泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)要點(diǎn)及在橋頭路基填筑中的應(yīng)用研究

摘要 文章依托于312國道無錫飛鳳路至金城東路段改擴(kuò)建工程，重點(diǎn)研究泡沫輕質(zhì)土在橋頭路基填筑中的應(yīng)用。首先闡述了泡沫輕質(zhì)土的材料組成及工程特性，然后，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定了距離路面底部不同深度所用泡沫輕質(zhì)土的配合比，最后基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)例，通過檢測(cè)泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度、濕密度、標(biāo)準(zhǔn)沉降率等指標(biāo)，驗(yàn)證了配合比設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)際應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)泡沫輕質(zhì)土的配合比，可以獲得良好的力學(xué)性能和施工效果，為橋頭路基填筑提供可行的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞 泡沫輕質(zhì)土；配合比；橋頭路基填筑；應(yīng)用研究

中圖分類號(hào) U445.55文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0078-04

0 引言

傳統(tǒng)的路基填筑材料通常使用砂土、黏土等，但這些材料在填筑完成后存在很多問題，如自重大、易塌陷、抗凍性差等。為了解決這些問題，近年來泡沫輕質(zhì)土作為一種理想的填土材料被引入到橋頭路基填筑中，通過在一定厚度的換填層上采用輕質(zhì)材料進(jìn)行填筑，可以形成具有一定彈性的路基結(jié)構(gòu)，這種彈性特性可以吸收和分散交通荷載的作用力，減少對(duì)地基的附加應(yīng)力集中，從而降低工后沉降量，同時(shí)也避免了出現(xiàn)穩(wěn)定性不足的問題。該文依托實(shí)體工程，提出了泡沫輕質(zhì)土的具體配合比，并對(duì)輕質(zhì)土在橋頭路基填筑中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 泡沫輕質(zhì)土材料組成及工程特性

泡沫輕質(zhì)土是一種由發(fā)泡劑水溶液制成泡沫并與水泥、砂漿等原材料混合后形成的輕質(zhì)材料，其密度較低，通常在300～1 600 kg/m³之間，因此具有良好的保溫隔熱性能和吸震減震性能，適用于建筑物的墻體、屋頂、地板以及路面等不同部位的填充或覆蓋。泡沫輕質(zhì)土中的物理發(fā)泡是通過在稀釋的發(fā)泡劑中注入大量空氣來產(chǎn)生泡沫，而化學(xué)發(fā)泡則是通過在水泥漿中投入發(fā)泡劑并進(jìn)行反應(yīng)來產(chǎn)生泡沫，其制備工藝流程見圖1。

1.1 原材料

（1）水泥：泡沫輕質(zhì)土中主要膠凝材料為水泥，它起到了膠結(jié)和固化泡沫混凝土的作用。

（2）發(fā)泡劑：發(fā)泡劑按照其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)可以分為多種類型，其中，機(jī)械發(fā)泡劑通過機(jī)械方法將空氣注入發(fā)泡劑中，形成泡沫；物理發(fā)泡劑則是利用表面活性劑等物理原理促進(jìn)氣體在液態(tài)中的擴(kuò)散和穩(wěn)定；而化學(xué)發(fā)泡劑則是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，推動(dòng)發(fā)泡過程的進(jìn)行。

1.2 工程特性

（1）輕質(zhì)性：泡沫輕質(zhì)土通過均勻充填氣泡來降低其容重，減小地基承載壓力，降低地震產(chǎn)生的慣性力。與粉煤灰容重相比，泡沫輕質(zhì)土的容重約為粉煤灰容重的0.2～1倍，與普通混凝土相比，泡沫輕質(zhì)土容重約為其容重的0.1～0.6倍。

