气泡混合轻质土及其在公路工程中的应用研究进展

高英力，肖敏强，关宏信

(长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410114)



气泡混合轻质土及其在公路工程中的应用研究进展

高英力，肖敏强，关宏信

(长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410114)

介绍了气泡混合轻质土的制备工艺流程，概述了国内外对其基本物理性能、力学性能以及耐久性方面的研究，分别从路基填筑加宽、软基处理、地铁隧道减荷、特殊地段路基填筑、回填灌浆及冻土地区隔热保温6个方面对其在公路工程中的关键应用技术进行了阐述；并通过与EPS块体及EPS颗粒混合轻质土的对比，分析了气泡混合轻质土在工程中的应用优势；最后从理论及施工两个方面提出了气泡混合轻质土技术存在的主要问题，展望了其发展趋势及研究方向。

气泡混合轻质土； 公路工程； 物理性能；力学性能； 耐久性

1 引 言

为减轻填土荷载，80年代末日本按一定比例将泡沫颗粒与工程土混合制成了容重可自由调节的轻质土，随后，日本道路公团通过在原料土中掺加水泥、水及泡沫，开发了一种新型轻质填土材料-气泡混合轻质土(Foamed Cement Banking，以下简称FCB)，也有资料称泡沫轻质土(Foamed Light-Weight Soil)[1]，其容重和强度可通过改变气泡率来进行自由调控[2]，通过合理开发应用FCB技术，解决了公路工程路基加宽、桥背填土等施工领域中常规工法存在的弊端，降低了工程造价及维修费用，对于自然生态环境的保护也有一定的积极意义。我国于2002年引进并发展了FCB技术，并于2008年制定了相关规程，该规程的发布实施对FCB技术在我国的推广应用起到了重要作用，目前已在北京、广东、河北等地的公路建设中得以成功运用。

本文调研并分析了国内外FCB研究成果和应用状况，探讨了其在公路工程中的实用性，并提出了FCB技术存在的问题及其未来发展方向，以期对FCB技术的推广应用提供借鉴。

2 气泡混合轻质土制备及性能

2.1 制 备

图1 FCB制备流程图 Fig.1 Preparation process of FCB

FCB是通过在原料土中按比例添加必需组分固化材料、水及可选组分掺合料、外加剂和集料等，与预先经发泡剂发泡而成的泡沫混合搅拌制成。其中，发泡剂的发泡能力以及泡沫的稳定性等是影响FCB流动性及成型体密度及强度的关键因素，目前市场上发泡剂的种类繁多，主要有单一组分型(松香树脂类、合成类、蛋白类)以及复合型发泡剂，单一组分型发泡剂由于性能不稳定(如松香类)以及成本高(如动物蛋白类)等缺点的存在制约了其在工程中的发展应用，为解决单一组分发泡剂的局限性，复合改性已成为当前科研工作者的研究热点[3-5]。

通过对现有制备技术进行总结和分析，可得出当前FCB的关键制备流程，如图1所示。

2.2 基本物理性能

(1)容 重

在路基填筑工程中，容重是影响路基沉降深度、支档结构侧向应力大小的重要因素。根据工程实际要求适量调整FCB各组分的含有率，可使其容重于5～16 kN/m3间自由变化，其中，气泡含有率对FCB容重的影响最为显著，水泥掺入比和含水率等对其影响不明显[6,7]。同时，在实际施工过程中，单次浇筑厚度对FCB成体下部容重影响较大，因此，在要求轻质填土的情况下，需严格控制每层浇筑厚度。

(2)渗透性能

为确保路基的强度及稳定性，路基材料应具有较好的抗渗性能。FCB在处于饱和状态或非饱和状态下，其渗透系数皆位于10-5～10-6cm/s数量级，介于一般粘性土和软粘土之间，透水性较低。通常情况下，水在FCB试件中的扩散速度随气泡含有率的增加而加快，当气泡含有率超过体积的30%时，渗透性能提高较为明显[8]；在长期浸水条件下，FCB容重随浸水时间及浸水深度的增加而逐渐增加，但在28 d时可基本达到平衡，容重增加8%左右，若工程中强调浸水对其容重所带来的影响时，需对FCB进行适当的防水处理。

(3)热学性能

FCB因含有大量封闭气泡从而具备良好的隔热保温效果，其导热系数随气泡含有率的增加而减小，当气泡含有率为体积的40%～70%时，其导热系数为0.1～0.2 kcal/(m·h·℃)，具有良好的隔热性，可作为隔热保温材料用于冻土地区道路基层冻胀翻浆的防治[9]。

