泡沫轻质土在高速公路桥头路基填筑中的应用及效益

2020-06-16钟少杰

广东土木与建筑 2020年6期

钟少杰

（中交四航局第二工程有限公司广州510230）

0 引言

随着社会经济的快速发展，我国高速公路也得到了快速发展，但公路占地面积也越来越大，特别是高填方路堤放坡占地广，填筑量多，增加了土体附加应力，影响工后沉降，甚至会引起桥台路基沉降，影响行车安全［1，2］。

近年来，泡沫轻质土被广泛应用于我国各项实体工程中，不仅集中在建筑工程，还体现在高速公路中。2002年我国开始引进和发展泡沫轻质土，并逐步应用于道路改扩建及加宽、桥头跳车现象防治及治理、软土路基沉降处理、市政管线回填等工程。在公路拓宽中泡沫轻质土用于垂直填土、节约用地、减少拆迁、缩短施工周期，给投资者带来前期收益等优势［3］；李易等人［4］采用“m 法”及沉降系数法，分析了桥台桩基受力情况和桥台路基的固结沉降量，通过与普通碎石回填工况对比，结果表明将轻质泡沫混凝土应用于回填桥台背，可有效减少桥台的危害和缩减桥台路基的固结沉降量，轻质泡沫混凝土用于桥台回填可有效解决桥头跳车问题；黄志锋［5］的研究表明应用这种新型材料可以大大降低填筑荷载，减轻路基自重，降低软土路基附加应力，从而很大程度上提高了软基路堤稳定性，解决了软基不均匀沉降这一难题。

国内不少学者对泡沫轻质土进行了研究：其中裘友强等人［6］对泡沫轻质土的微观结构及其强度特性进行了研究，发现微观结构越密实，气孔-孔壁结构越坚实且完整，则泡沫轻质土会表现出越高的强度特性；裘友强等人［7］采用UTM-100伺服液压多功能材料实验系统对泡沫轻质土进行四点弯曲小梁疲劳实验，结果表明具有良好的抗疲劳特性，可用作路基填料；李宝等人［8］为了研究泡沫轻质土的水稳定性和抗冻性能等环境耐久性技术指标，通过进行干湿循环试验和冻融试验，试验结果表明，材料环境耐久性随着水泥掺入量的增大而提高，试验范围内具备环境耐久性良好；刘洁等人［9］进行了泡沫轻质土稳定性试验研究，分析了材料的水稳定性和冻融稳定性，结果表明泡沫轻质土具备良好水稳定性和冻融稳定性；陈忠平等人［10］通过动三轴试验，研究了不同密度泡沫轻质土在不同湿度和不同循环荷载下的动力工程特性，发现当密度达到650～700 kg∕m3时，会形成压实锥，致使产生劈裂破坏，只有加载端周围的表面被剥离；陈忠平等人［11］通过建立现浇泡沫轻质土路堤模型，使用循环激振试验，分析路基在长期动态载荷作用下的动力响应，结果表明现浇泡沫轻质土路堤具有较高的刚度和良好的动稳定性，材料压缩仅为路基沉降3.2%～4.5%。

目前，我国对泡沫轻质土的应用研究主要集中于工程效益分析，对经济效益分析较少。本文依托实体工程，提出了具体配合比设计，综合分析了泡沫轻质土在桥头路基填筑中的效益。研究结果可为泡沫轻质土在工程中的应用提供一定指导。

1 材料组成及工程特性

泡沫轻质土（也称为泡沫混凝土）是通过物理或化学方法，用发泡剂水溶液制成泡沫。将泡沫与基础胶凝材料和水（基本组分）按一定比例混合搅拌成浆体；根据工程实际需求可选组分有骨料、掺和料和外加剂。通过发泡设备制作成细小稳定气泡群混合搅拌形成泡沫轻质土浆体，在施工现场或者工厂预筑成型，是一种含有大量的均匀分布气泡的轻质材料。其制备工艺流程如图1所示。表1列出了泡沫轻质土与普通混凝土的性能参数。

图1 泡沫轻质土生产工艺流程Fig.1 Preparation Process of Foamed Lightweight Soil

1.1 必要材料组成

⑴发泡剂：是一种通过促进泡沫产生从而形成封闭气孔或者相连气孔结构的试剂；发泡液可短时间内产生大量匀和、稳定的泡沫，处理方式有2 种：化学发泡与物理发泡。化学发泡是通过加热分解释放出CO2和N2等气体，在聚合物组成中形成细孔化合物；进行物理发泡时，泡沫细孔只是通过某一种物质仅产生物理形态变化。

⑵水泥：是泡沫轻质土的主要胶凝材料。硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥具有早强、微膨胀、低干缩等优点，在要求泡沫轻质土短时间内快凝、防止沉降和泌水、提高早期强度时，推荐使用这两类水泥。

1.2 泡沫轻质土工程特性

⑴轻质性：泡沫轻质土中均匀充填气泡，轻质性是其最主要的特性。泡沫轻质土、粉煤灰、普通混凝土、回填土、普通碎石的容重分别为3～15 kN∕m3、15 kN∕m3、25 kN∕m3、20 kN∕m3、14～17 kN∕m3。

