泡沫輕質土特性及工程應用分析

陳 行

(福建七建集團有限公司 福建漳州 363000)

0 引言

泡沫輕質土也稱為氣泡混合輕質土、泡沫水泥輕質土、泡沫混凝土，是一種介于土體和普通水泥混凝土之間的一種無機合成材料。早在1923年，國外就有制備氣泡混合輕質土的專利[1]，20世紀30年代，美國最早將氣泡混合輕質土應用在工程領域，我國于2002年首次將氣泡混合輕質土應用于工程實踐。由于泡沫輕質土施工技術簡單、工期短、造價低，且可以利用粉煤灰、礦渣、石粉等工業廢渣作為原材料，環保節能，因此近年來泡沫輕質土的工程應用呈現逐漸增多的趨勢，但相對而言，泡沫輕質土在國內的應用還不是非常普遍，技術也有待完善。基此，本文擬此歸納總結泡沫輕質土工程特性的優缺點，分析其在市政路橋工程上適用性，并結合某一典型工程實例，闡明泡沫輕質土的技術經濟等優勢，并針對其性能缺點提出相應的技術優化措施，供同行參考。

1 泡沫輕質土特性

現行泡沫輕質土規程[2]對泡沫輕質土(Foamed Lightweight Soil，簡稱FLS)的定義是：用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、水及摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經物理化學作用硬化形成一種輕質材料。泡沫輕質土的微觀結構如圖1所示[3]。

圖1 泡沫輕質土微觀結構

由于泡沫輕質土是由水泥基膠凝材料凝結硬化而成，且內部具有大量獨立封閉的膠質氣泡，因此具有與傳統填土材料、普通混凝土不同的特性，主要表現在以下各方面。

1.1 泡沫輕質土優點

(1)輕質性

根據所制備泡沫輕質土的氣泡及水泥含量，泡沫輕質土的容重可在5～12kN/m3范圍內變化[3]。相比于填土路基19～20 kN/m3、普通水泥混凝土23～24 kN/m3，泡沫輕質土的自重減少50%～80%。

(2)高流動性

由于泡沫輕質土不含粗骨料，因此流動性較高，其流值一般在160 mm～190 mm，最大可達200 mm以上[3]，高于普通新拌混凝土，因此泡沫輕質土更便于泵送施工，其水平最大輸送距離可達500 m，最大泵送高度可達30 m，且具有自流平特點，不需要額外的振搗或碾壓作業，即可以在狹小空間內進行澆筑，施工便利。

(3)隔熱性

泡沫輕質土是一種多孔結構材料，氣泡含有率可高達40%～70%，其導熱系數通常為0.1～0.175 w/m·k，遠小于填土路基的1.047w/m·k和普通水泥混凝土的1.63～1.74 w/m·k，具有良好的保溫隔熱性能[3]。

(4)強度適中

通過調整泡沫輕質土的配合比，其抗壓強度可在0.3～5 MPa范圍內調節[4]，目前工程上應用的泡沫輕質土抗壓強度一般在0.5～1.5 MPa之間，比普通填土強度高得多，卻比水泥混凝土強度低得多。作為路基填料，適中且可調節的強度能很好地滿足工程要求。

(5)耐久性

泡沫輕質土中的氣泡，用專門的發泡設備，將發泡劑經過一定的稀釋倍數后形成直徑約為30～300μm的均勻氣泡群，這些氣泡在泡沫輕質土內部相互封閉且呈膠質，因此具有較好的抗滲性和環境適應性[5]，比傳統填土材料和普通水泥混凝土更適應浸水、干濕、凍融以及外部循環荷載等環境，在同等環境條件下具有更好的耐久性。

此外，由于泡沫輕質土的固化劑是水泥，因此泡沫輕質土與普通水泥混凝土一樣，澆筑后會逐漸凝結硬化。通常泡沫輕質土在澆筑4h后就會開始初凝，硬化后便具有良好的自立性，可以進行垂直填筑，節省占地，減少工程量。

