基礎工程中新型建筑材料的應用研究

魏威

（中鐵大橋局第三工程有限公司，廣東 廣州510800）

1 前言

建材是建筑產業的基礎，新型建材的發展對建筑技術產生著巨大的影響，并可能改變建筑物的形態或結構。本文將重點探討在地基基礎和基坑圍護方面幾種典型新型建材的應用現狀和發展趨勢。

2 新型建筑材料在基礎工程中的應用現狀

2.1 化學灌漿材料

化學灌漿是巖石工程補強加固手段之一。

常用的化學灌漿材料除傳統類型外出現了諸如甲凝、甲氰凝和環氧-聚氨酯、丙烯酸酯-聚氨酯等互穿網絡灌漿材料，其中甲基丙烯酸酯系列是我國獨創。中國科學院廣州化學研究所研制的中化-798漿材[1]，沖破國際上認為k<10-6cm/s地層不能進行滲透灌漿的灌漿禁區，而且注入k=10-8cm/s的地層，為國內外處理低滲透性軟弱巖土地層的化學灌漿技術開創了新局面。

2.2 高強混凝土

混凝土高強度化的研究，早在30年代初就已開始，其中高強預應力混凝土管樁(簡稱PHC管樁)就是高強混凝土在基礎工程中的應用實例之一。PHC管樁生產采用摻高效減水劑、強制攪拌、高速離心和“蒸養-壓蒸”二次養護方式，樁身混凝土強度等級超過C80，具有強度高，單樁承載力大，耐打性好，設計選用靈活方便，成樁質量可靠，對樁端持力層起伏變化較大的地質條件適應性強，施工速度快，檢測時間短，監理方便，現場管理簡單，綜合經濟效益指標好等優點，在許多工程中得到了成功應用。

2.3 混凝土膨脹劑

中國建材院研制的混凝土膨脹劑(簡稱UEA)是由硫鋁酸鈣熟料或硫酸鋁熟料、天然明礬石和石膏共同磨細而成的一種特殊外加劑。它內摻(替換水泥率)6～12%于混凝土中拌制成的補償收縮混凝土，具補償收縮、強度、抗滲和抗凍性能良好的優點。中國建材院在UEA基礎上研制成功的膨脹效能大、流動性能好的灌注樁膨脹劑(簡稱PEA)，是由鋁酸鹽、硫酸鋁鹽、石膏和有機外加劑磨制而成的粉狀物。PEA摻入水泥后，由于水化作用形成大量的膨脹性結晶水化物-鈣礬石，使混凝土產生體積膨脹。通過混凝土樁徑向膨脹作用，提高了樁與土層的摩擦阻力。而PEA樁的豎向膨脹作用，也提高了樁尖的極限強度。這一徑向和豎向膨脹綜合效應，使PEA樁垂直和水平承載能力都得到提高。水泥中摻入20～25%的PEA，單樁承載力提高25%～35%。天津中山商廈和湖北孝感人民銀行營業樓等基礎工程的實踐證明采用PEA樁能節省投資，大大縮短樁基工工期，同時可節省工程用電、用水，具有顯著的社會和經濟效益。

2.4 粉煤灰拌合物

粉煤灰是由燃煤熱電站煙囪收集的灰塵，其顆粒一般比水泥還細，含有大量的球狀玻璃珠，同石灰、水泥、砂石、土等親合性好，它們的拌合物是優良的地基與基礎工程材料，已在水利、道路、建筑工程中得到廣泛應用。

(1)二灰。粉煤灰、石灰拌到一起簡稱“二灰”。粉煤灰中的SiO2、Al2O3酸性氧化物與石灰消解后生成的Ca(OH)2發生反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質，并逐漸硬化產生強度，用以加固地基和作基礎墊層，在多個工程實踐中得到成功應用。

(2)二灰砂樁

西安市用粉煤灰、石灰、砂和多種外加劑制成的灰土樁，處理新填土地基，提高了地基承載力，減少變形量，具有明顯效果。

(3)二灰瀝青混凝土

美國摩爾頓郡修建海布郎公路時，在拌制瀝青混凝土時摻入3.5%的消石灰和8%的C級粉煤灰(高鈣灰)，使混凝土的強度提高60%～80%，若先拌合石灰，陳化24小時后再摻入粉煤灰，混凝土的強度可提高1倍以上。

(4)粉煤灰混凝土

研究表明摻有高效減水劑的混凝土，當拌合物的水灰比為0.3或者更低時，使用粉煤灰取代60%的水泥拌制的混凝土，不僅具有強度與耐久性優異的特性，同時混凝土的彈性模量、徐變、干縮和凍融性能亦均與普通混凝土相當。另外，這種高摻量粉煤灰混凝土抵抗氯離子滲透的能力較強。

(5)CFG樁

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，這種樁的骨料仍為碎石，用摻入石屑來改善其顆粒級配，摻入粉煤灰來改善混合料的和易性，并利用其活性減少水泥用量。由于它與周圍被擠壓的土壤共同承受上部傳來的荷載，故又稱為CFG樁復合地基。

與碎石樁相比，CFG樁承載力提高幅度較大(與素混凝土樁相近)，且具有可調性，并可有效減少變形。CFG樁處理費用比素混凝土樁節約20%～30%，且利用了“二廢”(即粉煤灰和石屑)，具有較好的經濟效益和社會效益。

(6)CFS樁

水泥粉煤灰鋼渣樁(簡稱CFS樁)在濕陷性黃土地區已被積極應用與推廣，并在武漢某熱軋廠板坯庫車間人工填土地基中得到了成功應用。CFS樁的作用機理主要是通過擠密、樁體分擔荷載作用來提高地基承載力及減小變形。