由此可见，FCB在物理性能上具有轻质、容重可调节、渗透系数较低及隔热保温效果好等优点，各组分中气泡含有率对各项物理性能的影响最为显著。

2.3 力学性能

(1)强度特性

与容重的可调节原理相似，通过合理调整各组分的含有率，FCB无侧限抗压强度可在0.3～12 MPa间进行自由调节，抗拉强度约为抗压强度的1/5，随着水泥用量的增加，其无侧限抗压强度与抗拉强度均有不同程度的增长，但抗拉强度增长趋势要逐渐缓于抗压强度的增长；Tae-Hyung Kim 等[10]研究表明，在无侧限压缩条件下，FCB破坏形式以脆性破坏为主，在脆性破坏前，应力与应变呈现出较好的线弹性关系；赵全胜等[11]通过开展三轴试验研究，明确了在复杂应力状态下FCB的压缩变形特征；陈忠平等[12]研究了FCB无侧限抗压强度qu与抗拉强度S1、抗折强度S2及劈裂强度S3之间的关系，并得到了以下关系式：

S1=[1/6～1/5]qu

S2=[1/3～1/2]qu

S3=[1/6～1/5]qu

(2)疲劳特性

疲劳特性表征了在长期重复荷载作用下材料应力-应变变化趋势，决定了材料的疲劳寿命。本课题组研究了不同容重下FCB基本配合比的耐疲劳特性，试验结果表明：当强度应力比在0.55以下时，105次反复荷载作用对其强度的影响可忽略；当强度应力比为0.75左右时，FCB可承受2000次左右反复荷载循环；在不同循环荷载作用下，FCB应力-应变关系曲线基本一致，残留应变并未随循环荷载次数的增加而显著增加[13]。作为路基填筑材料，在一般工程中，FCB承受的动荷载与强度应力比通常小于0.3，具有足够的承受能力抵抗长期交通荷载对其强度带来的影响。

2.4 耐久性

耐久性反应了材料在工程应用中，在不同外界因素(通常为干湿循环、冻融循环及化学腐蚀等)的长期作用下，其力学性能的稳定性。

(1)干湿循环特性

FCB作为一种道路填筑材料，要求其在干湿循环条件下应具备良好的耐久性能。张怡伟等[14,15]研究表明FCB在干湿循环试验初期抗压强度降低大约10%～20%，变形模量降低30%左右，此后随着循环次数的增加，试件强度与变形模量基本趋于稳定，同时，湿密度越大，强度降低幅度越小。

(2)冻融循环特性

FCB中因含有大量以独立泡孔形式存在的气泡，其冻融特性在一定程度上优于普通水泥固结土，在历经10次冻融循环后，FCB强度虽有所降低但降幅不大，在第一周期强度下降较为明显，此后逐步趋于平缓，试验过程中，试块表明未出现破坏现象，证明FCB抗冻融性能较好[16]，何国杰等[17]认为其冻融机理与水泥水化物、原料土以及气泡等综合因素影响有关，适宜的气泡率或提高水泥掺量均可显著提高FCB的抗冻融性能。

(3)耐腐蚀性

在FCB中，作为固化剂的水泥与原料土共同构成的空隙骨架提供了轻质土的强度，其耐酸、耐碱性能与普通混凝土相类似，在弱酸性条件下FCB强度变化不明显，在pH值为4.0的酸性条件下强度有所降低，但降幅不大，在碱性条件下其强度基本不受影响，具有良好的耐腐蚀性能；章灿林等[23]通过SEM观察研究了酸碱腐蚀对FCB微观结构的影响，相对于碱腐蚀，酸性条件下轻质土气泡破损程度更为严重，进一步从微观的角度解释并证明了酸碱腐蚀对FCB抗压强度及吸水率的影响。

由此可见，FCB在不同外界因素影响条件下仍可保持良好的性能，其耐久性较好。其中，干湿循环初期对其性能影响较为明显，在实际工程应用中应采取相关的防护措施；在冻融循环条件下，原材料及配比对其性能的影响较为显著；酸碱腐蚀对其性能影响不明显。

3 气泡混合轻质土应用技术

FCB以其优良的物理力学性能、良好的施工性及绿色环保等特点，已逐渐在如下工程领域中得以应用。

(1)路基填筑及加宽

FCB固化后可自立，可进行垂直填土，且对挡土结构几乎无侧压力，可简化挡土结构，在一些地价昂贵、环境保护区可最大限度节约用地，降低工程整体造价，具有显著的社会经济效益。本项目组在内蒙古自治区包头至五当召新建公路项目中，为减少征地、保护耕地及沿线自然环境，在k0+000～k12+721.261段采用FCB技术进行了施工应用，经工程实际检测，与普通填土路基相比，FCB路基整体性好，强度高，28 d无侧限抗压强度普遍达到0.8 MPa以上，满足强度设计要求；路基吸水率低，无明显开裂，安全环保无毒无害；工序简单，施工快捷，缩短了整体工程施工工期，具有良好的技术性能和经济效果，现场施工过程及效果如图2所示。

