泡沫轻质土性能分析及其在公路拓宽中的应用研究

2022-07-13章志勇邓明伟

石油化工建设 2022年5期

章志勇邓明伟

1.江西中京工程质量检测有限公司江西南昌 330096；2.江西建设职业技术学院江西南昌 330200

在现场施工条件允许的情况下，开展既有道路的拓宽改造是较为经济合理的选择，应注意尽量降低对既有日常交通运输的影响，确保交通运行的顺畅。但由于扩宽公路与旧公路之间存在路基材料、填筑压实度、结构等差异，拓宽公路路基结合部位路面会出现纵向裂缝现象，在车辆荷载、雨水冲刷等作用下，引起路基下沉开裂、路面剪切破坏等公路病害，严重影响拓宽公路的正常运营和使用[1]。泡沫轻质土是一种新型混凝土，主要成分为钙质材料、水、特殊外加剂、掺合料及骨料等材料，经过泡沫群起泡技术，使得成型的混凝土内含有大量的封闭性气孔[2]。由于泡沫轻质土相较于其他填土材料不仅质量轻而且还具有一定的强度，呈半刚性特性，所以无论是在道路工程、建筑行业还是地基处理领域其都受到广泛关注与应用，具有很大的工程价值[3]。本文主要研究泡沫轻质土的性能与其在公路工程路面拓宽中的实用性。

1 泡沫轻质土的性能分析

（1）轻质性：泡沫轻质土的容重较小，容重通常是传统建筑材料的20%～60%，具有轻质性。泡沫轻质土内含有大量的微小气泡群，可以通过改变基本组成材料的配合比、控制轻质土固化过程中调整发泡剂的发泡倍率，进而调整泡沫轻质土的容重，具有施工便利性[4]。

（2）强度可调节性：在工程应用中，类比于容重可调节性的原理，可以通过改变组成泡沫轻质土的各类原料的配合比来调节其强度，施工更为灵活。

（3）流动性：相比于普通混凝土，泡沫轻质土的流动性较强，施工时可节省压实、平整等工序，提高施工速度。此外也具备管道运输的条件，施工更为便捷。

（4）固化后的自立性：区别于常规土质材料具有一定的离散性，由于泡沫轻质土在制作过程中以水泥作为固化剂，固化成形后具有自立性，因此在工程中具有独特的优势。比如，泡沫轻质土用于挡土墙填筑时几乎无压力传递给墙背，降低了施工风险，提升了工程可靠性。

（5）耐久性：泡沫轻质土属于水泥类材料，具有与水泥材料同等的耐久性，提升了工程质量和耐久性。

2 泡沫轻质土进行路基加宽案例分析

2.1 工程概况

某位于丘陵地区的双向四车道高速公路全长36.34km，由于车流量的增加使得公路交通日益拥堵，无法满足使用需求，故拟将该高速公路改扩建为双向八车道。通过方案比选研究决定，全线共21 处路基段的填筑材料均采用泡沫轻质土，共需31.6 万m3。

2.2 泡沫轻质土填筑路基技术原理

（1）根据设计配合比配置水和水泥的用量，并利用搅拌机对浆液进行充分搅拌直至达到设计要求，然后再将制备好的水泥基胶速凝浆泵入储存罐内备用。

（2）首先通过物理手段将固态的发泡剂转换为液态，并利用发泡枪将其制备成气泡群，然后按照设计配合比，将气泡群输入到已存储有水泥基胶速凝浆的储存罐内并充分搅拌，混合后形成泡沫轻质土聚合物。

（3）预制完成的泡沫轻质土聚合物通过泵送的方式输送到路基浇筑工点，然后根据分区、分段、分层的浇筑原则进行作业，并严格遵守施工准则保质保量完成浇筑。

（4）充分发挥泡沫轻质土的轻体量、自立性、自硬性等优点，减轻路基结构本身的自重，降低路基沉降不均及工后沉降量，从而加强了路基结构的整体稳定性。

2.3 泡沫轻质土施工技术要点分析

2.3.1 边坡开挖

（1）在泡沫轻质土路基段与旧路基段的衔接处，为保证此处有效路面宽度，根据设计要求需要以开挖台阶作为过渡，台阶尺寸为1m×1m，并一般放2%的竖向坡。为避免台阶边坡土体不稳以致垮塌，一般台阶开挖完成后需及时做喷浆处理。

（2）施工时，通常先采用机械挖掘的方式进行边坡开挖，机械挖掘到位后再进行人工开挖，并进行精细化修整，如此可很好避免机械超挖带来的影响。尤其需要警惕的是，施工过程中要注意压实土体，防止其松散垮塌。此外，开挖过程中开挖面的竖直度关乎路堤的防侧滑性，故开挖面保证竖直。

