泡沫輕質(zhì)土性能分析及其在公路拓寬中的應(yīng)用研究

章志勇 鄧明偉

1.江西中京工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 江西南昌 330096；2.江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西南昌 330200

在現(xiàn)場(chǎng)施工條件允許的情況下，開展既有道路的拓寬改造是較為經(jīng)濟(jì)合理的選擇，應(yīng)注意盡量降低對(duì)既有日常交通運(yùn)輸?shù)挠绊懀_保交通運(yùn)行的順暢。但由于擴(kuò)寬公路與舊公路之間存在路基材料、填筑壓實(shí)度、結(jié)構(gòu)等差異，拓寬公路路基結(jié)合部位路面會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫現(xiàn)象，在車輛荷載、雨水沖刷等作用下，引起路基下沉開裂、路面剪切破壞等公路病害，嚴(yán)重影響拓寬公路的正常運(yùn)營和使用[1]。泡沫輕質(zhì)土是一種新型混凝土，主要成分為鈣質(zhì)材料、水、特殊外加劑、摻合料及骨料等材料，經(jīng)過泡沫群起泡技術(shù)，使得成型的混凝土內(nèi)含有大量的封閉性氣孔[2]。由于泡沫輕質(zhì)土相較于其他填土材料不僅質(zhì)量輕而且還具有一定的強(qiáng)度，呈半剛性特性，所以無論是在道路工程、建筑行業(yè)還是地基處理領(lǐng)域其都受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用，具有很大的工程價(jià)值[3]。本文主要研究泡沫輕質(zhì)土的性能與其在公路工程路面拓寬中的實(shí)用性。

1 泡沫輕質(zhì)土的性能分析

（1）輕質(zhì)性：泡沫輕質(zhì)土的容重較小，容重通常是傳統(tǒng)建筑材料的20%～60%，具有輕質(zhì)性。泡沫輕質(zhì)土內(nèi)含有大量的微小氣泡群，可以通過改變基本組成材料的配合比、控制輕質(zhì)土固化過程中調(diào)整發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率，進(jìn)而調(diào)整泡沫輕質(zhì)土的容重，具有施工便利性[4]。

（2）強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性：在工程應(yīng)用中，類比于容重可調(diào)節(jié)性的原理，可以通過改變組成泡沫輕質(zhì)土的各類原料的配合比來調(diào)節(jié)其強(qiáng)度，施工更為靈活。

（3）流動(dòng)性：相比于普通混凝土，泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性較強(qiáng)，施工時(shí)可節(jié)省壓實(shí)、平整等工序，提高施工速度。此外也具備管道運(yùn)輸?shù)臈l件，施工更為便捷。

（4）固化后的自立性：區(qū)別于常規(guī)土質(zhì)材料具有一定的離散性，由于泡沫輕質(zhì)土在制作過程中以水泥作為固化劑，固化成形后具有自立性，因此在工程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如，泡沫輕質(zhì)土用于擋土墻填筑時(shí)幾乎無壓力傳遞給墻背，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提升了工程可靠性。

（5）耐久性：泡沫輕質(zhì)土屬于水泥類材料，具有與水泥材料同等的耐久性，提升了工程質(zhì)量和耐久性。

2 泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行路基加寬案例分析

2.1 工程概況

某位于丘陵地區(qū)的雙向四車道高速公路全長36.34km，由于車流量的增加使得公路交通日益擁堵，無法滿足使用需求，故擬將該高速公路改擴(kuò)建為雙向八車道。通過方案比選研究決定，全線共21 處路基段的填筑材料均采用泡沫輕質(zhì)土，共需31.6 萬m3。

2.2 泡沫輕質(zhì)土填筑路基技術(shù)原理

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)配合比配置水和水泥的用量，并利用攪拌機(jī)對(duì)漿液進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚敝吝_(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后再將制備好的水泥基膠速凝漿泵入儲(chǔ)存罐內(nèi)備用。

（2）首先通過物理手段將固態(tài)的發(fā)泡劑轉(zhuǎn)換為液態(tài)，并利用發(fā)泡槍將其制備成氣泡群，然后按照設(shè)計(jì)配合比，將氣泡群輸入到已存儲(chǔ)有水泥基膠速凝漿的儲(chǔ)存罐內(nèi)并充分?jǐn)嚢?，混合后形成泡沫輕質(zhì)土聚合物。

（3）預(yù)制完成的泡沫輕質(zhì)土聚合物通過泵送的方式輸送到路基澆筑工點(diǎn)，然后根據(jù)分區(qū)、分段、分層的澆筑原則進(jìn)行作業(yè)，并嚴(yán)格遵守施工準(zhǔn)則保質(zhì)保量完成澆筑。

