泡沫轻质土配合比设计要点及在桥头路基填筑中的应用研究

摘要 文章依托于312国道无锡飞凤路至金城东路段改扩建工程，重点研究泡沫轻质土在桥头路基填筑中的应用。首先阐述了泡沫轻质土的材料组成及工程特性，然后，通过室内试验确定了距离路面底部不同深度所用泡沫轻质土的配合比，最后基于实验结果和工程实例，通过检测泡沫轻质土的抗压强度、湿密度、标准沉降率等指标，验证了配合比设计的合理性和实际应用效果。研究结果表明，通过合理设计泡沫轻质土的配合比，可以获得良好的力学性能和施工效果，为桥头路基填筑提供可行的技术方案。

关键词 泡沫轻质土；配合比；桥头路基填筑；应用研究

中图分类号 U445.55文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0078-04

0 引言

传统的路基填筑材料通常使用砂土、黏土等，但这些材料在填筑完成后存在很多问题，如自重大、易塌陷、抗冻性差等。为了解决这些问题，近年来泡沫轻质土作为一种理想的填土材料被引入到桥头路基填筑中，通过在一定厚度的换填层上采用轻质材料进行填筑，可以形成具有一定弹性的路基结构，这种弹性特性可以吸收和分散交通荷载的作用力，减少对地基的附加应力集中，从而降低工后沉降量，同时也避免了出现稳定性不足的问题。该文依托实体工程，提出了泡沫轻质土的具体配合比，并对轻质土在桥头路基填筑中的应用进行了研究。

1 泡沫轻质土材料组成及工程特性

泡沫轻质土是一种由发泡剂水溶液制成泡沫并与水泥、砂浆等原材料混合后形成的轻质材料，其密度较低，通常在300～1 600 kg/m³之间，因此具有良好的保温隔热性能和吸震减震性能，适用于建筑物的墙体、屋顶、地板以及路面等不同部位的填充或覆盖。泡沫轻质土中的物理发泡是通过在稀释的发泡剂中注入大量空气来产生泡沫，而化学发泡则是通过在水泥浆中投入发泡剂并进行反应来产生泡沫，其制备工艺流程见图1。

1.1 原材料

（1）水泥：泡沫轻质土中主要胶凝材料为水泥，它起到了胶结和固化泡沫混凝土的作用。

（2）发泡剂：发泡剂按照其物理性质和化学性质可以分为多种类型，其中，机械发泡剂通过机械方法将空气注入发泡剂中，形成泡沫；物理发泡剂则是利用表面活性剂等物理原理促进气体在液态中的扩散和稳定；而化学发泡剂则是通过化学反应产生气体，推动发泡过程的进行。

1.2 工程特性

（1）轻质性：泡沫轻质土通过均匀充填气泡来降低其容重，减小地基承载压力，降低地震产生的惯性力。与粉煤灰容重相比，泡沫轻质土的容重约为粉煤灰容重的0.2～1倍，与普通混凝土相比，泡沫轻质土容重约为其容重的0.1～0.6倍。

（2）耐久性：使用寿命与水泥混凝土相同。在泡沫混凝土的制备过程中，通过加入发泡剂使混凝土中产生大量的气孔，这些气孔可以减少水分在混凝土中的自由移动和凝结，从而降低水分在混凝土中凝结成冰的可能性，因为当水分凝结成冰时，会发生体积膨胀，导致混凝土的内部产生应力，引起冻胀破坏。通过加入发泡剂制备泡沫混凝土，可以同时形成气孔结构和水泡结构，这些结构能够有效隔离和分散水分，并减轻水分对混凝土的影响。

（3）减震作用：在泡沫轻质土中，由于其密度较小和质量轻，波动传递速度相对较慢。当地震波通过泡沫轻质土时，部分能量会被吸收和消耗，从而降低了地震力的传递和反应，这种吸能能力可以减少结构受到的地震力和振动幅度，从而保护建筑物和结构的安全性^[1]。此外，泡沫轻质土中的微孔结构也具有一定的减震功能，微孔能够吸收和分散部分地震能量，阻碍振动波的传播，减少其对结构的冲击和损害。

（4）良好的施工性：由于泡沫轻质土不含粗骨料，其可以通过软管进行泵送，相比传统混凝土的运输方式，可以降低运输成本。在施工时，无须进行振动和碾压等操作，这极大简化了施工流程并降低了人力成本^[2]。此外，由于泡沫轻质土具有较好的流动性，浇筑过程更加连续顺畅，不容易产生空隙或接头处的不均匀现象，从而提高了施工效率。

2 配合比设计要点

（1）原材料检测：该文根据GB/T8077—2012和JC/T2199—2013中的规定对水泥发泡剂进行检测，采用的仪器有pH计、电子天平、泡沫沉降距和泌水仪、泡沫发生器等，具体检测结果见表1。

（2）泡沫轻质土湿密度和抗压强度指标应满足技术要求，具体见表2。

（3）为了满足距离路面底部不同位置处轻质混凝土的性能需求，该文针对1.2 m以上和1.2 m以下分别进行两种轻质混凝土配合比的设计，各材料比例及指标检测结果见表3。

