泡沫混凝土在道路工程中的應用研究

黃朝良

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

0 引言

泡沫混凝土是通過物理或化學方法將空氣、CO2等氣體通入混凝土漿體中，再經過合適的養護方法，最終形成一種具有大量細微封閉氣孔且具有一定強度的水泥制品[1-3]。其憑借較低的導熱系數，最早被廣泛運用于建筑節能領域。

近年來，隨著土木工程的快速發展，交通荷載、結構形式、邊界條件越發復雜，對材料的性能要求更高。泡沫混凝土具有施工簡單，材料多孔、輕質且強度較低等物理力學特性，目前已被很多領域大量使用。例如在高速公路、橋頭堡加固工程、體育場外圍地下通道工程等領域中也得到廣泛應用[3-6]。但由于其強度偏低，且容易出現開裂、吸水和滲水現象，導致其應用存在一定限制[5-8]。

本文作者結合自身參與的泡沫混凝土現場施工經驗和理論認識，從道路工程中特殊工程部位的技術特征出發，對泡沫混凝土的結構特點、材料特性、施工工藝及質量控制等方面進行總結，并提出其運用過程中存在的技術問題和研究方向。

1 結構特點

作為一種高孔隙材料，泡沫混凝土的物理力學和工程性能很大程度上取決于氣孔特性(形態、分布)。如圖1所示，該材料中存在大量均勻分布的橢球或球狀孔隙結構。一般來說，泡沫混凝土的孔隙率高達80%以上，這是顯著區別于其他普通混凝土材料的特征之一。也正是因為如此，決定了該材料特殊的物理力學和工程性能。例如，輕質、保溫等，但同時也限制了該材料強度[9-10]。

圖1 泡沫混凝土的細觀結構

2 泡沫混凝土特性及其在道路工程中的應用

2.1 輕質性

2.1.1 減輕荷重或土壓

(1)臺背路基換填，是處理軟基路段預壓不足引起的工后沉降、橋頭跳車等問題的有效辦法。圖2為普通填料和泡沫混凝土在填充臺背路基的沉降關系示意曲線。可以發現，一般填土的沉降曲線在路基結合位置附近發生了較為明顯突變，而泡沫混凝土填料不會出現明顯的沉降突變。表明泡沫混凝土可作為消除路基工后沉降、解決橋頭跳車的有效方法。近5年來，福州市、南平市新建高架橋橋頭路基填料均要求采用泡沫混凝土，大大緩解了橋頭跳車的發生。

(a)采用常規填土(b)彩泡沫砼圖2 臺背沉降曲線

(2)泡沫混凝土運用于道路拓寬路基填料時，可有效降低工后不均勻沉降，減少新舊路基不均勻沉降，避免出現縱向開裂。例如，福州市金雞山路拓寬改造工程，拓寬5 m寬的路基填料采用輕質泡沫混凝土，填高約4 m～6.5 m，2 m設置一個臺階，目前使用3年，無出現縱向裂縫，如圖3所示。

圖3 道路路基拓寬

(3)山區滑坡路堤、高填方的填筑時，采用泡沫混凝土，能夠避免新建路堤荷重的增加而引起再次滑動失穩或大的沉降。

2.1.2 橋梁減跨

采用現澆泡沫混凝土應用于橋臺臺背填筑，可有效處理土壓力與錐坡放坡等問題，大幅降低工程造價。

2.1.3 地下結構工程的覆土減荷

(1)隧道進出口開挖前，在進出口處先澆筑泡沫混凝土土塊，該方法可明顯減低偏圍壓，避免洞體坍塌，并可維持自然地形、環保優勢突出，如圖4所示。

圖4 隧道進出口的處理

(2)上覆土體荷載過大的地下結構工程，可采用該材料替代常規填料進行有效減荷。例如，近年來一些地鐵車站的回填開始考慮采用輕質材料回填。同時地下洞穴的填充也可采用泡沫混凝土。

2.2 自流平

流動性良好，可垂直與水平泵送100 m和500 m。同時，其泵送速度快、充實度高、管道內浮力小，可用于處理采空區、建筑基坑、巖溶區等空洞及空隙等部位，能有效避免普通填料充填不飽滿的是施工缺陷。

