泡沫轻质土特性及工程应用分析

陈 行

(福建七建集团有限公司 福建漳州 363000)

0 引言

泡沫轻质土也称为气泡混合轻质土、泡沫水泥轻质土、泡沫混凝土，是一种介于土体和普通水泥混凝土之间的一种无机合成材料。早在1923年，国外就有制备气泡混合轻质土的专利[1]，20世纪30年代，美国最早将气泡混合轻质土应用在工程领域，我国于2002年首次将气泡混合轻质土应用于工程实践。由于泡沫轻质土施工技术简单、工期短、造价低，且可以利用粉煤灰、矿渣、石粉等工业废渣作为原材料，环保节能，因此近年来泡沫轻质土的工程应用呈现逐渐增多的趋势，但相对而言，泡沫轻质土在国内的应用还不是非常普遍，技术也有待完善。基此，本文拟此归纳总结泡沫轻质土工程特性的优缺点，分析其在市政路桥工程上适用性，并结合某一典型工程实例，阐明泡沫轻质土的技术经济等优势，并针对其性能缺点提出相应的技术优化措施，供同行参考。

1 泡沫轻质土特性

现行泡沫轻质土规程[2]对泡沫轻质土(Foamed Lightweight Soil，简称FLS)的定义是：用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成一种轻质材料。泡沫轻质土的微观结构如图1所示[3]。

图1 泡沫轻质土微观结构

由于泡沫轻质土是由水泥基胶凝材料凝结硬化而成，且内部具有大量独立封闭的胶质气泡，因此具有与传统填土材料、普通混凝土不同的特性，主要表现在以下各方面。

1.1 泡沫轻质土优点

(1)轻质性

根据所制备泡沫轻质土的气泡及水泥含量，泡沫轻质土的容重可在5～12kN/m3范围内变化[3]。相比于填土路基19～20 kN/m3、普通水泥混凝土23～24 kN/m3，泡沫轻质土的自重减少50%～80%。

(2)高流动性

由于泡沫轻质土不含粗骨料，因此流动性较高，其流值一般在160 mm～190 mm，最大可达200 mm以上[3]，高于普通新拌混凝土，因此泡沫轻质土更便于泵送施工，其水平最大输送距离可达500 m，最大泵送高度可达30 m，且具有自流平特点，不需要额外的振捣或碾压作业，即可以在狭小空间内进行浇筑，施工便利。

(3)隔热性

泡沫轻质土是一种多孔结构材料，气泡含有率可高达40%～70%，其导热系数通常为0.1～0.175 w/m·k，远小于填土路基的1.047w/m·k和普通水泥混凝土的1.63～1.74 w/m·k，具有良好的保温隔热性能[3]。

(4)强度适中

通过调整泡沫轻质土的配合比，其抗压强度可在0.3～5 MPa范围内调节[4]，目前工程上应用的泡沫轻质土抗压强度一般在0.5～1.5 MPa之间，比普通填土强度高得多，却比水泥混凝土强度低得多。作为路基填料，适中且可调节的强度能很好地满足工程要求。

(5)耐久性

泡沫轻质土中的气泡，用专门的发泡设备，将发泡剂经过一定的稀释倍数后形成直径约为30～300μm的均匀气泡群，这些气泡在泡沫轻质土内部相互封闭且呈胶质，因此具有较好的抗渗性和环境适应性[5]，比传统填土材料和普通水泥混凝土更适应浸水、干湿、冻融以及外部循环荷载等环境，在同等环境条件下具有更好的耐久性。

此外，由于泡沫轻质土的固化剂是水泥，因此泡沫轻质土与普通水泥混凝土一样，浇筑后会逐渐凝结硬化。通常泡沫轻质土在浇筑4h后就会开始初凝，硬化后便具有良好的自立性，可以进行垂直填筑，节省占地，减少工程量。