图2 路基填筑Fig.2 Subgrade filling

图3 路基加宽Fig.3 Subgrade widening

图4 软基桥头跳车处理Fig.4 Treatment of bridge-head jumping at soft foundation

此外，FCB施工技术目前已在一些改扩建工程中得以成功应用，通过利用其轻质特性可大幅降低填土荷重，从而减少新老路基间差异沉降。20世纪90年代，日本在某高速公路的拓宽工程中首次使用FCB进行路基填筑后成功控制了新老路面的差异沉降，取得了良好的社会经济效益[18]；我国在广东京珠高速公路加宽工程中通过利用FCB固化后的自立性避免了拆迁及征地，降低了造价，工后沉降也得以有效控制[19]。路基加宽应用技术如图3所示。

(2)软基处理

目前，FCB技术在软基换填特别是处理软基桥头跳车工程中得到了成功应用，通过利用FCB轻质特性进行路基填土换填，可大幅减轻路堤自重，降低软基沉降，实现桥头至路基的刚柔过渡，从根本上解决桥头跳车问题，且可就地取材，充分利用工程废土及淤泥作为原料土，环保性明显。东京某沿海公路使用FCB作为桥台台背填料，成功缓解了桥头跳车现象，工后表现出良好的稳定性[20]；浙江申嘉湖杭高速公路采用FCB置换软基成功解决了预压期末沉降速率偏大的问题[21]；浏醴高速将FCB作为某高架桥桥台台背填筑材料后，经检测表明，轻质土填筑的桥台地基土体沉降量明显小于普通填土桥台地基沉降量，且FCB结构对桥台基本无推挤[22]。FCB处理软基桥头跳车应用技术如图4所示。

(3)特殊地带路堤填筑

采用FCB在滑坡、陡峭等特殊地带进行路堤填筑，可有效降低填土荷重，提高路堤的抗滑稳定性，对侧面无压力可简化挡土结构，且施工过程中无需大填大挖，可减少对原有地形地貌的破坏[23]。四川省雅安经石棉至泸沽高速公路C26合同段采用FCB对滑坡路段进行路堤回填，通过与原路堤挡墙方案对比，表明FCB技术能有效提高路基的抗滑稳定性，简化支挡结构，且节约了工程造价[24]。滑坡地段应用技术如图5所示。

图5 滑坡路段路基填筑Fig.5 Subgrade filling at landslide section

图6 隧道入口填筑Fig.6 Filling at tunnel entrance

(4)地铁隧道减荷

通过利用FCB轻质，稳定等优点，在地铁隧道入口构筑人造山，可较好的解决偏土压力对隧道坑口的影响，防止坑口山体坍塌，减少隧道入口处环境的破坏，对于施工的安全及环境的保护存在积极意义。广州某地铁工程通过采用FCB对地铁重叠区进行处理，成功减荷，检测结果表明：FCB固化成型后，其容重和强度均满足设计要求[25]。FCB隧道入口填筑应用技术如图6所示。

(5)回填灌浆

FCB因自流平、自硬化、不需振捣及碾压及不需养生等优点在地下空洞、岩溶地区及管道等回填工程中逐渐得以应用。由于FCB具有一定的强度，采用其对大溶洞地区进行填充时可取消桩基工程从而降低施工难度，容重小可解决地基承载力不足的问题，且回填速度快、充实度高，可极大提高工程施工效率及质量。金川F17采场地下充填工程现场实践表明，FCB充填体具有流动性好、充填质量高、综合成本较低等优点，不仅提高了充填体的力学参数，还能够实现较高的充填接顶率[26]。图7、图8为FCB在回填工程中的应用实例。

图7 管线回填[27]Fig.7 Pipeline backfilling[27]

图8 空洞回填[27]Fig.8 Cavity backfilling[27]

(6)冻土地区隔热保温

随着对FCB技术的研究逐渐增加，FCB得以应用于更多的工程领域，如我国在北方某寒区公路中利用FCB作为隔热保温层以防冻胀翻浆，通过跟踪观测后初步证明，其在冻土区的隔热保温效果较为明显，可较好地防止路基季节性冻胀及永久冻土地基的融沉[28]。

