泡沫輕質(zhì)土處治新舊路基差異沉降性能的研究

甄俊杰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，一些原有道路的通行能力已不能滿足需求，對舊路的改擴建是一種經(jīng)濟、快速、實用的解決方法[1]。舊路的改擴建是在原有道路基礎(chǔ)上對路基進行加寬和拼接以增加道路的通行能力。其加寬過程中必然會涉及到新老路基的差異沉降問題。新舊路基的差異沉降會引起路基的分離、路面開裂，對道路的施工及養(yǎng)護造成重大的影響[2]。

目前，新舊路基差異沉降通?？刹捎脪伿瘮D淤、基底處理、基底換填、堆載預(yù)壓、舊路削坡處理和加鋪土工格柵等方法[3-4]。其中，泡沫輕質(zhì)土是一種新型的路基填料，在進行擴幅填土?xí)r可大幅度地降低填土荷重減少新老路基的差異沉降。本文將在前人的研究成果上對泡沫輕質(zhì)土的物理性質(zhì)及無側(cè)向壓縮特性做深入研究，并分析了泡沫輕質(zhì)土用于控制新舊路基的差異沉降的機理。

1 泡沫輕質(zhì)土的物理特性

1.1 輕質(zhì)性

1.2 流動性

為研究泡沫輕質(zhì)土的流動性，可通過流動性實驗確定擴展度的值。將用鍍鋅薄鐵皮做成的內(nèi)徑0.08 m、高0.08 m的圓筒裝滿試料并放在光滑平面上，其中氣泡水泥漿液體積比為40%。實驗開始后，迅速向上提起圓筒，1 min后，對攤開試料的兩邊直徑進行測量并取平均值作為泡沫輕質(zhì)土的擴展度。試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 泡沫輕質(zhì)土水灰比與擴展度關(guān)系圖

由圖1試驗結(jié)果可知，泡沫輕質(zhì)土的流動性與擴展度大致呈線性關(guān)系。影響流動性的另一個因素是氣泡含有量，氣泡在泡沫輕質(zhì)土中起到增加黏滯性的作用，因此擴展度將隨著含氣量的增加逐漸減小。泡沫輕質(zhì)土的流動性好，施工時，便于泵送。

1.3 吸水性

用泡沫輕質(zhì)土對內(nèi)徑0.08 m、高0.08 m的鍍鋅薄鐵皮做成的圓筒進行澆筑，標準養(yǎng)護過后，對不同初始容重的試塊進行浸水試驗，觀察其密度變化，得到圖2試驗結(jié)果。

圖2 浸水天數(shù)與密度變化

由圖2可知，初始容重在8～11 kN/m3之間，浸水后，容重都會發(fā)生相應(yīng)的變化，且變化不超過26%。泡沫輕質(zhì)土在浸水情況下，其容重會隨浸水深度的增大而升高，但不會一直升高。因此，工程應(yīng)用中，在可能產(chǎn)生浸水的環(huán)境中，應(yīng)該考慮采取防水措施。

2 泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限壓縮特性

無側(cè)限抗壓強度是泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的最基本評價指標。泡沫輕質(zhì)土用于處治新舊路基差異沉降的工程中，其力學(xué)性能直接關(guān)系到新舊路基拼接后路基承載能力的好壞。研究泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)特性的影響因素，對制定泡沫輕質(zhì)土的最佳配合比及提高路基承載力有重大的意義。

2.1 氣泡含有率、原料土對無側(cè)限抗壓強度的影響

為研究泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度受砂與水泥質(zhì)量比、氣泡含有率的影響。擬定如下試驗，水泥標號取32.5 R，固定原料土中的砂與水泥的質(zhì)量比，取6 組質(zhì)量比分別為 F1、F2、F3、F4、F5、F6。只改變氣泡含有率，對標準養(yǎng)護后的試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

由試驗結(jié)果可知，在氣泡含有率一定時，砂與水泥的質(zhì)量比越大，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度越低；當原料土中的配合比一定時，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度會隨著氣泡含有率的增大而逐漸減少，當氣泡含有率達到70%時，無側(cè)限抗壓強度在0.5 MPa以下，已無工程意義。

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圖3 泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度與氣泡含有率的關(guān)系

為進一步研究配合比對泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度的影響，取定3組不同的配合比H1、H2、H3，其中H1配合比中砂子與水泥的質(zhì)量比為5，H2為3，H3為0，即純水泥泡沫輕質(zhì)土。采用相同的氣泡含有率進行實驗，得到如圖4結(jié)果。