（2）耐久性：使用壽命與水泥混凝土相同。在泡沫混凝土的制備過程中，通過加入發(fā)泡劑使混凝土中產(chǎn)生大量的氣孔，這些氣孔可以減少水分在混凝土中的自由移動(dòng)和凝結(jié)，從而降低水分在混凝土中凝結(jié)成冰的可能性，因?yàn)楫?dāng)水分凝結(jié)成冰時(shí)，會(huì)發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起凍脹破壞。通過加入發(fā)泡劑制備泡沫混凝土，可以同時(shí)形成氣孔結(jié)構(gòu)和水泡結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能夠有效隔離和分散水分，并減輕水分對(duì)混凝土的影響。

（3）減震作用：在泡沫輕質(zhì)土中，由于其密度較小和質(zhì)量輕，波動(dòng)傳遞速度相對(duì)較慢。當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^泡沫輕質(zhì)土?xí)r，部分能量會(huì)被吸收和消耗，從而降低了地震力的傳遞和反應(yīng)，這種吸能能力可以減少結(jié)構(gòu)受到的地震力和振動(dòng)幅度，從而保護(hù)建筑物和結(jié)構(gòu)的安全性^[1]。此外，泡沫輕質(zhì)土中的微孔結(jié)構(gòu)也具有一定的減震功能，微孔能夠吸收和分散部分地震能量，阻礙振動(dòng)波的傳播，減少其對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊和損害。

（4）良好的施工性：由于泡沫輕質(zhì)土不含粗骨料，其可以通過軟管進(jìn)行泵送，相比傳統(tǒng)混凝土的運(yùn)輸方式，可以降低運(yùn)輸成本。在施工時(shí)，無須進(jìn)行振動(dòng)和碾壓等操作，這極大簡(jiǎn)化了施工流程并降低了人力成本^[2]。此外，由于泡沫輕質(zhì)土具有較好的流動(dòng)性，澆筑過程更加連續(xù)順暢，不容易產(chǎn)生空隙或接頭處的不均勻現(xiàn)象，從而提高了施工效率。

2 配合比設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）原材料檢測(cè)：該文根據(jù)GB/T8077—2012和JC/T2199—2013中的規(guī)定對(duì)水泥發(fā)泡劑進(jìn)行檢測(cè)，采用的儀器有pH計(jì)、電子天平、泡沫沉降距和泌水儀、泡沫發(fā)生器等，具體檢測(cè)結(jié)果見表1。

（2）泡沫輕質(zhì)土濕密度和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)滿足技術(shù)要求，具體見表2。

（3）為了滿足距離路面底部不同位置處輕質(zhì)混凝土的性能需求，該文針對(duì)1.2 m以上和1.2 m以下分別進(jìn)行兩種輕質(zhì)混凝土配合比的設(shè)計(jì)，各材料比例及指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表3。

（4）按上述配合比成型后，流動(dòng)度、濕密度、力學(xué)性能（7 d、28 d抗壓強(qiáng)度），試驗(yàn)結(jié)果見表4。

（5）根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選定基準(zhǔn)配合比為混凝土配合比，其力學(xué)性能及工作性能滿足設(shè)計(jì)和施工要求，理論配合比見表5。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

312國道無錫飛鳳路至金城東路段快速化改造，老路現(xiàn)狀為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，雙向6車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，瀝青混凝土路。該項(xiàng)目位于無錫市新吳區(qū)，起點(diǎn)位于望虞河北岸的飛鳳路南側(cè)（K110+941.925），沿現(xiàn)狀312國道老路線位向北依次與長江路、振發(fā)三路、振發(fā)路交叉，之后偏向西北，在現(xiàn)狀S19通錫高速上跨橋西側(cè)布線，之后與S259（薛典路）、華友中路交叉，從無錫高新區(qū)綜合保稅區(qū)東側(cè)穿過，之后與新光路交叉后進(jìn)入景云立交，終點(diǎn)位于金城東路北側(cè)的新吳區(qū)、錫山區(qū)界處（K128+063.589），路線全長約17.122 km。該次施工圖設(shè)計(jì)在新建主線高架橋頭路段，采用泡沫輕質(zhì)土處理。