（4）按上述配合比成型后，流动度、湿密度、力学性能（7 d、28 d抗压强度），试验结果见表4。

（5）根据上述试验结果，选定基准配合比为混凝土配合比，其力学性能及工作性能满足设计和施工要求，理论配合比见表5。

3 工程应用

3.1 工程概况

312国道无锡飞凤路至金城东路段快速化改造，老路现状为一级公路标准，双向6车道，设计速度80 km/h，沥青混凝土路。该项目位于无锡市新吴区，起点位于望虞河北岸的飞凤路南侧（K110+941.925），沿现状312国道老路线位向北依次与长江路、振发三路、振发路交叉，之后偏向西北，在现状S19通锡高速上跨桥西侧布线，之后与S259（薛典路）、华友中路交叉，从无锡高新区综合保税区东侧穿过，之后与新光路交叉后进入景云立交，终点位于金城东路北侧的新吴区、锡山区界处（K128+063.589），路线全长约17.122 km。该次施工图设计在新建主线高架桥头路段，采用泡沫轻质土处理。

3.2 工程试验段

按确定好的理论配合比拌和混凝土，在浇筑之前，先进行试验段的铺筑以检测混凝土的相关参数是否符合规范要求，另外也对设备进行调试以满足施工效率。在实际工程中，应跟踪监测泡沫轻质土的使用情况和效果，并根据实际情况进行调整和改进。通过监测数据的反馈，不断优化生产工艺和技术参数，使其更好地满足设计要求。因此，该项目将一段长30 m，宽3. 5m，浇筑厚度为0.8 m的路段作为试验段，试验段中有部分路基土质较差，采用混凝土进行浇筑时，应先将不良土质进行挖除，然后再进行浇筑，因而部分填筑段填筑深度达到了1.2 m以上；在进行试验段浇筑过程中，现场进行取样测试混凝土湿密度、抗压强度和标准沉降率等指标。对于两种理论配合比配制的混凝土，湿密度各取样检测3次，距路面底部距离大于1.2 m的混凝土，湿密度为570 kg/m³、540 kg/m³、530 kg/m³，距路面底部距離小于1.2 m的混凝土，湿密度为610 kg/m³、580 kg/m³、570 kg/m³，开始浇筑时的混凝土湿密度较大，经调整发泡液后，两种混凝土的湿密度均符合设计要求。两种混凝土的标准沉降率为0.9%、1.2%，均满足设计规定的3%以下，流动度结果为172 mm、175 mm，也满足设计要求。

对于两种混凝土的抗压强度，该次制作了6组试件，其中三组进行同条件养护，另外三组进行标准养护，分别检测龄期为3 d、7 d、28 d的抗压强度，检测结果见表6。

从表6可以看出，两种配合比的混凝土，不管是7 d还是28 d抗压强度均满足规范和设计要求。

泡沫轻质土中的发泡设备主要用于产生泡沫，常见的发泡设备包括发泡机、发泡剂储罐和气源设备；混合设备用于将发泡剂与填料进行混合搅拌，常见的混合设备有混凝土搅拌机、搅拌罐或者特制的混合设备；泵送设备用于将泡沫轻质土输送到施工现场，实现填充与压实，常见的泵送设备包括输送泵和喷涂机。传统混凝土施工过程中常常需要进行振捣和机械碾压等操作以排除空隙和提高密实度^[3]。泡沫轻质土由于其自身的流动性和膨胀性，施工时无须进行振捣和碾压操作，并且能够在施工过程中自行充填和固结。此外，泡沫轻质土施工过程中产生的振动和噪音相对较低，这对于一些对环境噪音和振动敏感的地区或项目来说非常有利^[4]。

3.3 轻质土泵送与浇筑施工要点

（1）为了发挥泡沫在混凝土中的作用、降低泡沫的损失，该工程中采用软管进行轻质土的泵送，泵送过程中产生的压力会对管道连接处造成较大的负荷，因而必须确保接头密封牢固，防止泡沫轻质混凝土的泄漏。外应根据具体情况控制浇筑管的压力和泵送距离，一般来说，泡沫轻质混凝土的泵送距离应控制在500 m以内，超过这一距离，可能会导致泡沫轻质混凝土流动性变差，甚至造成堵塞或分层等问题^[5]。