此外，粉煤灰、石灰和水泥摻合在一起的“三灰”基礎，粉煤灰、石灰混合料中摻入土的“二灰土”墊層和“二灰土”樁，粉煤灰、石灰、碎石或硬質礦渣等拌合在一起的“二灰渣”等粉煤灰拌合物在地基基礎中均得到了成功的應用。

2.5 粉煤灰磚

該產品以粉煤灰、膠凝材料(石灰、石膏、水泥等)為主要原料，摻加適量的外加劑、集料等，經坯料制備、振動壓制成型，常壓或高壓蒸汽養護而制成的實心磚，是替代實心粘土磚較為理想的一種新型墻體材料。

2.6 噴射混凝土

噴射混凝土是將水泥、砂、石和外加劑(速凝劑、粘稠劑)按一定比例拌合后裝入噴射機中，借助壓縮空氣吹至噴嘴處與水混合，然后噴向巖壁并在短時間內與巖壁粘結的一種混凝土支護結構。有文獻表明長春市某高層建筑在大直徑人工挖孔樁施工中應用噴射混凝土護壁獲得成功。該實例表明采用噴射混凝土護壁由于不需支設模板，工藝簡單，施工方便，工期短，經濟效益顯著。

2.7 纖維混凝土

纖維混凝土是一種新型的多相復合建筑材料，它通常根據工程結構不同及使用環境和條件在水泥基體中摻入鋼纖維、玻璃纖維、石棉纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、高密度聚乙烯纖維、尼龍纖維等材料，以改善并提高混凝土的抗裂、抗拉、抗彎強度和抗滲防水性能，增強其抗沖擊及抗震能力，已受到工程界的極大關注并在不斷的工程實踐過程中得到越來越多的肯定。

3 新型建筑材料在基礎工程中發展趨勢

3.1 綠色建材將成為基礎工程材料發展的一個主要目標

綠色建材在基礎工程中的開發利用可概括成以下四種類型：一是節約資源型，如上文中提到的粉煤灰拌合物是盡量降低天然資源消耗，充分利用工業廢料作為原材料的綠色建材。二是低能耗型，如用粉煤灰等工業廢渣代替粘土磚，生產相當于1000億塊實心粘土磚的新型墻體材料，可消耗工業廢渣7000萬噸，節約耕地3萬畝，節約生產能耗100萬噸標煤，達到節能利廢、節約資源、保護環境的目的。三是無公害型，如最近，有關防止對環境的污染成為了化學灌漿材料研究的重點，并在國內研制成功了T31，810，X89，CD等毒副作用較低的一批環氧漿材改性胺類固化劑，無溶劑型環氧漿材、LW、HW等水溶性聚氨酯漿材等低污染或無污染的新型建材。四是可回收利用型，環保泥漿是一種高分子聚合物所組成的高濃縮性乳液穩定液，用于地下連續墻或樁基施工，具有穩定溝槽的功能，可取代傳統的膨潤土。其“環?！钡暮x可從兩個方面理解:一是使用環保泥漿鉆進時，不會與土砂顆?；旌希誓酀{中含砂量極低，可多次重復使用；二是若向欲廢棄的泥漿中加入漂白粉(次氯酸鈉)，使其分解，24h即完全變成中性，可以直接排入下水道或溝渠，而不會污染環境。

3.2 復合建材是基礎工程材料發展的必然趨勢

復合建材是由兩種或兩種以上不同材料，通過一定的加工工藝合成一體的功能材料?，F代建材大多數是復合建材，如PHC管樁、粉煤灰拌合物、纖維混凝土等都是復合建材。

復合建材吸取了單一質建材的材性優勢和組合建材優勢互補的優點，根據使用功能的要求，選擇合適的材料，通過物理或化學的手段，使不同材料復合成一種新的整體材料，既能使材料的特性得到充分發揮，又能合理地做到優勢互補。如纖維混凝土中纖維的摻入可以提高混凝土的抗拉及抗沖擊性能，并能有效改善混凝土的脆性，使材料更能適應時代的要求。

3.3 新型建材品種的增加將進一步促進基礎工程技術的發展

目前，新型建材的品種和產量正在以前所未有的速度發展，基礎工程若能有效地利用性能優良的新型建材必將推動基礎工程新技術、新工藝的發展。如化學灌漿材料的出現促使注漿技術的不斷發展，湖南國際會展中心采用單管分噴和靜壓注漿相結合的綜合灌漿法取代高壓噴射注漿法對人工挖孔樁進行補強加固，取得了較好的加固效果。以水泥、粉煤灰、石屑等材料構成的低強度樁為“復合地基”技術的開發，為我國地基處理技術開辟了新領域，填補了天然地基與樁基之間的空白。

近年來，材料科學技術的發展，為新型建材工業增添了新的機會，注入了新的活力。許多研究已取得了突破性進展，如自密實混凝土，膨脹自密實混凝土，活性粉末混凝土(RPC)其性能比傳統結構的鋼筋混凝土更為優越。雖然要將這些性能優越的新型建材用于基礎工程，尚有大量工作要做，但我們相信，它們必將會給基礎工程帶來革命性的變化。

4 結束語

總之，新型建材品種的不斷涌現和產量的不斷增長是新世紀建筑業發展的客觀要求，它們正在推動著基礎工程技術向前發展。當然由于許多新型建材的生產投入較大，原材料價格較高，加上配套技術標準和措施還很不健全，從而阻礙著它們的推廣應用。然而，隨著經濟的發展和科技的進步，新型建材不斷開發應用必將對基礎工程技術的發展帶來巨大的影響。

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