2.3 自立性

固化后的自立性意味著泡沫混凝土可垂直填筑，其垂直臨空面側壓力為零[1,3,5]。原則上，利用泡沫混凝土的自立性可取消路側擋土墻的設置，但目前尚未發現有直接取消路側擋土墻的做法，后期可開展相關方面的研究。

2.4 保溫隔熱性

大量的閉口空隙能夠阻隔熱量交換。通常其導熱系數處于0.08W/m·K～0.3W/m·K，并與體積密度相關性較強。當體積密度為300kg/m3～1200kg/m3之間時，其導熱系數通一般處于0.08 W/m·K～0.3 W/(m·K)之間，熱阻約為普通混凝土的10～20倍。

2.5 吸聲特性

多孔隙材料特性賦予其良好的吸聲性能，吸聲系數通常在0.8～1.4之間，能夠有效地阻止聲音傳播。其常用作橋梁隔音屏夾層，吸聲效果較好，價格低廉。

2.6 耐久性

泡沫混凝土的耐久性主要包括：服役過程中的抗滲、凍、腐蝕、碳化反應等性能。表1總結了有關泡沫混凝土耐久性的研究成果。研究表明，密度越小時，耐久性越好；滿足規范要求施工的成品材料，其耐久性幾乎等同于一般混凝土，有效服務時間大約100年。

表1 泡沫混凝土的耐久性[1-3,6-9]

除了以上的六大特性外，泡沫混凝土還具有耐熱、環保、施工便捷等優點。由于其主要組成成分為水泥無機材料，耐熱溫度較高(一般在500℃以上)；其主要成分中(包括發泡劑和外加劑)不含有毒材料，同時不含有揮發性有害物質。在施工時，工程人員只需保證其攤平，同時，其可以批量預制，也可現場澆筑，使用方式靈活、施工便捷。

3 施工工藝與質量控制

3.1 配合比設計

泡沫混凝土是一種典型的復合材料，其配合比設計是指利用各組分按照最經濟合理的比例，制備出既能滿足各項性能及技術要求的產品。泡沫混凝土同普通混凝土配合比設計要求，需要滿足強度和耐久性要求選擇合理水灰比，且考慮環境協調因素而減少水泥用量，調整砂、石級配。應注意以下兩個方面：

(1)同時需要滿足強度等級和密度等級的要求。提高強度和降低其密度通常情況下是互相矛盾的一對性能，因此在設計材料時，綜合考慮提高強度和降低密度成為一個很重要的因素。

(2)吸水率是另外一個需要著重考慮的因素。泡沫混凝土的高孔隙率，在配合比設計時，需要根據不同的使用工況確定吸水率控制范圍，如用于承重的泡沫混凝土比用于保溫有著更高的吸水率[11]。

3.2 軟土地基泡沫混凝土質量控制

在軟土路基中，該材料可以顯著減輕路基自重，降低路基土的附加應力，可有效解決軟土地基不均勻沉降的問題。其施工工藝流程如下：開挖路基至泡沫混凝土施工斷面，然后預制擋板、立模板和澆筑，按照底層、中層和頂層順序依次施工，直至到設計高度。施工中應注意：

(1)原材料質量控制。選擇高質量的發泡劑，使其能夠產生穩定、均勻、細微且互不連通的氣泡，滿足泌水性要求。

(2)施工工藝質量控制。保證精準安裝模板，確保其能夠達到設計斷面尺寸和板縫均勻的要求；避免雨水影響，施工過程應做好避雨措施，澆筑完成后，應立即鋪放防水材料進行養護，如用土工布或塑料薄膜[12]鋪放。

3.3 道路拓寬工程泡沫混凝土質量控制

泡沫混凝土的高流動性、自立性和易施工等特性，在道路拓寬工程中，可提供施工作業面小、與原有道路相適應等問題。其施工工藝如下：清除表面、基礎開挖整平、安裝模板和分層澆筑。應注意：