（2）轻质土在浇筑时应注意以下要点：①为了确保轻质土均匀地流向浇筑面，避免出现堵塞或者其他不良状况，浇筑过程中浇筑管与浇筑面之间的角度宜保持缓倾，此外为了提高轻质土的密实性和耐久性同时降低轻质土的消泡量，在浇筑轻质土时，应尽可能将浇筑管的口埋入轻质土且深度不小于10 cm。②轻质土分层浇筑时，为了确保下层混凝土强度的形成，应在下层混凝土终凝后再进行上层混凝土的浇筑。③为了使浇筑的混凝土各项指标满足规范要求，浇筑过程中应按要求对轻质土进行检测，不符合要求的轻质土应及时进行调整。④如果需一次性浇筑大量泡沫混凝土，可以采用多软管同时浇筑的方式，这样可以提高施工效率；多软管浇筑时，可将多个软管平行放置进行浇筑，这种方式适用于较宽的浇筑区域，可以保证泡沫混凝土均匀地填充整个区域，当浇筑区域较狭长时，可采用将多个软管分别放置在相对角上同时进行浇筑；如果浇筑量较小，只需使用一根软管进行浇筑即可，这种情况下，可以从中心点开始浇筑，然后逐渐向四边扩展，确保泡沫混凝土均匀地填充整个区域。⑤浇筑的轻质土本身比较松软，如果施工人员随意走动或移动浇注管，会对浇筑区域造成扰动，影响泡沫混凝土的质量和稳定性，因此，应尽量避免施工人员在轻质土中随意走动或移动浇注管，以确保施工质量。此外，为了确保泡沫混凝土的质量和稳定性，建议在单个浇注区内控制浇注层数，通常情况下，应在水泥浆初凝时间内完成每层浇注，这样可以确保泡沫混凝土的黏结性和稳定性。⑥浇筑过程中浇筑间歇的时间不宜超过30 min，否则应对管道进行清洗。

3.4 试验段工程效果分析

泡沫轻质土具有较低的自重和较高的可流动性，通过管路泵送后可以在模板内自然流动并自行形成一定的均匀密实度，无须碾压或振捣。同时，由于泡沫轻质土中的泡沫有助于增加混凝土的塑性，使得其在硬化过程中能够自我调整和自平。与常规混凝土相比，在泡沫轻质土的管路泵送现浇施工中，由于不需要碾压或振捣，因此可以减少振捣设备的使用和前期准备工作的时间和成本，在协调好水泥供应速度和施工工人支模速度的情况下，使用管路泵送现浇施工方法可以更好地控制施工进度，从而实现较快的施工周期。

根据试验段的铺设情况和湿密度、抗压强度、标准沉降率等指标的检测结果来看，试验段取得了较好的效果，对后续大规模铺筑具有一定的指导意义，但也存在部分问题，具体表现在：

（1）搅拌过程中存在搅拌不均匀等问题导致同一地点同一时刻轻质土容重检测结果不一致，混凝土均匀性与搅拌时间有关，搅拌不均匀有可能是为了保持连续泵送而缩短了搅拌时间，或者是增加搅拌时间并不能完全使混凝土搅拌均匀。因此，混凝土搅拌过程中，应掌握好混凝土的搅拌时间，既使得混凝土具有良好的均匀性，又不因搅拌时间的增加而降低了施工效率。

（2）在铺筑试验段初期，由于原材料把控不严，并未严格按照规范要求对发泡剂进行抽检，导致部分用于轻质土中的发泡剂发泡效果一般，泌水量很大，轻质土部分指标波动很大，经查明原因后加强了对发泡剂原材料的检测，对于不符合规范要求的发泡剂坚决不用于轻质土的制备中，经调整后轻质土的性能趋于稳定，因此轻质土的制备过程中，应加强对原材料尤其是发泡剂的检测。

（3）实际施工过程中，由于浇筑厚度的变化，浇筑过程中应控制好轻质土的容重，避免轻质土容重波动幅度过大，保证泡沫轻质土的整体均匀性，提高施工质量。

4 工后沉降观测

为了验证泡沫轻质混凝土产生的沉降量小，该文选取相邻两段分别由泡沫轻质土和普通路基填土填筑的路段进行沉降观测，采用DS1等级水准仪进行观测，每100 m布设一个观测断面，观测间隔时间为10 d，两种路段沉降观测结果见图2。从图2中可以看出，两种填土均产生了一定的沉降量，其中泡沫轻质土路段月沉降量为1.47 mm，普通路基填土路段月沉降量为2.36 mm，相同时间内，泡沫轻质土沉降量为普通路基填土沉降量的62.3%，表明泡沫轻质土在降低沉降量方面具有较好的效果。

5 结语

该研究对泡沫轻质土在桥头路基填筑中的应用进行了深入研究，并依托具体工程进行了探讨，通过该文的研究可得出如下结论：

（1）該文针对不同填筑深度设计了两种不同的泡沫轻质土配合比，两种配合比的相应指标均符合设计要求，可用于实际工程中。

（2）泡沫轻质土具有容重轻的特点，采用泡沫轻质土进行路基填筑，在进行一定厚度的换填之后，可减少对地基的附加应力，从而减少工后沉降，同时也避免了出现稳定性不足的问题。

（3）泡沫轻质土具有容重轻、流动性好，无须机械碾压，噪音低，在路基填筑中具有较好的应用效果。

（4）通过对比泡沫轻质土和普通路基填土填筑后的沉降量，泡沫轻质土沉降量为普通路基填土沉降量的62.3%，表明泡沫轻质土在降低路基沉降量方面具有较好的效果。

参考文献

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[5]杨宝， 胡学文， 李新宇， 等. 泡沫轻质土配方设计及性能分析[J]. 四川水泥， 2023（9）： 11-13.

收稿日期：2023-10-06

作者简介：汪海洋（1991—），男，本科，工程师，研究方向：试验与检测。