泡沫轻质土处治新旧路基差异沉降性能的研究

甄俊杰

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着我国经济快速发展，一些原有道路的通行能力已不能满足需求，对旧路的改扩建是一种经济、快速、实用的解决方法[1]。旧路的改扩建是在原有道路基础上对路基进行加宽和拼接以增加道路的通行能力。其加宽过程中必然会涉及到新老路基的差异沉降问题。新旧路基的差异沉降会引起路基的分离、路面开裂，对道路的施工及养护造成重大的影响[2]。

目前，新旧路基差异沉降通常可采用抛石挤淤、基底处理、基底换填、堆载预压、旧路削坡处理和加铺土工格栅等方法[3-4]。其中，泡沫轻质土是一种新型的路基填料，在进行扩幅填土时可大幅度地降低填土荷重减少新老路基的差异沉降。本文将在前人的研究成果上对泡沫轻质土的物理性质及无侧向压缩特性做深入研究，并分析了泡沫轻质土用于控制新旧路基的差异沉降的机理。

1 泡沫轻质土的物理特性

1.1 轻质性

1.2 流动性

为研究泡沫轻质土的流动性，可通过流动性实验确定扩展度的值。将用镀锌薄铁皮做成的内径0.08 m、高0.08 m的圆筒装满试料并放在光滑平面上，其中气泡水泥浆液体积比为40%。实验开始后，迅速向上提起圆筒，1 min后，对摊开试料的两边直径进行测量并取平均值作为泡沫轻质土的扩展度。试验结果如图1所示。

图1 泡沫轻质土水灰比与扩展度关系图

由图1试验结果可知，泡沫轻质土的流动性与扩展度大致呈线性关系。影响流动性的另一个因素是气泡含有量，气泡在泡沫轻质土中起到增加黏滞性的作用，因此扩展度将随着含气量的增加逐渐减小。泡沫轻质土的流动性好，施工时，便于泵送。

1.3 吸水性

用泡沫轻质土对内径0.08 m、高0.08 m的镀锌薄铁皮做成的圆筒进行浇筑，标准养护过后，对不同初始容重的试块进行浸水试验，观察其密度变化，得到图2试验结果。

图2 浸水天数与密度变化

由图2可知，初始容重在8～11 kN/m3之间，浸水后，容重都会发生相应的变化，且变化不超过26%。泡沫轻质土在浸水情况下，其容重会随浸水深度的增大而升高，但不会一直升高。因此，工程应用中，在可能产生浸水的环境中，应该考虑采取防水措施。

2 泡沫轻质土的无侧限压缩特性

无侧限抗压强度是泡沫轻质土力学性能的最基本评价指标。泡沫轻质土用于处治新旧路基差异沉降的工程中，其力学性能直接关系到新旧路基拼接后路基承载能力的好坏。研究泡沫轻质土的力学特性的影响因素，对制定泡沫轻质土的最佳配合比及提高路基承载力有重大的意义。

2.1 气泡含有率、原料土对无侧限抗压强度的影响

为研究泡沫轻质土无侧限抗压强度受砂与水泥质量比、气泡含有率的影响。拟定如下试验，水泥标号取32.5 R，固定原料土中的砂与水泥的质量比，取6 组质量比分别为 F1、F2、F3、F4、F5、F6。只改变气泡含有率，对标准养护后的试块进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图3所示。

由试验结果可知，在气泡含有率一定时，砂与水泥的质量比越大，泡沫轻质土的无侧限抗压强度越低；当原料土中的配合比一定时，泡沫轻质土的无侧限抗压强度会随着气泡含有率的增大而逐渐减少，当气泡含有率达到70%时，无侧限抗压强度在0.5 MPa以下，已无工程意义。

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图3 泡沫轻质土无侧限抗压强度与气泡含有率的关系

为进一步研究配合比对泡沫轻质土无侧限抗压强度的影响，取定3组不同的配合比H1、H2、H3，其中H1配合比中砂子与水泥的质量比为5，H2为3，H3为0，即纯水泥泡沫轻质土。采用相同的气泡含有率进行实验，得到如图4结果。

图4 无侧限压缩破坏试验应力应变曲线

由图4可知，H1、H2、H3三种曲线表现为3种不同特性的破坏，含砂量较多的H1表现为脆性破坏、H2介于脆性破坏与塑性破坏之间、H3表现为塑性破坏。因此，不同配合比下，泡沫轻质土的破坏特性也会不同，随着含砂量的增加，泡沫轻质土破坏特性由塑性破坏向脆性破坏转变，在工程应用中，应选择最佳配合比。