⑵耐久性：使用寿命与水泥混凝土和主体工程相同。与普通混凝土相比，泡沫混凝土含有大量气孔，气孔可以起到缓冲作用，从而获得较好的抗冻融性能。

表1 泡沫轻质土与普通混凝土的性能比较Tab.1 Performance Comparison Between Foamed Lightweight Soil and Ordinary Concrete

⑶减震作用：泡沫轻质土密度小、质量轻、弹性模量低、微孔多，具有很好的吸能能量的作用。在泡沫轻质土中，振动波的传递速度比在普通混凝土结构中慢得多，经受地震荷载时所承受的地震力较小。因此，相较于普通混凝土具有良好的减震作用。

⑷良好的施工性：流动性强，因为不含粗骨料，可通过软管泵送，降低运输成本。施工时，操作工人可直接使用，无需振动和碾压，且浇筑可连续进行，大大节省了时间。

⑸整体性：结合泡沫轻质土的高流动性，浇筑时无需振捣碾压，硬化后可达到均匀密实状态；由于泡沫轻质混凝土采用集中生产和软管泵送现浇施工，与主体结合紧密。

2 泡沫轻质土桥台路基应用实例

2.1 工程概况

本文选取广州至连州高速公路某大桥为研究对象，该大桥位于清远阳山县青莲镇桂岩村境内，为路线跨越国道G358（原省道S347）、村庄及乡村道路、灌溉集而设。此桥原施工图设计全桥左幅共8 联：9（3×30）+2×30，右幅共8 联：9（3×30）+30。需进行方案变更的原因是：桥左幅K137+051.6～K137+081.6（左幅28#墩～29 号台）地处斜坡段，原设计为半路半桥，左幅采用30 m PC小箱梁，右幅为路基，与相邻桥梁之间路基段长度约为200 m。本路段集中预制梁场设置于此桥与周屋特大桥之间的200 m 路基段上，考虑两侧架桥机拼装空间后，梁场设置条件十分紧张。因此变更为该桥大桩号侧左幅缩短1 孔后相应增加路基段长度，桩号范围为左幅K137+051.6～K137+081.6，路堤填高约7.2～8.5 m。结合现场地形、地物及地质资料，增加的路基段采用泡沫轻质土填筑。平面设计及纵断面设计如图2、图3所示。

2.2 配合比设计

进行泡沫轻质土配合比设计时，湿密度和强度应同时满足表2中的设计要求。

原材料选用PC42.5硅酸盐水泥和广东SRTJ-A型发泡剂，为了满足距离路面结构层底部不同位置的泡沫轻质土设计性能要求，分别设计了FC-1 和FC-2 两种不同湿密度的配合比（见表3）。

2.3 配合比试验

进行配合比试验的前提为原材料检验合格；配合比试验时的泡沫轻质土料浆沉降率应满足《泡沫混凝土用泡沫剂：JC∕T 2199 2013》一等品的要求，即料浆沉降率不超过5%；进行抗压强度试验测试的试块按规范制成10 cm×10 cm×10 cm的立方体，抗压试验应在小量程砂浆压力机进行，强度结果不应折减；配合比强度试验需测定7 d龄期和28 d龄期强度，以6块试块为一组；当配合比试验施工湿密度、料浆沉降率及强度同时满足标准要求时，才可作施工配合比。设计配合比经检测，其结果如表4所示。

图2 泡沫轻质土平面设计Fig.2 Graphic Design of Foamed Lightweight Soil

图3 泡沫轻质土纵断面设计Fig.3 Design of Longitudinal Section of Foamed Lightweight Soil

表2 泡沫轻质土路基主要设计性能指标Tab.2 Main Design Performance Indexes of Foamed Lightweight Soil Subgrade

表3 配合比设计Tab.3 Mix Ratio Design

表4 泡沫轻质土控制指标及部分检测结果Tab.4 Foamed Lightweight Soil Control Index and Some Test Results

由试验结果可得，FC-1 和FC-2 泡沫轻质土湿密度及7 d和28 d抗压强度均满足设计要求。

3 泡沫轻质土效益分析

3.1 工程效益

相比传统的设置桥头锥坡体系，施工时采用泡沫混凝土阶梯型填充桥头台背，可减少地基附加应力，提高路堤的稳定性，消除材料本身的压缩沉降；软管输送，可减少施工面、缩短施工周期，便捷施工；其自身自立，可消除桥台附加应力，因而台背无放坡，增加桥底下空间，减少桥梁长度；施工在形成过程中始终贯彻国家节能减排的要求，降低了由于施工造成的破坏和环境污染，同时节省了大量锥坡处理材料。

3.2 经济效益

广州至连州高速公路某大桥施工方案变更后泡沫轻质土费用由表5 构成，变更前后主要工程数量及造价比较如表6所示。方案变更后虽然桥梁工程量减少了16.35 m，但采用泡沫轻质土的填方路堤增加了30 m，造成泡沫轻质土工程量的增加2 263.3 m3，经计算泡沫轻质土综合单价360.5 元∕m3，土方综合单价75元∕m3，因此造成了总造价增加，增加了造价成本。