(1)原材料質量控制。應控制發泡倍數≥20的發泡材料，配合比要滿足濕容重為6.5 kN/m3～7.5 kN/m3。

(2)施工工藝質量控制。注重施工各環節的施工質量控制。例如：澆筑時需對拌合配合比進行不間斷監控，養護期間應避免不必要的人員踩踏和雜物堆積[13]。

3.4 橋梁臺背泡沫混凝土質量控制

泡沫混凝土因其質輕和自立性等優勢，可作為填筑體替代常規臺背回填料，降低了側向不平衡土壓力對橋臺樁的影響，有效控制橋頭不均勻沉降，大大節約工期。其施工工藝如下：基礎開挖、基底處理、輕質土分層澆筑。應注意：

(1)原材料質量控制?？刂坪盟冶?，水泥漿的濕密度誤差控制在±2%以內，泡沫的密度誤差控制在±5%，攪拌時應能調節水泥漿或氣泡流量。

(2)施工工藝質量控制。澆筑方向自沿著澆筑區長軸中間方向近兩端澆筑，且采用階梯式澆筑，分3個臺階澆筑，以達到減荷的目的。除頂層外，泡沫混凝土基本可采用連續施工，無需養護。在適當部位設置噴淋裝置做好防塵工作，避免揚塵對半成品質量的影響[14]。

4 存在的問題與研究方向

4.1 存在問題

雖然泡沫混凝土在國外上已被大量應用，但在國內卻不普遍。為實現其本土化推廣使用，還需解決以下問題：

(1)強度偏低

由于泡沫混凝土內部含有豐富的孔洞，這是造成其強度較低的原因。當其容重為800 kg/m3～850 kg/m3時，抗壓強度通常小于2.0 MPa。根據上述可知，其強度的提高，可通過組成材料、配伍、添加劑等，進而協調孔隙占比、孔隙結構與強度的關系。

(2)容重問題

在生產中泡沫占比較大，因此較難分散，密度低于500 kg/m3時，施工成型困難，同時又會降低強度。大量氣泡同時還會增大吸水率，帶來抗凍性較差等問題。

(3)孔結構問題

發泡劑種類繁多，但目前工程應用和研究表明，發泡劑與水泥漿中的孔隙結構尚未發現顯著規律，這使得各生產指標關系的控制與協調困難。

基于以上可以發現，高孔隙率的泡沫混凝土存在強度低、大吸水率、抗凍性低等亟待解決的技術問題。可以說，泡沫混凝土的諸多功能特性是以犧牲其強度性能為代價，因此，各性能之間的相互均衡是其關鍵性。

4.2 研究方向

綠色、生態、節能的新型建筑材料的研究、開發和應用，是我國目前工程建筑領域的重要方向之一。高性能、可控、廉價的發泡材料的研究，對其成品材料的工程性能、施工應用等具有極其重要的意義。另外，基于泡沫混凝土的功能性砌塊、墻體材料等產品，將備受重視，市場前景廣闊。

基于上述認識，以下總結了泡沫混凝土的研究方向：①精確可控的生產工藝；②經濟、高效的發泡劑；③原料與復合外加劑的選用、配伍；④各產品性能的影響因素研究；⑤施工工藝流程及設備優化；⑥進一步擴大其應用范圍。

5 結論

本文基于工程經驗、理論認識和文獻調研，圍繞泡沫混凝土的結構特點，主要性能及其在道路工程中的應用，施工工藝與質量控制，技術問題和研究方向進行了闡述。主要結論如下：

(1)泡沫混凝土是一種高孔隙材料，其物理力學和工程性能很大程度上取決于氣孔特性(形態、分布)。

(2)泡沫混凝土工程特性，主要包括：輕質、自流平、自立、保溫隔熱、吸聲、耐久；其工程特性在道路工程中都有著較為廣泛的應用場景。

(3)泡沫混凝土配合比設計時，需考慮提高強度和降低密度的均衡，需依據實際服役工況確定吸水率控制范圍，并指出其在軟土地基處理、道路拓寬工程和橋梁臺背應用的質量控制要點。

(4)泡沫混凝土仍存在強度低、大吸水率、抗凍性低等亟待解決的技術問題，未來需加強在生產工藝、發泡劑、材料性能等方面的研究。

本文的總結與論述可為相關工程人員開展泡沫混凝土的應用與研究提供思路。