2.2 固化材料对无侧限抗压强度的影响

为研究不同类型固化材料对无侧限抗压强度的影响，在配合比及其他原料相同的情况下，取固化材料分别为普通硅酸盐水泥、高炉矿渣水泥进行试验，可得试验结果如图5所示。

图5 泡沫轻质土无侧限抗压强度与固化材料种类的关系

分析图5试验结果可知，固化材料为高炉矿渣水泥的无侧限抗压强度要明显高于普通硅酸盐水泥，因此可选用合适的固化材料，增加泡沫轻质土的无侧限抗压强度。

2.3 水泥标号对泡沫轻质土无侧限抗压强度的影响

取标号分别为52.5 R、42.5 R、32.5 R的普通硅酸盐水泥进行试验，其他原料均相同的情况下，固定3组配合比均为P。对标准养护后的试块进行无侧限抗压强度的试验，可得图6结果。

图6 不同标号水泥对无侧限抗压强度的影响

由图6可知，配合比相同的情况下，水泥标号越大，泡沫轻质土的无侧限抗压强度越大。且标号在32.5～42.5 R之间时，强度增长的幅度比42.5～52.5 R时明显要大。因此，泡沫轻质土的无侧限抗压强度可通过水泥标号来改变，但应注意随着水泥标号的增大，泡沫轻质土的无侧限抗压强度增长幅度逐渐减小，应综合考虑经济效益，选用合适的水泥标号。

2.4 含水量对无侧限抗压强度的影响

如表1，令泡沫轻质土的水泥掺入量、气泡含量、养护时间不变，改变含水量。对标准养护后的泡沫轻质土试块进行无侧限抗压强度试验，可得图7结果。

表1 不同含水量的泡沫轻质土试块

图7 含水量对抗压强度的影响

由图7可知，随着含水率的增加，泡沫轻质土的无侧限抗压强度逐渐减少，且降低幅度很大。

2.5 养护时间对泡沫轻质土无侧限抗压强度的影响

如表2，控制泡沫轻质土含水量、气泡含有量、水泥掺入量不变，以养护时间为变量。养护完成后，对试块进行无侧限抗压强度试验，可得图8结果。

表2 不同养护时间的泡沫轻质土试块

图8 养护时间对抗压强度的影响

由图8可知，泡沫轻质土的无侧限抗压强度呈线性增长。在实际工程应用中，应确保养护时间达到28 d。

3 泡沫轻质土处治新旧路基差异沉降的原理及优点

在对旧路的改扩建工程中，因为受拓宽路堤所产生的影响，旧路堤会朝着新路堤产生沉降，造成旧路堤路表面不平整，路面出现开裂。因此，控制新旧路基差异沉降问题是旧路改扩建工程中所要面对的首要问题。日本京叶公路和东名高速公路是采用泡沫轻质土进行道路的扩宽的典范。经研究，泡沫轻质土具有如下特点，可有效处治新旧路基的差异沉降。

a）不可压缩及高强特性 由于不可压缩及高强的特性，泡沫轻质土可有效控制工后沉降。特别是对新建路基的填土进行置换后，基底应力明显减少，工后沉降得到有效控制。

b）轻质性与固化后自立性 泡沫轻质土的表观密度低但强度高，同时，初凝后就会开始固化自立，可进行垂直填土。又由于泡沫轻质土施工简便并且可在场地狭窄的情况下施工。

c）高流动性 泡沫轻质土不含粗骨料，流动性比混凝土要高的多，可与旧路基完好衔接。

d）耐久性 泡沫轻质土的固化材料为水泥类材料，耐热、耐久性强。

4 结语

本文通过对泡沫轻质土物理特性和无侧限抗压特性的研究，分析泡沫轻质土处治新旧路基的差异沉降的原理，得到以下结论：

a）泡沫轻质土的流动性随水灰比的增大而增大，随气泡含量的增大而增大；泡沫轻质土的容重随浸水深度的增大而增大但不会一直增大。

b）配合比一定时，泡沫轻质土的无侧限抗压强度会随着气泡含有率的增大而逐渐减少；可选用合适的固化材料、水泥标号增加泡沫轻质土的无侧限抗压强度；泡沫轻质土的无侧限抗压强度随含水量增加而减少。

c）泡沫轻质土可有效控制新旧路基的差异沉降，具有经济意义和工程意义。