3.2 工程試驗(yàn)段

按確定好的理論配合比拌和混凝土，在澆筑之前，先進(jìn)行試驗(yàn)段的鋪筑以檢測(cè)混凝土的相關(guān)參數(shù)是否符合規(guī)范要求，另外也對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試以滿足施工效率。在實(shí)際工程中，應(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè)泡沫輕質(zhì)土的使用情況和效果，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝和技術(shù)參數(shù)，使其更好地滿足設(shè)計(jì)要求。因此，該項(xiàng)目將一段長30 m，寬3. 5m，澆筑厚度為0.8 m的路段作為試驗(yàn)段，試驗(yàn)段中有部分路基土質(zhì)較差，采用混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)，應(yīng)先將不良土質(zhì)進(jìn)行挖除，然后再進(jìn)行澆筑，因而部分填筑段填筑深度達(dá)到了1.2 m以上；在進(jìn)行試驗(yàn)段澆筑過程中，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取樣測(cè)試混凝土濕密度、抗壓強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)沉降率等指標(biāo)。對(duì)于兩種理論配合比配制的混凝土，濕密度各取樣檢測(cè)3次，距路面底部距離大于1.2 m的混凝土，濕密度為570 kg/m³、540 kg/m³、530 kg/m³，距路面底部距離小于1.2 m的混凝土，濕密度為610 kg/m³、580 kg/m³、570 kg/m³，開始澆筑時(shí)的混凝土濕密度較大，經(jīng)調(diào)整發(fā)泡液后，兩種混凝土的濕密度均符合設(shè)計(jì)要求。兩種混凝土的標(biāo)準(zhǔn)沉降率為0.9%、1.2%，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的3%以下，流動(dòng)度結(jié)果為172 mm、175 mm，也滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于兩種混凝土的抗壓強(qiáng)度，該次制作了6組試件，其中三組進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，另外三組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別檢測(cè)齡期為3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果見表6。

從表6可以看出，兩種配合比的混凝土，不管是7 d還是28 d抗壓強(qiáng)度均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

泡沫輕質(zhì)土中的發(fā)泡設(shè)備主要用于產(chǎn)生泡沫，常見的發(fā)泡設(shè)備包括發(fā)泡機(jī)、發(fā)泡劑儲(chǔ)罐和氣源設(shè)備；混合設(shè)備用于將發(fā)泡劑與填料進(jìn)行混合攪拌，常見的混合設(shè)備有混凝土攪拌機(jī)、攪拌罐或者特制的混合設(shè)備；泵送設(shè)備用于將泡沫輕質(zhì)土輸送到施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)填充與壓實(shí)，常見的泵送設(shè)備包括輸送泵和噴涂機(jī)。傳統(tǒng)混凝土施工過程中常常需要進(jìn)行振搗和機(jī)械碾壓等操作以排除空隙和提高密實(shí)度^[3]。泡沫輕質(zhì)土由于其自身的流動(dòng)性和膨脹性，施工時(shí)無須進(jìn)行振搗和碾壓操作，并且能夠在施工過程中自行充填和固結(jié)。此外，泡沫輕質(zhì)土施工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音相對(duì)較低，這對(duì)于一些對(duì)環(huán)境噪音和振動(dòng)敏感的地區(qū)或項(xiàng)目來說非常有利^[4]。

3.3 輕質(zhì)土泵送與澆筑施工要點(diǎn)

（1）為了發(fā)揮泡沫在混凝土中的作用、降低泡沫的損失，該工程中采用軟管進(jìn)行輕質(zhì)土的泵送，泵送過程中產(chǎn)生的壓力會(huì)對(duì)管道連接處造成較大的負(fù)荷，因而必須確保接頭密封牢固，防止泡沫輕質(zhì)混凝土的泄漏。外應(yīng)根據(jù)具體情況控制澆筑管的壓力和泵送距離，一般來說，泡沫輕質(zhì)混凝土的泵送距離應(yīng)控制在500 m以內(nèi)，超過這一距離，可能會(huì)導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)混凝土流動(dòng)性變差，甚至造成堵塞或分層等問題^[5]。