（4）充分發(fā)揮泡沫輕質(zhì)土的輕體量、自立性、自硬性等優(yōu)點(diǎn)，減輕路基結(jié)構(gòu)本身的自重，降低路基沉降不均及工后沉降量，從而加強(qiáng)了路基結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2.3 泡沫輕質(zhì)土施工技術(shù)要點(diǎn)分析

2.3.1 邊坡開挖

（1）在泡沫輕質(zhì)土路基段與舊路基段的銜接處，為保證此處有效路面寬度，根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要以開挖臺(tái)階作為過渡，臺(tái)階尺寸為1m×1m，并一般放2%的豎向坡。為避免臺(tái)階邊坡土體不穩(wěn)以致垮塌，一般臺(tái)階開挖完成后需及時(shí)做噴漿處理。

（2）施工時(shí)，通常先采用機(jī)械挖掘的方式進(jìn)行邊坡開挖，機(jī)械挖掘到位后再進(jìn)行人工開挖，并進(jìn)行精細(xì)化修整，如此可很好避免機(jī)械超挖帶來的影響。尤其需要警惕的是，施工過程中要注意壓實(shí)土體，防止其松散垮塌。此外，開挖過程中開挖面的豎直度關(guān)乎路堤的防側(cè)滑性，故開挖面保證豎直。

2.3.2 基底處理

（1）為了確保路基排水的通暢性，需要在泡沫輕質(zhì)土下面布設(shè)30cm 厚的碎石基底，碎石中的泥沙應(yīng)盡量少。

（2）為了避免地下水滲透破壞基底結(jié)構(gòu)，需要在碎石基底上鋪設(shè)HDPE 防滲土工膜，在鋪設(shè)前需要徹底清除尖銳物，避免HDPE 防滲土工膜破裂。

2.3.3 保護(hù)壁施工

（1）首先根據(jù)施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)壁面板基礎(chǔ)采用C25 混凝土進(jìn)行現(xiàn)澆，確保強(qiáng)度滿足要求。

（2）護(hù)壁面板基礎(chǔ)的沉降縫應(yīng)與泡沫輕質(zhì)土的沉降縫的設(shè)置位置保持一致，并應(yīng)在澆筑前就預(yù)先設(shè)置完成。

（3）為避免后期在澆筑泡沫輕質(zhì)土?xí)r護(hù)壁面板產(chǎn)生變形，混凝土護(hù)壁面板采用角鋼和鋼筋進(jìn)行牢固連接。

2.3.4 澆筑區(qū)劃分

（1）在泡沫輕質(zhì)土路基澆筑前，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況劃分多個(gè)作業(yè)區(qū)，并劃分不同的澆筑層。

（2）單個(gè)作業(yè)區(qū)的泡沫輕質(zhì)土的澆筑面積的大小受根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)制備能力和初凝時(shí)間來確定，通常單個(gè)作業(yè)區(qū)的頂部面積150～200m2之間。

（3）每隔10～15m 在路基沿線設(shè)置2cm 寬的水平伸縮縫，并在縫隙中填充泡沫板，尤為需要重視的是，水平伸縮縫的位置不能與澆筑區(qū)的施工縫的重合。

2.3.5 水泥漿制備

（1）水泥基速凝漿料是由具備自動(dòng)上料功能的拌和站集中供應(yīng)的，且拌和站的測(cè)量設(shè)備必須經(jīng)過定期校準(zhǔn)，確保測(cè)量精度。

（2）水泥需要通過消泡測(cè)試才能用于制作泡沫輕質(zhì)土，確保水泥的密度增加速率滿足施工及設(shè)計(jì)要求。

（3）水泥基速凝漿液應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行制備，確保制備質(zhì)量。

（4）采用集中拌和的方式制備水泥基速凝漿料，通過泵機(jī)泵將制備好的水泥基速凝漿料送至儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。

2.3.6 泡沫輕質(zhì)土制備

（1）泡沫輕質(zhì)土的配合比必須嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)配合比要求，采用具有界面活性的發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡。

（2）首先通過物理手段將固態(tài)的發(fā)泡劑轉(zhuǎn)換為液態(tài)，并利用發(fā)泡槍將其制備成氣泡群，然后按照設(shè)計(jì)配合比，將氣泡群輸入到已存儲(chǔ)有水泥基膠速凝漿的儲(chǔ)存罐內(nèi)并充分?jǐn)嚢瑁苟叱浞只旌虾笮纬膳菽p質(zhì)土聚合物。

（3）用于制備泡沫輕質(zhì)土的設(shè)備需要具備自動(dòng)計(jì)量功能，確保泡沫輕質(zhì)土是按設(shè)計(jì)要求制備的。利用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢枧菽?、水泥基速凝漿料制成泡沫輕質(zhì)土。

2.3.7 泡沫輕質(zhì)土澆筑

（1）泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后，需用路床層材料平整路基底部填筑路面橫坡處，泡沫輕質(zhì)土具有平直性使得澆筑頂部沒有坡度，為了滿足橫坡要求需要做上述處理。

