要成分之一為拌和水，用于提升施工和易性和水化反應(yīng)。氣泡混合輕質(zhì)土的水灰比會(huì)直接影響其泵送過(guò)程中的流動(dòng)阻力，因此也須嚴(yán)格控制其水灰比大小[3]。氣泡混合輕質(zhì)土設(shè)計(jì)指標(biāo)如表5、表6所示。

4 氣泡混合輕質(zhì)土施工工藝研究

4.1 氣泡混合輕質(zhì)土制備

提前對(duì)各項(xiàng)原材料進(jìn)行室內(nèi)性能試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定各項(xiàng)原材料的具體摻入含量，再結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行配比優(yōu)化。嚴(yán)格按照優(yōu)化后的配合比制備氣泡混合輕質(zhì)土，并做好妥善存儲(chǔ)。氣泡混合輕質(zhì)土的制備主要包括泡沫預(yù)制、膠凝材料漿體制備、泡沫與漿體均勻混合攪拌三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氣泡混合輕質(zhì)土發(fā)泡方式主要采用物理發(fā)泡，即將發(fā)泡劑稀釋溶于水，配置成溶液，通過(guò)高壓空氣機(jī)制得泡沫，可以通過(guò)調(diào)節(jié)空壓機(jī)中的氣壓大小來(lái)控制泡沫密度。

4.2 性能測(cè)試

4.2.1 濕容重測(cè)試

氣泡混合輕質(zhì)土的單位體積重量為濕容重，須遵循《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJT 177—2012）相關(guān)規(guī)范進(jìn)行展開(kāi)，其具體步驟為：將氣泡混合輕質(zhì)土拌合物攪拌均勻后倒至塑料燒杯并將其裝滿，并確保在取樣后的5 min內(nèi)完成;采用電子秤對(duì)標(biāo)準(zhǔn)筒進(jìn)行稱量處理，再將拌合物緩慢倒至標(biāo)準(zhǔn)筒內(nèi)，采用平口刀輕敲筒壁，保證試樣充滿標(biāo)準(zhǔn)筒，并采用平口刀對(duì)表面進(jìn)行刮平處理，再一齊進(jìn)行稱重處理;重復(fù)上述試驗(yàn)，取兩次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為氣泡混合輕質(zhì)土的最終濕容重。

4.2.2 流動(dòng)度測(cè)試

評(píng)價(jià)新拌氣泡混合輕質(zhì)土流動(dòng)性的主要指標(biāo)為流動(dòng)度，需遵循《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJT 177—2012）相關(guān)規(guī)范進(jìn)行展開(kāi)，其具體步驟為：先采用塑料燒杯取適量新拌氣泡混合輕質(zhì)土拌合物，再將試樣緩慢倒至空心圓筒內(nèi)，采用平口刀輕敲使試樣充滿空心圓筒并將筒口處刮平;緩慢將空心圓筒垂直提起，此時(shí)試樣會(huì)自然坍落，時(shí)間控制在3～7 s之內(nèi);靜置1 min后結(jié)合鋼尺測(cè)量坍落體最大水平直徑;重復(fù)上述試驗(yàn)，取兩次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為氣泡混合輕質(zhì)土的最終流動(dòng)度。

4.2.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

由于氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)含有許多微小且封閉的氣孔，其受力情況較為獨(dú)特，需遵循《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJT 177—2012）相關(guān)規(guī)范進(jìn)行展開(kāi)，試件規(guī)格設(shè)定為100 mm×100 mm×100 mm，一組三塊，其具體步驟為：首先對(duì)試件按照規(guī)定齡期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，且確保試件表面無(wú)明顯缺陷;測(cè)量尺寸后選取較平整一面作為承壓面，對(duì)準(zhǔn)壓力機(jī)上下板與試件的位置，進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，加荷速率控制在2 kN/s左右，待試件內(nèi)部出現(xiàn)明顯裂縫時(shí)即可停止碾壓;取三塊試件抗壓強(qiáng)度算術(shù)平均值作為氣泡混合輕質(zhì)土最終抗壓強(qiáng)度。