2.3.2 基底处理

（1）为了确保路基排水的通畅性，需要在泡沫轻质土下面布设30cm 厚的碎石基底，碎石中的泥沙应尽量少。

（2）为了避免地下水渗透破坏基底结构，需要在碎石基底上铺设HDPE 防渗土工膜，在铺设前需要彻底清除尖锐物，避免HDPE 防渗土工膜破裂。

2.3.3 保护壁施工

（1）首先根据施工设计标准对护壁面板基础采用C25 混凝土进行现浇，确保强度满足要求。

（2）护壁面板基础的沉降缝应与泡沫轻质土的沉降缝的设置位置保持一致，并应在浇筑前就预先设置完成。

（3）为避免后期在浇筑泡沫轻质土时护壁面板产生变形，混凝土护壁面板采用角钢和钢筋进行牢固连接。

2.3.4 浇筑区划分

（1）在泡沫轻质土路基浇筑前，根据施工现场实际情况划分多个作业区，并划分不同的浇筑层。

（2）单个作业区的泡沫轻质土的浇筑面积的大小受根据现场制备能力和初凝时间来确定，通常单个作业区的顶部面积150～200m2之间。

（3）每隔10～15m 在路基沿线设置2cm 宽的水平伸缩缝，并在缝隙中填充泡沫板，尤为需要重视的是，水平伸缩缝的位置不能与浇筑区的施工缝的重合。

2.3.5 水泥浆制备

（1）水泥基速凝浆料是由具备自动上料功能的拌和站集中供应的，且拌和站的测量设备必须经过定期校准，确保测量精度。

（2）水泥需要通过消泡测试才能用于制作泡沫轻质土，确保水泥的密度增加速率满足施工及设计要求。

（3）水泥基速凝浆液应严格按照设计的配合比进行制备，确保制备质量。

（4）采用集中拌和的方式制备水泥基速凝浆料，通过泵机泵将制备好的水泥基速凝浆料送至储罐储存。

2.3.6 泡沫轻质土制备

（1）泡沫轻质土的配合比必须严格按照施工设计配合比要求，采用具有界面活性的发泡剂进行发泡。

（2）首先通过物理手段将固态的发泡剂转换为液态，并利用发泡枪将其制备成气泡群，然后按照设计配合比，将气泡群输入到已存储有水泥基胶速凝浆的储存罐内并充分搅拌，使二者充分混合后形成泡沫轻质土聚合物。

（3）用于制备泡沫轻质土的设备需要具备自动计量功能，确保泡沫轻质土是按设计要求制备的。利用搅拌机充分搅拌泡沫、水泥基速凝浆料制成泡沫轻质土。

2.3.7 泡沫轻质土浇筑

（1）泡沫轻质土浇筑完成后，需用路床层材料平整路基底部填筑路面横坡处，泡沫轻质土具有平直性使得浇筑顶部没有坡度，为了满足横坡要求需要做上述处理。

（2）泡沫轻质土浇筑施工一般可以采用泵送方式输送，为保证施工安全，输送时需要特别关注泵送压力与连接处的紧密性，确保将输送压力控制在正常范围内。

（3）浇筑时应实时关注泡沫轻质土的性状变化，尽量做到不扰动下层土，施工时浇筑管道的移动方向应该顺着其自身的纵向移动。

（4）如遇下雨需立马停止作业并用防水膜覆盖已浇筑区域，避免雨水浸入破坏了沫轻质土的品质。2.3.8 养护

（1）泡沫轻质土硬化后也需要做好防护措施，保护成品，在其未达到设计使用强度之前，应禁止直接在回填表面上进行机械施工。

（2）一般来说，顶层的泡沫轻质土浇筑后的养护时间不低于7d，试块强度不小于0.4MPa，达到该要求后才能在泡沫轻质土上方进行下一道工序施工。

（3）为确保泡沫轻质土施工质量，每一层浇筑完以后应及时采取覆膜保湿养护措施。

2.4 施工现场监测

在路基典型横断面处布设沉降板及边桩，进行路基整体和总沉降变形观测。通过记录和分析沉降数据及变化规律，掌握沉降发展情况，便于及时对异常情况进行处置。对典型断面进行沉降观测，观测结果见表1 和图1。

表1 典型断面沉降观测数据

图1 典型断面沉降观测数据曲线图

路基结构的累计沉降随着泡沫轻质土的层层浇筑逐渐增大，沉降速率从初期的快速增长逐步变缓，最后区域平稳，最大沉降量为19.8mm。由于泡沫轻质土容重较小，产生的地应力较小，相比于常规土体，沉降量不大。

3 泡沫轻质土进行路基加宽的优势

（1）施工便捷：在施工过程，泡沫轻质土通过搅拌站预制及管道运输，从制备到浇筑都无须用到大型机械设备进行运输、振捣或碾压，如此不仅减少了施工工序还节省了作业时间。再者，轻质泡沫土由于分段、分区施工，对空间限制因素不敏感，可在狭小空间内进行施工，节省了施工场地；同时泡沫轻质土在施工时具有自流平特性，不需要人工二次整平，施工效率高，工期短；泡沫轻质土固化后具有自立性，一般在浇筑完成后4～8h 即可固化，便于边坡垂直施工，无须放坡，可减少作业占地面积。

（2）对地基要求低，工后沉降小：泡沫轻质土容重小、质量轻，作为路基填筑材料对原路基地基的承载力要求能适当放宽，有效减轻填土负荷，在地基处理软土换填中具有优势，能够有效降低基地应力，减少次固结沉降。

（3）施工便捷，工期短，节约工程造价：同路基填筑工程常规的工序相比，泡沫轻质土的施工工序更为少一些，施工也更为便捷，有效缩短工期，且经过管道泵送及施工，有效减少施工便道和运输成本，降低了施工成本。

（4）有利于保持交通通畅：由于泡沫轻质土容重小，可以避免浇筑时对老路上的既有构造物产生强大的压力，此外可以垂直填筑，在高速公路改扩建工程中调整纵坡的同时，无须中断交通，能够确保既有交通通畅。