1.2 泡沫輕質土缺點

由于泡沫輕質土不含粗骨料，且水灰比較大(通常在0.6左右)，因此泡沫輕質土的干縮性大，其干縮率高達(15～35)×10-4，而普通水泥混凝土的最大干縮率為(3～5)×10-4，泡沫輕質土的干縮率大約是普通水泥混凝土5～7倍以上，極易在凝結硬化過程中產生干縮裂縫[3]。

2 泡沫輕質土工程適用性分析

泡沫混凝土，具有輕質中強、高流動性、良好的保溫隔熱性能和耐久性，以及固化后可垂直自立等優點，將它應用于以下市政路橋工程，可取得十分良好的技術經濟效果。

2.1 橋臺背路基填筑

因路橋過渡段沉降差異導致的橋頭跳車病害，一直是路橋工程一個難題。傳統的處理方法是對路橋過渡段路基采用樁基或復合地基來提高地基承載力，并輔以提高回填路堤壓實度或采用橋頭搭板、柔性橋臺等措施，但這樣的處理措施，工期長、造價高，且無法從根本上解決問題[5]。

泡沫輕質土為解決該工程問題提供了新途徑。泡沫輕質土重量輕，可顯著減少地基的附加應力和豎向位移(沉降)和水平位移；泡沫輕質土剛度大，自身變形小，經采取與填土路基逐步過渡措施后(圖2(a))，可使橋臺與路基沉降變化均勻緩和，避免了橋頭跳車，并可取消橋頭搭板；固化后的泡沫輕質土可自立，不會對周圍結構物施加作用力，因此在非軟土地基上可將橋臺形式優化為樁柱式橋臺(圖2(b))。同時，由于泡沫輕質土自流平、自硬化，無需碾壓和振搗，故能有效解決臺背回填壓實難題，提高施工效率，節約工期，降低工程造價。

(a)軟土地基

2.2 跨線橋減跨

如圖3(a)所示的上跨式橫過道路的跨線橋，常規做法需要增設兩個邊跨，通過橋臺及臺前錐坡與兩端的道路銜接。若利用泡沫輕質土特性，采用如圖3(b)所示的處理方式，則可取消兩個邊跨，極大地減化橋梁結構，大大減少構筑物工程量，從而達到降低造價、顯著縮短工期的技術經濟效果。

(a)減跨前形式

2.3 道路加寬

隨著城鄉城際交通流量的不斷增長，許多道路需要進行拓寬改造。常規道路路堤拓寬往往要遇到兩個問題：

(1)新舊路基的差異沉降。舊路基已基本完成工后沉降，而新填路堤的地基將產生沉降，為消除此差異沉降，需對新填路堤的地基進行處理，而這種處理往往工藝復雜，耗時長，造價不菲。

(2)占地和拆遷問題。由于規劃原因，有的路段預留空地不足，常規拓寬做法需要征地拆遷(圖4(a))，使建設成本大增，且工期難控。

若將泡沫輕質土應用于道路路堤拓寬，其輕質性特點可大大減小新填路堤地基沉降，新填路堤地基僅需簡單處理即可滿足要求；若為軟基上低填市政路堤，甚至無需進行軟基處理；可直接利用固化泡沫輕質土的自立性進行垂直填筑顯著減少填筑工程量，大大節省用地，避免減少征地拆遷(圖4(b))。此外，泡沫輕質土通過泵送運輸，可大大減小填筑現場的施工作業面，快速、有效解決了城區狹窄路段施工場地不足的問題。

(a)常規道路路堤拓寬

2.4 陡峭地段填方路基

在山區修筑公路時，難免會遇到地形陡峭路段，需要進行大量的挖填方處理形成路塹路堤。路堤的常規做法，先修筑重力式擋土墻，然后在墻背填方壓實。而常規做法對擋土墻的設計施工要求較高，工程量大，造價高，工期長，且墻背填方施工壓實質量往往難以嚴格控制(圖5(a))。若填方路堤采用泡沫輕質土填筑(圖5(b))，可完全替代擋土墻和墻背填方，整體性強，質量可控；地基基本無需特殊處理即可滿足路基穩定性要求，工程量小，施工簡單，造價低，工期短；可直立填筑，顯著減少陡坡地形條件下的占地和開挖量，有利于對生態環境的保護。

