泡沫輕質(zhì)土在紗帽樞紐工程中的應(yīng)用研究

曹加府,王 威,涂家?guī)?/p>

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司,武漢430000；2.湖北大學(xué),武漢430062)

近年來,隨著科技的不斷創(chuàng)新和我國總體經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,汽車車輛總數(shù)的大幅提升而帶來的交通量的劇增,使得部分城市道路、高速公路、橋梁路基出現(xiàn)了交通量飽和的現(xiàn)象[1]。部分道路路橋已經(jīng)無法提供足夠的通行能力和使用壽命來滿足相應(yīng)的交通量。從公路拓寬改建工程來看,投入使用的改建道路經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)營使用會逐漸產(chǎn)生沉降現(xiàn)象,而在舊路基的邊緣處,新填充進(jìn)來的填土材料會在來往車輛的壓力作用下,產(chǎn)生一個(gè)額外沉降的現(xiàn)象,進(jìn)而使得新舊路基存在高度差,最終將引起路基的破壞性變形,導(dǎo)致新舊路基過渡段頻繁發(fā)生橋頭跳車等安全問題。因此,迫切需要引入一種新型輕質(zhì)材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)道路路基填料,能在解決上述工程問題的同時(shí),又能節(jié)約成本符合環(huán)保需求[2]。

泡沫輕質(zhì)土是一種新型的工程科技材料,具有極其廣泛的發(fā)展前景。泡沫輕質(zhì)土是通過物理攪拌的方法,先將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫,然后與水泥、礦物巖石摻合料、水以及其他添加劑、外加劑等按照一定的成分比例混合攪拌,混合均勻后經(jīng)物理化學(xué)作用而形成的一種輕質(zhì)多孔材料。泡沫輕質(zhì)土作為一種水泥基多孔材料,其中有大量氣孔存在于泡沫輕質(zhì)土內(nèi),其氣孔的體積占泡沫輕質(zhì)土的體積比可高到90%。由于泡沫輕質(zhì)土具備多孔結(jié)構(gòu),也使得泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于普通混凝土的強(qiáng)度[3]。而泡沫輕質(zhì)土由于其本身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得在具備優(yōu)良物理特性的同時(shí)也存在不少材料缺陷,如當(dāng)泡沫輕質(zhì)土經(jīng)歷含水率驟變時(shí),易出現(xiàn)收縮應(yīng)力使得材料出現(xiàn)破裂。而更好的耐久性能使泡沫輕質(zhì)土具有更長的使用壽命和環(huán)境適應(yīng)力,能在未來的實(shí)際工程建設(shè)中起到更大作用。而耐久性檢測是一項(xiàng)必要的基礎(chǔ)管理工作和必備程序[3-5]。因此,論文通過對現(xiàn)有高性能泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行模擬環(huán)境試驗(yàn)研究,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來表征材料相關(guān)性能并分析其性能是否有所提升并提出合理的建議與展望。

1 泡沫輕質(zhì)土原材料及制備工藝

1.1 原材料

試驗(yàn)所用高性能泡沫輕質(zhì)土成分配料如表1所示。

表1 高性能泡沫輕質(zhì)土原材料

1.2 制備工藝

高性能泡沫輕質(zhì)土的制備工藝如圖1所示。

2 泡沫輕質(zhì)土耐久性試驗(yàn)研究

將泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行了凍融循環(huán)、干濕循環(huán)和碳化的試驗(yàn)研究,并進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

2.1 凍融循環(huán)

經(jīng)過15次凍融循環(huán)試驗(yàn)操作后,試樣表面均未見明顯的損壞,近乎完好,并測試在凍融后試樣的質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度損失率,測試結(jié)果如表2所示。

表2 抗凍性能測試結(jié)果

通過表2可以看出,試驗(yàn)所用的泡沫輕質(zhì)土在凍融循環(huán)操作實(shí)驗(yàn)下,前后的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率均較低。這是因?yàn)閾饺氲拟c水玻璃和花崗巖石粉一方面他們本身就具有不錯(cuò)的活性,另一方面兩者對硅質(zhì)材料活性的提高有著疊加作用,這有利于提高反應(yīng)程度和相關(guān)水化產(chǎn)物的生產(chǎn),使得材料的抗壓強(qiáng)度增大,抗凍能力增強(qiáng)。

2.2 干濕循環(huán)

進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)后,砌塊表面幾乎無破壞,試驗(yàn)所得結(jié)果如表3所示。

表3 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

通過表3中數(shù)據(jù)可看出在干濕循環(huán)作用下,試樣塊得劈裂抗拉強(qiáng)度略有提升,說明該材料有良好的適應(yīng)能力和更強(qiáng)的抗拉能力。這說明該泡沫輕質(zhì)土中的宏觀孔的分布較為均勻、平均孔徑與孔隙率的變化起伏不大,總孔隙率有降低趨勢。這是因?yàn)樵诓僮髟囼?yàn)中會使未完全水化的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,生成的水化產(chǎn)物填充基體中的微觀孔,提高了試樣的密實(shí)度,而宏觀孔的孔隙率變化較小,總的來說總孔隙率降低,因而表現(xiàn)出良好的抗拉強(qiáng)度。

2.3 碳化

泡沫輕質(zhì)土碳化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 碳化試驗(yàn)結(jié)果

分析表4數(shù)據(jù)可以得出,碳化后的泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)略微上升的趨勢,這說明材料具有良好的抗碳化性能。這是因?yàn)榕菽p質(zhì)土含有一定的堿性物質(zhì)成分,可以將滲透進(jìn)來的CO2中和并生成相應(yīng)的碳酸鹽和水,使得泡沫輕質(zhì)土堿度降低,因而抗壓強(qiáng)度提升,所以表現(xiàn)出良好的抗碳化性[6]。

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

中交二航局紗帽大道交漢洪綜合樞紐工程項(xiàng)目部擬定匝道DK0+284.81～DK0+464.50段路基為輕質(zhì)混合土首件工程,為了加快路基填筑質(zhì)量和進(jìn)度,防止橋頭沉降差異導(dǎo)致跳車問題,該工程對于填高大于3 m 的高填路基段,路基底部3 m 采用素土填筑,上部采用氣泡混合輕質(zhì)土填筑。其中,K0+420～K0+609.69段氣泡混凝土49 216.7 m3,BK0+000～BK0+090.3氣泡混凝土11 309.3 m3,DK0+284.81～DK0+464.5氣泡混凝土19 924.8 m3,0#臺、B匝道橋臺及D 匝道橋臺氣泡混凝土共10 432.7 m3[7]。

3.2 應(yīng)用情況

氣泡混合輕質(zhì)土材料由氣泡混合輕質(zhì)土智控一體機(jī)自動化生產(chǎn),紗帽4樞紐工程泡沫輕質(zhì)土的生產(chǎn)和澆筑施工工藝如圖2～圖5所示。

4 結(jié) 論

a.通過凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)、干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)和碳化實(shí)驗(yàn)來模擬泡沫輕質(zhì)土在實(shí)際工程建設(shè)運(yùn)用中將會遇到的常見復(fù)雜環(huán)境,結(jié)果表明,該工程高性能泡沫輕質(zhì)土具有較好的抗凍性能、抗干濕循環(huán)性能和抗碳化性能。b.生產(chǎn)的泡沫輕質(zhì)土在紗帽大道D 匝道進(jìn)行了的澆筑施工,應(yīng)用效果優(yōu)良。