1.2 泡沫轻质土缺点

由于泡沫轻质土不含粗骨料，且水灰比较大(通常在0.6左右)，因此泡沫轻质土的干缩性大，其干缩率高达(15～35)×10-4，而普通水泥混凝土的最大干缩率为(3～5)×10-4，泡沫轻质土的干缩率大约是普通水泥混凝土5～7倍以上，极易在凝结硬化过程中产生干缩裂缝[3]。

2 泡沫轻质土工程适用性分析

泡沫混凝土，具有轻质中强、高流动性、良好的保温隔热性能和耐久性，以及固化后可垂直自立等优点，将它应用于以下市政路桥工程，可取得十分良好的技术经济效果。

2.1 桥台背路基填筑

因路桥过渡段沉降差异导致的桥头跳车病害，一直是路桥工程一个难题。传统的处理方法是对路桥过渡段路基采用桩基或复合地基来提高地基承载力，并辅以提高回填路堤压实度或采用桥头搭板、柔性桥台等措施，但这样的处理措施，工期长、造价高，且无法从根本上解决问题[5]。

泡沫轻质土为解决该工程问题提供了新途径。泡沫轻质土重量轻，可显著减少地基的附加应力和竖向位移(沉降)和水平位移；泡沫轻质土刚度大，自身变形小，经采取与填土路基逐步过渡措施后(图2(a))，可使桥台与路基沉降变化均匀缓和，避免了桥头跳车，并可取消桥头搭板；固化后的泡沫轻质土可自立，不会对周围结构物施加作用力，因此在非软土地基上可将桥台形式优化为桩柱式桥台(图2(b))。同时，由于泡沫轻质土自流平、自硬化，无需碾压和振捣，故能有效解决台背回填压实难题，提高施工效率，节约工期，降低工程造价。

(a)软土地基

2.2 跨线桥减跨

如图3(a)所示的上跨式横过道路的跨线桥，常规做法需要增设两个边跨，通过桥台及台前锥坡与两端的道路衔接。若利用泡沫轻质土特性，采用如图3(b)所示的处理方式，则可取消两个边跨，极大地减化桥梁结构，大大减少构筑物工程量，从而达到降低造价、显著缩短工期的技术经济效果。

(a)减跨前形式

2.3 道路加宽

随着城乡城际交通流量的不断增长，许多道路需要进行拓宽改造。常规道路路堤拓宽往往要遇到两个问题：

(1)新旧路基的差异沉降。旧路基已基本完成工后沉降，而新填路堤的地基将产生沉降，为消除此差异沉降，需对新填路堤的地基进行处理，而这种处理往往工艺复杂，耗时长，造价不菲。

(2)占地和拆迁问题。由于规划原因，有的路段预留空地不足，常规拓宽做法需要征地拆迁(图4(a))，使建设成本大增，且工期难控。

若将泡沫轻质土应用于道路路堤拓宽，其轻质性特点可大大减小新填路堤地基沉降，新填路堤地基仅需简单处理即可满足要求；若为软基上低填市政路堤，甚至无需进行软基处理；可直接利用固化泡沫轻质土的自立性进行垂直填筑显著减少填筑工程量，大大节省用地，避免减少征地拆迁(图4(b))。此外，泡沫轻质土通过泵送运输，可大大减小填筑现场的施工作业面，快速、有效解决了城区狭窄路段施工场地不足的问题。

(a)常规道路路堤拓宽

2.4 陡峭地段填方路基

在山区修筑公路时，难免会遇到地形陡峭路段，需要进行大量的挖填方处理形成路堑路堤。路堤的常规做法，先修筑重力式挡土墙，然后在墙背填方压实。而常规做法对挡土墙的设计施工要求较高，工程量大，造价高，工期长，且墙背填方施工压实质量往往难以严格控制(图5(a))。若填方路堤采用泡沫轻质土填筑(图5(b))，可完全替代挡土墙和墙背填方，整体性强，质量可控；地基基本无需特殊处理即可满足路基稳定性要求，工程量小，施工简单，造价低，工期短；可直立填筑，显著减少陡坡地形条件下的占地和开挖量，有利于对生态环境的保护。