(a)重力式擋墻工法

2.5 其他應用

泡沫輕質土除了適用于上述場合外，其容重輕、施工簡單高效等優點，可作為工程搶險搶修的理想材料，特別適宜于高速公路路基滑坡、道路塌陷等事故的快速搶險修復[6]；其高流動性、自流平特性，特別適宜于狹小空間的充填。如市政地下管線周邊空隙的回填；其良好的保溫隔熱性能和較好的抗滲性，應用于寒冷地區路基工程，有望解決凍土地區路基的凍脹翻漿問題。

總之，泡沫輕質土作為一種性能優良的新型輕質材料，具有寬廣的應用前景。

3 工程實例

3.1 工程簡況

福建某高速公路互通A、B、C 3條匝道路堤工程，原設計為土料填方路堤，其中A、B兩條匝道中心最大填高，分別為37 m、32 m，分4階填筑，坡率自上而下為1∶1.5、 1∶1.75、 1∶2.0、 1∶2.0，坡面采用拱形骨架防護。當填方路堤施工至距離路床頂面約2.0 m時，雨季來臨，受持續下雨影響，坡體逐漸飽和，殘積土地基軟化，抗剪強度降低，坡體出現多處失穩性的張拉裂縫及斜向裂縫，坡腳排水溝有多處擠壓變形跡象，坡腳前緣山包發現多處下錯、膨脹及裂縫，并呈繼續發展趨勢[7]。

3.2 治理方案

首先采取挖除卸載應急措施，然后制定了泡沫輕質土、抗滑樁、匝道橋、樁板4個治理設計方案供比選。經初步設計分析及概算，4個方案的主要工程量、造價、工期對比情況見表1[7]。

表1 治理方案比較

表1數據顯示，泡沫輕質土方案工程造價最低、施工工期最短，且現場澆筑，施工技術簡單，質量可控性強，但需挖除約10萬m3土方量；其他3個方案的工程造價和施工工期均高于泡沫輕質土方案，且施工均需要較大型施工設備和鋼筋加工廠，對場地要求高，且樁基成孔施工不確定性大，工程風險可控性較差。兩相對比最終選用泡沫輕質土治理方案。

3.3 技術措施

針對泡沫輕質土干縮性大、易開裂的缺點，結合該工程實際情況，在設計和施工上采取了以下若干技術措施[8-9]。

(1)為避免泡沫輕質土直接與大氣接觸，先用C30鋼筋混凝土澆筑一個U形槽，其底板厚30 cm，側板厚20 cm，該U形槽側板同時作為泡沫輕質土垂直澆筑的擋板。

(2)在泡沫輕質土頂面鋪設一層防滲土工膜，以隔絕滲透水的侵蝕，確保耐久性。

(3)按分層、分塊方式進行澆筑，分層澆筑厚度0.5～1.0 m，以控制泡沫輕質土漿料對擋板的側壓力；擋板和填筑體每隔15 m左右設置一道沉降縫，以適應地基變形。

(4)底部及路面底基層底面以下50 cm，以及每一階頂部及其上0.5 m鋪設一層鋼筋網，規格為φ8@10 cm×10 cm，以增強整體性和強度。

(5)施工過程要求做到定機、定人、定崗、定責，保證設備狀態良好，確保配合比準確；每日按規定頻率對泡沫輕質土的濕容重、流動值、氣泡密度等進行抽檢，確保其偏差值在允許值范圍。同時，制作同期養護試塊，進行7d、 28d齡期抗壓強度檢測，作為工程質量驗收依據之一。

經工程實施及運營證明，該工程采用泡沫輕質土治理方案取得了良好的技術經濟效果。

4 結語

泡沫輕質土具有多項優良的性能，作為一種換填材料，應用于市政路橋工程中的橋臺背路基填筑、道路加寬、陡峭地段填方路基、跨線橋減跨以及路基滑坡、道路塌陷等事故的快速搶險修復等，可取得十分良好的技術經濟效果。但是，泡沫輕質土具有干縮性大的性能缺點，在工程應用時必須結合實際情況采取相應的技術措施，才能揚長避短，保證工程質量。