由此可见，FCB轻质、自立、稳定、流动性好及施工便捷等优点为解决加宽工程中新老路基间差异沉降、软基桥头跳车及高填土路堤的稳定性等工程难题提供了一种较好的技术手段，其发展前景将更为广阔。

4 不同轻质填土材料对比及分析

当前应用较为广泛的公路路基轻质填土材料主要包括EPS块体、EPS颗粒混合轻质土以及FCB，现就三种材料特点进行对比，分析不同类型轻质填土材料在公路工程中的实用性，并提出在现有施工技术下的最佳轻质填土材料类型。

表1 不同轻质填土材料比较表Tab.1 Comparison of different light filling materials

从表1可以看出，3类轻质填土材料皆因容重小从而可大幅降低填土荷重，其自立性减小了对相邻结构的侧向压力，并在施工以及对环境的保护方面皆起到了一定的积极作用。其中，EPS块体由于造价过高、耐久性及抵抗浮力能力较差等明显缺点的存在，不适宜作进一步推广。EPS颗粒混合轻质土充分利用了EPS材料的轻质性和变形特性，并在一定程度上提高了路堤的稳定性和抵抗浮力的能力，且通过利用工程废弃土使环保功能得以进一步体现，并可降低工程造价。与EPS材料相比较，FCB容重及强度可调整范围大，能够更好地适应各种工程实际需求，施工质量较EPS材料更易控制，作为一种水泥类路基填筑材料，与高分子材料相比，其耐热及抗油污能力强，并具有与水泥材料同等的耐久性，后期养护维护费用相对较低，且施工周期短、工程质量高，具有广阔的应用前景。综上所述，FCB限制因素较小，适合深入研究及推广应用。

5 存在问题及展望

从实际工程应用来看，FCB具有工期短、适用性广、施工方便及可较好的解决工后沉降等优点，但目前其核心应用技术仍存在一定的瓶颈，主要表现在：

(1)理论体系未形成系统

目前，FCB各组分的配比需进行大量实验才能最终确定，期间耗费大量时间及物力；各项性能测试方法未形成系统；没有完善的施工规范进行统一指导。

(2)施工过程中存在的问题

制备技术尚不成熟，成套施工设备欠缺；大量使用水泥不利于环保，且水泥用量偏大导致水化热偏高，使得硬化FCB表面及内部裂缝增加，影响工程整体质量及使用寿命。

针对FCB存在的问题，从以下方面进行了展望：

(1)成套设计及测试技术的完善

目前FCB技术尚不成熟，可通过进一步探寻成套设计方法，完善各项性能测试技术并建立相应的评价指标体系，构建强度、疲劳特性及使用寿命等方面的预估模型，为FCB的进一步推广应用提供理论支持。

(2)低成本环保型气泡混合轻质土的研究

水泥用量直接影响FCB的综合成本，可在FCB的胶凝材料部分采用高活性矿物掺合料取代部分水泥，并采用高效减水剂及活性激发剂等进行综合改性，以达到降低水化热、节能环保及降低造价的目的。

6 结 语

(1)介绍了FCB的制备工艺流程、物理力学性能及耐久性，从路基填筑加宽、软基处理、地铁隧道减荷、特殊地段路基填筑、回填灌浆及冻土地区隔热保温6个方面概述了FCB在公路工程中的应用关键技术;

(2)通过与不同轻质填土材料的对比，分析得出FCB限制因素较小，综合成本较低且环保性较好，适合深入研究及推广应用;

(3)从理论及施工两方面提出了FCB技术目前存在的问题，并对其未来研究及发展方向进行了展望。

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Foamed Cement Banking and Its Utilization in Highway Engineering

GAOYing-li,XIAOMin-qiang,GUANHong-xin

(School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114,China)

The preparation process of foamed cement banking was introduced. Achievements in the study of the basic physical properties, mechanical properties and durability of foamed cement banking, both at home and abroad, were reviewed. The key application technology of highway engineering was described based on 6 aspects which conclude subgrade filling and widening, treatment of soft foundation, load relief of the tunnels, subgrade filling in special section, backfilling grouting and heat-insulation in frozen earth area. Then, the application advantage of foamed cement banking was analyzed by comparing with EPS block and EPS beads-mixed lightweight soil. At last, the main problems in the theory and construction, and the future development trends and research directions of foamed cement banking were put forward.

foamed cement banking;highway engineering;physical property;mechanical property;durability

湖南省自然科学基金(13JJ3070)；内蒙古自治区交通运输厅建设科技项目(NJ-2015-35)联合资助

高英力(1977-)，男，教授，博士.主要从事新型建筑材料的开发及应用研究.

U414

A

1001-1625(2016)08-2432-07