(a)重力式挡墙工法

2.5 其他应用

泡沫轻质土除了适用于上述场合外，其容重轻、施工简单高效等优点，可作为工程抢险抢修的理想材料，特别适宜于高速公路路基滑坡、道路塌陷等事故的快速抢险修复[6]；其高流动性、自流平特性，特别适宜于狭小空间的充填。如市政地下管线周边空隙的回填；其良好的保温隔热性能和较好的抗渗性，应用于寒冷地区路基工程，有望解决冻土地区路基的冻胀翻浆问题。

总之，泡沫轻质土作为一种性能优良的新型轻质材料，具有宽广的应用前景。

3 工程实例

3.1 工程简况

福建某高速公路互通A、B、C 3条匝道路堤工程，原设计为土料填方路堤，其中A、B两条匝道中心最大填高，分别为37 m、32 m，分4阶填筑，坡率自上而下为1∶1.5、 1∶1.75、 1∶2.0、 1∶2.0，坡面采用拱形骨架防护。当填方路堤施工至距离路床顶面约2.0 m时，雨季来临，受持续下雨影响，坡体逐渐饱和，残积土地基软化，抗剪强度降低，坡体出现多处失稳性的张拉裂缝及斜向裂缝，坡脚排水沟有多处挤压变形迹象，坡脚前缘山包发现多处下错、膨胀及裂缝，并呈继续发展趋势[7]。

3.2 治理方案

首先采取挖除卸载应急措施，然后制定了泡沫轻质土、抗滑桩、匝道桥、桩板4个治理设计方案供比选。经初步设计分析及概算，4个方案的主要工程量、造价、工期对比情况见表1[7]。

表1 治理方案比较

表1数据显示，泡沫轻质土方案工程造价最低、施工工期最短，且现场浇筑，施工技术简单，质量可控性强，但需挖除约10万m3土方量；其他3个方案的工程造价和施工工期均高于泡沫轻质土方案，且施工均需要较大型施工设备和钢筋加工厂，对场地要求高，且桩基成孔施工不确定性大，工程风险可控性较差。两相对比最终选用泡沫轻质土治理方案。

3.3 技术措施

针对泡沫轻质土干缩性大、易开裂的缺点，结合该工程实际情况，在设计和施工上采取了以下若干技术措施[8-9]。

(1)为避免泡沫轻质土直接与大气接触，先用C30钢筋混凝土浇筑一个U形槽，其底板厚30 cm，侧板厚20 cm，该U形槽侧板同时作为泡沫轻质土垂直浇筑的挡板。

(2)在泡沫轻质土顶面铺设一层防渗土工膜，以隔绝渗透水的侵蚀，确保耐久性。

(3)按分层、分块方式进行浇筑，分层浇筑厚度0.5～1.0 m，以控制泡沫轻质土浆料对挡板的侧压力；挡板和填筑体每隔15 m左右设置一道沉降缝，以适应地基变形。

(4)底部及路面底基层底面以下50 cm，以及每一阶顶部及其上0.5 m铺设一层钢筋网，规格为φ8@10 cm×10 cm，以增强整体性和强度。

(5)施工过程要求做到定机、定人、定岗、定责，保证设备状态良好，确保配合比准确；每日按规定频率对泡沫轻质土的湿容重、流动值、气泡密度等进行抽检，确保其偏差值在允许值范围。同时，制作同期养护试块，进行7d、 28d龄期抗压强度检测，作为工程质量验收依据之一。

经工程实施及运营证明，该工程采用泡沫轻质土治理方案取得了良好的技术经济效果。

4 结语

泡沫轻质土具有多项优良的性能，作为一种换填材料，应用于市政路桥工程中的桥台背路基填筑、道路加宽、陡峭地段填方路基、跨线桥减跨以及路基滑坡、道路塌陷等事故的快速抢险修复等，可取得十分良好的技术经济效果。但是，泡沫轻质土具有干缩性大的性能缺点，在工程应用时必须结合实际情况采取相应的技术措施，才能扬长避短，保证工程质量。