（2）輕質(zhì)土在澆筑時(shí)應(yīng)注意以下要點(diǎn)：①為了確保輕質(zhì)土均勻地流向澆筑面，避免出現(xiàn)堵塞或者其他不良狀況，澆筑過程中澆筑管與澆筑面之間的角度宜保持緩傾，此外為了提高輕質(zhì)土的密實(shí)性和耐久性同時(shí)降低輕質(zhì)土的消泡量，在澆筑輕質(zhì)土?xí)r，應(yīng)盡可能將澆筑管的口埋入輕質(zhì)土且深度不小于10 cm。②輕質(zhì)土分層澆筑時(shí)，為了確保下層混凝土強(qiáng)度的形成，應(yīng)在下層混凝土終凝后再進(jìn)行上層混凝土的澆筑。③為了使?jié)仓幕炷粮黜?xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，澆筑過程中應(yīng)按要求對(duì)輕質(zhì)土進(jìn)行檢測(cè)，不符合要求的輕質(zhì)土應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。④如果需一次性澆筑大量泡沫混凝土，可以采用多軟管同時(shí)澆筑的方式，這樣可以提高施工效率；多軟管澆筑時(shí)，可將多個(gè)軟管平行放置進(jìn)行澆筑，這種方式適用于較寬的澆筑區(qū)域，可以保證泡沫混凝土均勻地填充整個(gè)區(qū)域，當(dāng)澆筑區(qū)域較狹長時(shí)，可采用將多個(gè)軟管分別放置在相對(duì)角上同時(shí)進(jìn)行澆筑；如果澆筑量較小，只需使用一根軟管進(jìn)行澆筑即可，這種情況下，可以從中心點(diǎn)開始澆筑，然后逐漸向四邊擴(kuò)展，確保泡沫混凝土均勻地填充整個(gè)區(qū)域。⑤澆筑的輕質(zhì)土本身比較松軟，如果施工人員隨意走動(dòng)或移動(dòng)澆注管，會(huì)對(duì)澆筑區(qū)域造成擾動(dòng)，影響泡沫混凝土的質(zhì)量和穩(wěn)定性，因此，應(yīng)盡量避免施工人員在輕質(zhì)土中隨意走動(dòng)或移動(dòng)澆注管，以確保施工質(zhì)量。此外，為了確保泡沫混凝土的質(zhì)量和穩(wěn)定性，建議在單個(gè)澆注區(qū)內(nèi)控制澆注層數(shù)，通常情況下，應(yīng)在水泥漿初凝時(shí)間內(nèi)完成每層澆注，這樣可以確保泡沫混凝土的黏結(jié)性和穩(wěn)定性。⑥澆筑過程中澆筑間歇的時(shí)間不宜超過30 min，否則應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行清洗。

3.4 試驗(yàn)段工程效果分析

泡沫輕質(zhì)土具有較低的自重和較高的可流動(dòng)性，通過管路泵送后可以在模板內(nèi)自然流動(dòng)并自行形成一定的均勻密實(shí)度，無須碾壓或振搗。同時(shí)，由于泡沫輕質(zhì)土中的泡沫有助于增加混凝土的塑性，使得其在硬化過程中能夠自我調(diào)整和自平。與常規(guī)混凝土相比，在泡沫輕質(zhì)土的管路泵送現(xiàn)澆施工中，由于不需要碾壓或振搗，因此可以減少振搗設(shè)備的使用和前期準(zhǔn)備工作的時(shí)間和成本，在協(xié)調(diào)好水泥供應(yīng)速度和施工工人支模速度的情況下，使用管路泵送現(xiàn)澆施工方法可以更好地控制施工進(jìn)度，從而實(shí)現(xiàn)較快的施工周期。

根據(jù)試驗(yàn)段的鋪設(shè)情況和濕密度、抗壓強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)沉降率等指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果來看，試驗(yàn)段取得了較好的效果，對(duì)后續(xù)大規(guī)模鋪筑具有一定的指導(dǎo)意義，但也存在部分問題，具體表現(xiàn)在：

