快速化施工中泡沫混凝土配合比設計

張剛強 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

城市橋梁快速化施工日益顯著，蘇州G312與G524節點工程為城市互通改擴建工程，橋梁與道路順接的臺背設計為輕質泡沫混凝土。泡沫混凝土是種新型混凝土工藝材料，與加氣混凝土略有差別，泡沫混凝土是通過發泡機的發泡系統將發泡劑用機械方式充分發泡，然后按照一定比例加入制備好的水泥漿或混凝土中攪拌均勻，輸送至施工部位澆筑成型，經自然養護所形成的一種含有大量封閉氣孔的輕質混凝土。泡沫混凝土與粉煤灰等輕質填料相比，具有獨立閉合膠質氣泡，輕質無水平推力，同時其施工方便快速、成本較低、可塑性強、可以填筑異形結構、硬化后具有一定強度等特點，尤其適用于公路橋臺回填、軟基處理、狹小空間路基填筑等工序快速化施工。本文針對本工程臺背快速化填筑施工，尤其是場地空間約束和新老搭接等特點，通過多次試驗研究分析主要影響參數，建立最佳的泡沫混凝土配合比設計，以期對混凝土的生產和質量管控提供參考。

1 原材料選取

針對本項目橋臺填筑用泡沫混凝土，設計為泡沫混凝土路床濕容重為6.5kN/m3，28d抗壓強度≥0.8MPa；泡沫混凝土路基濕容重為6.0kN/m3，28d抗壓強度≥0.6MPa；流動度均為180±20mm。強度、容重及流動度決定了泡沫混凝土使用性能，本配合比通過確定泡沫混凝土的干密度，而實現泡沫混凝土的使用性能的目的。

經檢測比選，所用原材料符合《泡沫混凝土應用技術規程》（JGJ∕T 341-2014）中相關規定，具體使用材料情況如下。

①水泥：無錫天山P·O42.5硅酸鹽，實測密度 ρ=3080kg/m3，符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）規范。

②水泥發泡劑：杭州恒和高分子材料有限公司生產的WF-600型水泥發泡劑（公路專用），實測發泡劑密度為940kg/m3，符合《泡沫混凝土標準》（JG/T 266-2011）附錄A的要求，推薦發泡倍數為60倍。

③拌合用水：就近采用河水（蘇州市相城區黃埭蕩河），經檢測符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）規范。

2 配合比設計

2.1 泡沫混凝土技術參數

技術參數的確定是泡沫混凝土配合比設計的成功與否的關鍵。本文以泡沫混凝土路床（0cm～80cm）設計參數為依據，展開分析泡沫混凝土配合比設計。

2.1.1 干密度

干密度是泡沫混凝土物理性能指標，也是泡沫混凝土獨立性的基礎，更是混凝土配合比設計的核心，圍繞其展開。《泡沫混凝土應用技術規程》（JGJ∕T 341-2014）第4.2.4條規定，泡沫混凝土配合比宜按設計所需干密度配制。根據路床設計參數，查閱《公路工程泡沫混凝土應用技術規范》（DB33/T 996-2015）附錄E泡沫混凝土容重試驗值對比表，選擇干密度等級A06，確定干密度為6kN/m3。

2.1.2 強度

臺背填筑泡沫混凝土注重抗壓強度和抗沖擊強度，緊緊圍繞設計干密度和28d抗壓強度≥0.8MPa標準，略提高3%～5%富余強度，達到輕質、穩定的目的。

2.1.3 水泥配比

水泥作為泡沫混凝土的固化劑，常溫養生條件下水泥初凝形成超固化狀態，適量的水泥與大量泡沫形成封閉獨立空間，達到低密度、高強度的填筑材料，選取100%水泥干物料。

2.1.4 水料比（水灰比）

泡沫混凝土主要按照水與干物料的質量比，干物料只采用水泥，即為水灰比，水的用量不僅滿足水泥水化熱的自身需求，又要滿足攪拌澆筑施工的需要，達到澆筑容易，成型穩定的目的。

2.2 泡沫混凝土設計思路

根據泡沫混凝土配合比設計的關系式：

ρ干：泡沫混凝土設計干密度（kg/m3），根據設計參數取 600；

Sa：泡沫混凝土養護28d后，干物料總量和成品中非蒸發物總量所確定的質量系數，普通硅酸鹽水泥取1.2；

Mc：1m3泡沫混凝土的水泥用量（kg）；

則：計算泡沫混凝土的水泥用量：

Mw：1m3泡沫混凝土的用水量（kg）；

φ：基本水料（灰）比，一般按照施工流動性進行調整，取0.5～0.6；

則：計算泡沫混凝土用水量：

其中K為富余系數，由發泡劑質量、制泡時間、泡沫加入漿液的損失等確定，對于發泡半衰期合格，穩定性良好的發泡劑，一般取1.1～1.3；

則：1m3泡沫混凝土的泡沫添加量：

則：1m3泡沫混凝土的發泡劑用量：

從經濟性及泡沫混凝土強度、容重、流動性等方面綜合考慮，以計算得基準配合比為基礎，保持水膠比、富余系數、發泡劑稀釋倍數等指標不變，調整水泥用量，根據上述設計思路得到以下3組泡沫混凝土配合比（見表1）。