4.3 施工準(zhǔn)備

正式施工前施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)方案和圖紙于規(guī)劃好的路基橫斷面位置設(shè)置相應(yīng)的坡腳樁體結(jié)構(gòu)，且對(duì)原路基邊坡進(jìn)行適當(dāng)?shù)亻_(kāi)挖，以提高新舊路基之間的整體拼接效果。待擋板混凝土澆筑完成后及時(shí)將表面雜物進(jìn)行清除，并采用砂漿砌筑的方式在外部設(shè)置一層擋板。

4.4 設(shè)備管路布設(shè)

正式施工前施工單位應(yīng)規(guī)劃好氣泡混合輕質(zhì)土拌和區(qū)域，合理控制氣泡混合輕質(zhì)土拌和位置、泵送范圍和距離等。同時(shí)對(duì)混凝土泵送管路距離進(jìn)行合理規(guī)劃，提前做好地形地質(zhì)勘察，結(jié)合實(shí)際情況確定出合理的管路布設(shè)圖紙，管路中各接頭連接緊密，嚴(yán)禁在泵送中出現(xiàn)脫管、炸管現(xiàn)象，不得存在管路彎折，一定情況下可適當(dāng)減少管路長(zhǎng)度。泵送管路出口處和上部應(yīng)分別安裝截止閥門(mén)和出氣閥門(mén)[4]，以均衡管路內(nèi)部壓力，防止存在真空。

4.5 泵送施工

管路布設(shè)完畢后應(yīng)立即進(jìn)行氣泡混合輕質(zhì)土的泵送施工。施工技術(shù)人員首先對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行潤(rùn)濕再干燥，以均衡管內(nèi)壓強(qiáng)差，防止裂管和爆管現(xiàn)象發(fā)生。氣泡混合輕質(zhì)土的泵送應(yīng)遵循先慢后快，在泵送過(guò)程中定期檢查管內(nèi)壓力。此外，泵送還應(yīng)保持連續(xù)均勻，嚴(yán)禁出現(xiàn)停滯時(shí)間大于30 min的現(xiàn)象，泵送完畢后應(yīng)立即對(duì)各閥門(mén)和管道內(nèi)壁進(jìn)行清洗，以防止混凝土凝結(jié)而污染管路，方便下次直接使用。

4.6 故障處理

在氣泡混合輕質(zhì)土的泵送施工過(guò)程中容易存在管路堵塞、脫落等現(xiàn)象，為保證氣泡混合輕質(zhì)土整體施工質(zhì)量，應(yīng)及時(shí)定期進(jìn)行必要故障排查處理。若存在氣泡混合輕質(zhì)土堵塞管路現(xiàn)象，施工技術(shù)人員可采用輕錘的方式來(lái)輕敲管路，若仍存在堵管，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停止泵送，并將堵塞處的管路拆卸，清理完畢后再連接固定好各拆件，檢查無(wú)誤后繼續(xù)進(jìn)行泵送。若存在脫管問(wèn)題，應(yīng)立即暫停泵送工作，對(duì)管路各項(xiàng)區(qū)域位置進(jìn)行詳細(xì)排查。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段高速公路改擴(kuò)建施工常用氣泡混合輕質(zhì)土作為路基填料，其具有施工簡(jiǎn)單、成本低廉、質(zhì)量易于保證等特性。該文為研究氣泡混合輕質(zhì)土在公路改擴(kuò)建中的應(yīng)用，首先闡述了氣泡混合輕質(zhì)土的原材料設(shè)計(jì)、制備工藝以及配合比設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土施工工藝進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，采用氣泡混合輕質(zhì)土可作為路基填料可較好應(yīng)用于公路改擴(kuò)建工程中，具有較好的可行性和實(shí)用性。

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