（1）攪拌過程中存在攪拌不均勻等問題導(dǎo)致同一地點(diǎn)同一時(shí)刻輕質(zhì)土容重檢測(cè)結(jié)果不一致，混凝土均勻性與攪拌時(shí)間有關(guān)，攪拌不均勻有可能是為了保持連續(xù)泵送而縮短了攪拌時(shí)間，或者是增加攪拌時(shí)間并不能完全使混凝土攪拌均勻。因此，混凝土攪拌過程中，應(yīng)掌握好混凝土的攪拌時(shí)間，既使得混凝土具有良好的均勻性，又不因攪拌時(shí)間的增加而降低了施工效率。

（2）在鋪筑試驗(yàn)段初期，由于原材料把控不嚴(yán)，并未嚴(yán)格按照規(guī)范要求對(duì)發(fā)泡劑進(jìn)行抽檢，導(dǎo)致部分用于輕質(zhì)土中的發(fā)泡劑發(fā)泡效果一般，泌水量很大，輕質(zhì)土部分指標(biāo)波動(dòng)很大，經(jīng)查明原因后加強(qiáng)了對(duì)發(fā)泡劑原材料的檢測(cè)，對(duì)于不符合規(guī)范要求的發(fā)泡劑堅(jiān)決不用于輕質(zhì)土的制備中，經(jīng)調(diào)整后輕質(zhì)土的性能趨于穩(wěn)定，因此輕質(zhì)土的制備過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原材料尤其是發(fā)泡劑的檢測(cè)。

（3）實(shí)際施工過程中，由于澆筑厚度的變化，澆筑過程中應(yīng)控制好輕質(zhì)土的容重，避免輕質(zhì)土容重波動(dòng)幅度過大，保證泡沫輕質(zhì)土的整體均勻性，提高施工質(zhì)量。

4 工后沉降觀測(cè)

為了驗(yàn)證泡沫輕質(zhì)混凝土產(chǎn)生的沉降量小，該文選取相鄰兩段分別由泡沫輕質(zhì)土和普通路基填土填筑的路段進(jìn)行沉降觀測(cè)，采用DS1等級(jí)水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，每100 m布設(shè)一個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)間隔時(shí)間為10 d，兩種路段沉降觀測(cè)結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，兩種填土均產(chǎn)生了一定的沉降量，其中泡沫輕質(zhì)土路段月沉降量為1.47 mm，普通路基填土路段月沉降量為2.36 mm，相同時(shí)間內(nèi)，泡沫輕質(zhì)土沉降量為普通路基填土沉降量的62.3%，表明泡沫輕質(zhì)土在降低沉降量方面具有較好的效果。

5 結(jié)語

該研究對(duì)泡沫輕質(zhì)土在橋頭路基填筑中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并依托具體工程進(jìn)行了探討，通過該文的研究可得出如下結(jié)論：

（1）該文針對(duì)不同填筑深度設(shè)計(jì)了兩種不同的泡沫輕質(zhì)土配合比，兩種配合比的相應(yīng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，可用于實(shí)際工程中。

（2）泡沫輕質(zhì)土具有容重輕的特點(diǎn)，采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行路基填筑，在進(jìn)行一定厚度的換填之后，可減少對(duì)地基的附加應(yīng)力，從而減少工后沉降，同時(shí)也避免了出現(xiàn)穩(wěn)定性不足的問題。

（3）泡沫輕質(zhì)土具有容重輕、流動(dòng)性好，無須機(jī)械碾壓，噪音低，在路基填筑中具有較好的應(yīng)用效果。

（4）通過對(duì)比泡沫輕質(zhì)土和普通路基填土填筑后的沉降量，泡沫輕質(zhì)土沉降量為普通路基填土沉降量的62.3%，表明泡沫輕質(zhì)土在降低路基沉降量方面具有較好的效果。

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收稿日期：2023-10-06

作者簡(jiǎn)介：汪海洋（1991—），男，本科，工程師，研究方向：試驗(yàn)與檢測(cè)。