A06泡沫混凝土配合比（kg/m3） 表1

2.3 泡沫混凝土相關指標試驗方法

通過施工模擬選擇區域作為試驗點，驗證所配制泡沫混凝土是否滿足生產需求，按照《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）第7.3.3條規定檢測泡沫混凝土28d抗壓強度，按照《泡沫混凝土應用技術規程》（JGJ∕T 341-2014）附錄B、附錄C規定的試驗方法，對泡沫混凝土流動度、濕容重進行檢測及切割分析氣泡分布狀態。

2.4 試驗結果及分析

2.4.1 泡沫混凝土性能檢測結果

要配制合格的A06泡沫混凝土，首先其流動度要滿足現場施工需要，其次該泡沫混凝土的濕容重和強度也是決定是否選擇該配合比的重要因素。現對1-3號3套泡沫混凝土配合比相關性能進行檢測，得到以下相關檢測數據（見表2）。

1-3號配合比28d抗壓強度均能夠達到設計強度的1.1倍。

2.4.2 試驗結果分析

①泡沫混凝土流動度試驗結果分析

通過對3組配合比流動度試驗對比發現，3組配合比流動度均能滿足設計要求，即180±20mm。大面積施工根據天氣等環境因素，適當添加外加劑或調整用水量的方法，來修正其流動度。增加用水量既降低了水泥漿的稠度，又減小了泡沫在水泥漿體中的均勻分布的阻力，從而使泡沫混凝土具有更好的流動性；反之可以降低泡沫混凝土流動度。

泡沫混凝土流動度、濕容重、28天抗壓強度試驗結果 表2

②泡沫混凝土濕容重試驗結果分析

本項目泡沫混凝土主要用于橋臺填筑，利用泡沫混凝土容重輕、強度高、流動性好及獨立性等方面的優勢，大大降低了橋臺位置軟土地基荷載，同時減小了對擋墻的水平推力，也增強了吸收路面沖擊能力。泡沫混凝土良好的流動性，自流填充等特點，可以充填至臺背各個狹小空間，減少微差沉降有效的防止橋頭跳車現象。因此泡沫混凝土濕容重是本項目泡沫混凝土的重要控制指標之一。

通過試驗對比發現，1號及2號配合比濕容重明顯大于設計容重6.5kN/m3，3號配合比濕容重為6.6g/cm3，與設計值接近。考慮到該泡沫混凝土的使用部位，濕容重能夠明顯影響路基底原地面的受力狀態，因此從容重方面考慮，3號配合比更適合。

③泡沫混凝土抗壓強度試驗結果分析

為保證現場施工混凝土強度，室內試配泡沫混凝土時，配制強度一般比設計強度高10%。本次試驗三組配合比強度均高于設計強度的1.1倍，即0.88MPa。在滿足配制強度的前提下，從經濟性角度出發，3號配合比的泡沫混凝土成本優勢明顯。

影響泡沫混凝土強度的主要因素有：①水料比，水料比與泡沫混凝土強度成反比關系，其強度隨著水膠比的增大而減小；②容重，容重越大的泡沫混凝土其強度越大，而容重又與引入氣泡即加入發泡劑的數量有直接關系，容重越小引入的氣泡越多。因此可以通過調整水料比和引入氣泡數量的方法，修正泡沫混凝土強度。

泡沫混凝土一般采取“水下灌注”法澆筑，避免泡沫混凝土堆積改變氣孔分布，同時初凝后受到外力干擾，初凝固化后氣泡出現破裂現象，減弱獨立防水性能，采取分塊分層澆筑，單次澆注時間控制在水泥初凝時間以內完成；上下層的澆注間隔控制在水泥終凝后，人行踩踏無痕為參考標準。

3 結論

在公路橋梁建設過程中泡沫混凝土可應用于立式路基、路提、減荷換填、軟土層換填、橋臺填充、橋背填充、橋面減荷填充等領域，可有效降低高填方段、隧道、地下連續通道等的回填荷載，降低地基應力，減小地基差異沉降，吸收路面沖擊能量，有效解決軟基路堤的橋頭跳車、道路拓寬以及高寒地區路堤隔熱保溫等問題，增大道路工程的穩定與安全系數。同時還可以降低工程造價，減少維修費用。

泡沫混凝土作為綠色環保特殊材料，在公路工程軟基處理、橋臺減荷填筑、軟土層換填、孔洞填充及狹小空間澆筑等工序施工中，可充分發揮其自防水、密度輕、流動性好、具有一定強度等優點。本文針對公路施工特點，對3組泡沫混凝土配合比的容重、流動度、強度進行檢測，并考慮經濟成本，選擇性能適合公路工程施工的3號配合比，通過現場施工驗證，該泡沫混凝土各項性能均達到快速化施工設計的預期效果。