圖4 無側(cè)限壓縮破壞試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖4可知，H1、H2、H3三種曲線表現(xiàn)為3種不同特性的破壞，含砂量較多的H1表現(xiàn)為脆性破壞、H2介于脆性破壞與塑性破壞之間、H3表現(xiàn)為塑性破壞。因此，不同配合比下，泡沫輕質(zhì)土的破壞特性也會不同，隨著含砂量的增加，泡沫輕質(zhì)土破壞特性由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變，在工程應(yīng)用中，應(yīng)選擇最佳配合比。

2.2 固化材料對無側(cè)限抗壓強度的影響

為研究不同類型固化材料對無側(cè)限抗壓強度的影響，在配合比及其他原料相同的情況下，取固化材料分別為普通硅酸鹽水泥、高爐礦渣水泥進行試驗，可得試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度與固化材料種類的關(guān)系

分析圖5試驗結(jié)果可知，固化材料為高爐礦渣水泥的無側(cè)限抗壓強度要明顯高于普通硅酸鹽水泥，因此可選用合適的固化材料，增加泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度。

2.3 水泥標號對泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度的影響

取標號分別為52.5 R、42.5 R、32.5 R的普通硅酸鹽水泥進行試驗，其他原料均相同的情況下，固定3組配合比均為P。對標準養(yǎng)護后的試塊進行無側(cè)限抗壓強度的試驗，可得圖6結(jié)果。

圖6 不同標號水泥對無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖6可知，配合比相同的情況下，水泥標號越大，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度越大。且標號在32.5～42.5 R之間時，強度增長的幅度比42.5～52.5 R時明顯要大。因此，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度可通過水泥標號來改變，但應(yīng)注意隨著水泥標號的增大，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度增長幅度逐漸減小，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟效益，選用合適的水泥標號。

2.4 含水量對無側(cè)限抗壓強度的影響

如表1，令泡沫輕質(zhì)土的水泥摻入量、氣泡含量、養(yǎng)護時間不變，改變含水量。對標準養(yǎng)護后的泡沫輕質(zhì)土試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，可得圖7結(jié)果。

表1 不同含水量的泡沫輕質(zhì)土試塊

圖7 含水量對抗壓強度的影響

由圖7可知，隨著含水率的增加，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度逐漸減少，且降低幅度很大。

2.5 養(yǎng)護時間對泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度的影響

如表2，控制泡沫輕質(zhì)土含水量、氣泡含有量、水泥摻入量不變，以養(yǎng)護時間為變量。養(yǎng)護完成后，對試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，可得圖8結(jié)果。

表2 不同養(yǎng)護時間的泡沫輕質(zhì)土試塊

圖8 養(yǎng)護時間對抗壓強度的影響

由圖8可知，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度呈線性增長。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)確保養(yǎng)護時間達到28 d。

3 泡沫輕質(zhì)土處治新舊路基差異沉降的原理及優(yōu)點

在對舊路的改擴建工程中，因為受拓寬路堤所產(chǎn)生的影響，舊路堤會朝著新路堤產(chǎn)生沉降，造成舊路堤路表面不平整，路面出現(xiàn)開裂。因此，控制新舊路基差異沉降問題是舊路改擴建工程中所要面對的首要問題。日本京葉公路和東名高速公路是采用泡沫輕質(zhì)土進行道路的擴寬的典范。經(jīng)研究，泡沫輕質(zhì)土具有如下特點，可有效處治新舊路基的差異沉降。

a）不可壓縮及高強特性 由于不可壓縮及高強的特性，泡沫輕質(zhì)土可有效控制工后沉降。特別是對新建路基的填土進行置換后，基底應(yīng)力明顯減少，工后沉降得到有效控制。

b）輕質(zhì)性與固化后自立性 泡沫輕質(zhì)土的表觀密度低但強度高，同時，初凝后就會開始固化自立，可進行垂直填土。又由于泡沫輕質(zhì)土施工簡便并且可在場地狹窄的情況下施工。

c）高流動性 泡沫輕質(zhì)土不含粗骨料，流動性比混凝土要高的多，可與舊路基完好銜接。

d）耐久性 泡沫輕質(zhì)土的固化材料為水泥類材料，耐熱、耐久性強。

4 結(jié)語

本文通過對泡沫輕質(zhì)土物理特性和無側(cè)限抗壓特性的研究，分析泡沫輕質(zhì)土處治新舊路基的差異沉降的原理，得到以下結(jié)論：

a）泡沫輕質(zhì)土的流動性隨水灰比的增大而增大，隨氣泡含量的增大而增大；泡沫輕質(zhì)土的容重隨浸水深度的增大而增大但不會一直增大。

b）配合比一定時，泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度會隨著氣泡含有率的增大而逐漸減少；可選用合適的固化材料、水泥標號增加泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度；泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度隨含水量增加而減少。

c）泡沫輕質(zhì)土可有效控制新舊路基的差異沉降，具有經(jīng)濟意義和工程意義。