（2）泡沫輕質(zhì)土澆筑施工一般可以采用泵送方式輸送，為保證施工安全，輸送時(shí)需要特別關(guān)注泵送壓力與連接處的緊密性，確保將輸送壓力控制在正常范圍內(nèi)。

（3）澆筑時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注泡沫輕質(zhì)土的性狀變化，盡量做到不擾動(dòng)下層土，施工時(shí)澆筑管道的移動(dòng)方向應(yīng)該順著其自身的縱向移動(dòng)。

（4）如遇下雨需立馬停止作業(yè)并用防水膜覆蓋已澆筑區(qū)域，避免雨水浸入破壞了沫輕質(zhì)土的品質(zhì)。2.3.8 養(yǎng)護(hù)

（1）泡沫輕質(zhì)土硬化后也需要做好防護(hù)措施，保護(hù)成品，在其未達(dá)到設(shè)計(jì)使用強(qiáng)度之前，應(yīng)禁止直接在回填表面上進(jìn)行機(jī)械施工。

（2）一般來說，頂層的泡沫輕質(zhì)土澆筑后的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不低于7d，試塊強(qiáng)度不小于0.4MPa，達(dá)到該要求后才能在泡沫輕質(zhì)土上方進(jìn)行下一道工序施工。

（3）為確保泡沫輕質(zhì)土施工質(zhì)量，每一層澆筑完以后應(yīng)及時(shí)采取覆膜保濕養(yǎng)護(hù)措施。

2.4 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在路基典型橫斷面處布設(shè)沉降板及邊樁，進(jìn)行路基整體和總沉降變形觀測(cè)。通過記錄和分析沉降數(shù)據(jù)及變化規(guī)律，掌握沉降發(fā)展情況，便于及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行處置。對(duì)典型斷面進(jìn)行沉降觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見表1 和圖1。

表1 典型斷面沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 典型斷面沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

路基結(jié)構(gòu)的累計(jì)沉降隨著泡沫輕質(zhì)土的層層澆筑逐漸增大，沉降速率從初期的快速增長逐步變緩，最后區(qū)域平穩(wěn)，最大沉降量為19.8mm。由于泡沫輕質(zhì)土容重較小，產(chǎn)生的地應(yīng)力較小，相比于常規(guī)土體，沉降量不大。

3 泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行路基加寬的優(yōu)勢(shì)

（1）施工便捷：在施工過程，泡沫輕質(zhì)土通過攪拌站預(yù)制及管道運(yùn)輸，從制備到澆筑都無須用到大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸、振搗或碾壓，如此不僅減少了施工工序還節(jié)省了作業(yè)時(shí)間。再者，輕質(zhì)泡沫土由于分段、分區(qū)施工，對(duì)空間限制因素不敏感，可在狹小空間內(nèi)進(jìn)行施工，節(jié)省了施工場(chǎng)地；同時(shí)泡沫輕質(zhì)土在施工時(shí)具有自流平特性，不需要人工二次整平，施工效率高，工期短；泡沫輕質(zhì)土固化后具有自立性，一般在澆筑完成后4～8h 即可固化，便于邊坡垂直施工，無須放坡，可減少作業(yè)占地面積。

（2）對(duì)地基要求低，工后沉降?。号菽p質(zhì)土容重小、質(zhì)量輕，作為路基填筑材料對(duì)原路基地基的承載力要求能適當(dāng)放寬，有效減輕填土負(fù)荷，在地基處理軟土換填中具有優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低基地應(yīng)力，減少次固結(jié)沉降。

（3）施工便捷，工期短，節(jié)約工程造價(jià)：同路基填筑工程常規(guī)的工序相比，泡沫輕質(zhì)土的施工工序更為少一些，施工也更為便捷，有效縮短工期，且經(jīng)過管道泵送及施工，有效減少施工便道和運(yùn)輸成本，降低了施工成本。

（4）有利于保持交通通暢：由于泡沫輕質(zhì)土容重小，可以避免澆筑時(shí)對(duì)老路上的既有構(gòu)造物產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，此外可以垂直填筑，在高速公路改擴(kuò)建工程中調(diào)整縱坡的同時(shí)，無須中斷交通，能夠確保既有交通通暢。

4 結(jié)語

（1）在道路改擴(kuò)建工程中應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土具有下述優(yōu)點(diǎn)：可垂直施工填筑，無須放坡，有效減少征地拆遷、施工占地及放坡開挖量；可有效降低填土荷重，減少基底應(yīng)力，降低新老路基銜接段的不均勻沉降；通過管道輸送機(jī)澆筑，精簡施工流程與工序，降低工程造價(jià)。

（2）結(jié)果表明泡沫輕質(zhì)土填筑路堤的工后沉降較小，且沉降趨勢(shì)較為穩(wěn)定，具有一定的施工應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。