泡沫輕質土性能分析及其在公路拓寬中的應用研究

章志勇 鄧明偉

1.江西中京工程質量檢測有限公司 江西南昌 330096；2.江西建設職業技術學院 江西南昌 330200

在現場施工條件允許的情況下，開展既有道路的拓寬改造是較為經濟合理的選擇，應注意盡量降低對既有日常交通運輸的影響，確保交通運行的順暢。但由于擴寬公路與舊公路之間存在路基材料、填筑壓實度、結構等差異，拓寬公路路基結合部位路面會出現縱向裂縫現象，在車輛荷載、雨水沖刷等作用下，引起路基下沉開裂、路面剪切破壞等公路病害，嚴重影響拓寬公路的正常運營和使用[1]。泡沫輕質土是一種新型混凝土，主要成分為鈣質材料、水、特殊外加劑、摻合料及骨料等材料，經過泡沫群起泡技術，使得成型的混凝土內含有大量的封閉性氣孔[2]。由于泡沫輕質土相較于其他填土材料不僅質量輕而且還具有一定的強度，呈半剛性特性，所以無論是在道路工程、建筑行業還是地基處理領域其都受到廣泛關注與應用，具有很大的工程價值[3]。本文主要研究泡沫輕質土的性能與其在公路工程路面拓寬中的實用性。

1 泡沫輕質土的性能分析

（1）輕質性：泡沫輕質土的容重較小，容重通常是傳統建筑材料的20%～60%，具有輕質性。泡沫輕質土內含有大量的微小氣泡群，可以通過改變基本組成材料的配合比、控制輕質土固化過程中調整發泡劑的發泡倍率，進而調整泡沫輕質土的容重，具有施工便利性[4]。

（2）強度可調節性：在工程應用中，類比于容重可調節性的原理，可以通過改變組成泡沫輕質土的各類原料的配合比來調節其強度，施工更為靈活。

（3）流動性：相比于普通混凝土，泡沫輕質土的流動性較強，施工時可節省壓實、平整等工序，提高施工速度。此外也具備管道運輸的條件，施工更為便捷。

（4）固化后的自立性：區別于常規土質材料具有一定的離散性，由于泡沫輕質土在制作過程中以水泥作為固化劑，固化成形后具有自立性，因此在工程中具有獨特的優勢。比如，泡沫輕質土用于擋土墻填筑時幾乎無壓力傳遞給墻背，降低了施工風險，提升了工程可靠性。

（5）耐久性：泡沫輕質土屬于水泥類材料，具有與水泥材料同等的耐久性，提升了工程質量和耐久性。

2 泡沫輕質土進行路基加寬案例分析

2.1 工程概況

某位于丘陵地區的雙向四車道高速公路全長36.34km，由于車流量的增加使得公路交通日益擁堵，無法滿足使用需求，故擬將該高速公路改擴建為雙向八車道。通過方案比選研究決定，全線共21 處路基段的填筑材料均采用泡沫輕質土，共需31.6 萬m3。

2.2 泡沫輕質土填筑路基技術原理

（1）根據設計配合比配置水和水泥的用量，并利用攪拌機對漿液進行充分攪拌直至達到設計要求，然后再將制備好的水泥基膠速凝漿泵入儲存罐內備用。

（2）首先通過物理手段將固態的發泡劑轉換為液態，并利用發泡槍將其制備成氣泡群，然后按照設計配合比，將氣泡群輸入到已存儲有水泥基膠速凝漿的儲存罐內并充分攪拌，混合后形成泡沫輕質土聚合物。

（3）預制完成的泡沫輕質土聚合物通過泵送的方式輸送到路基澆筑工點，然后根據分區、分段、分層的澆筑原則進行作業，并嚴格遵守施工準則保質保量完成澆筑。

（4）充分發揮泡沫輕質土的輕體量、自立性、自硬性等優點，減輕路基結構本身的自重，降低路基沉降不均及工后沉降量，從而加強了路基結構的整體穩定性。

2.3 泡沫輕質土施工技術要點分析

2.3.1 邊坡開挖

（1）在泡沫輕質土路基段與舊路基段的銜接處，為保證此處有效路面寬度，根據設計要求需要以開挖臺階作為過渡，臺階尺寸為1m×1m，并一般放2%的豎向坡。為避免臺階邊坡土體不穩以致垮塌，一般臺階開挖完成后需及時做噴漿處理。

（2）施工時，通常先采用機械挖掘的方式進行邊坡開挖，機械挖掘到位后再進行人工開挖，并進行精細化修整，如此可很好避免機械超挖帶來的影響。尤其需要警惕的是，施工過程中要注意壓實土體，防止其松散垮塌。此外，開挖過程中開挖面的豎直度關乎路堤的防側滑性，故開挖面保證豎直。

2.3.2 基底處理

（1）為了確保路基排水的通暢性，需要在泡沫輕質土下面布設30cm 厚的碎石基底，碎石中的泥沙應盡量少。

（2）為了避免地下水滲透破壞基底結構，需要在碎石基底上鋪設HDPE 防滲土工膜，在鋪設前需要徹底清除尖銳物，避免HDPE 防滲土工膜破裂。

2.3.3 保護壁施工

（1）首先根據施工設計標準對護壁面板基礎采用C25 混凝土進行現澆，確保強度滿足要求。

（2）護壁面板基礎的沉降縫應與泡沫輕質土的沉降縫的設置位置保持一致，并應在澆筑前就預先設置完成。

（3）為避免后期在澆筑泡沫輕質土時護壁面板產生變形，混凝土護壁面板采用角鋼和鋼筋進行牢固連接。

2.3.4 澆筑區劃分

（1）在泡沫輕質土路基澆筑前，根據施工現場實際情況劃分多個作業區，并劃分不同的澆筑層。

（2）單個作業區的泡沫輕質土的澆筑面積的大小受根據現場制備能力和初凝時間來確定，通常單個作業區的頂部面積150～200m2之間。

（3）每隔10～15m 在路基沿線設置2cm 寬的水平伸縮縫，并在縫隙中填充泡沫板，尤為需要重視的是，水平伸縮縫的位置不能與澆筑區的施工縫的重合。

2.3.5 水泥漿制備

（1）水泥基速凝漿料是由具備自動上料功能的拌和站集中供應的，且拌和站的測量設備必須經過定期校準，確保測量精度。

（2）水泥需要通過消泡測試才能用于制作泡沫輕質土，確保水泥的密度增加速率滿足施工及設計要求。

（3）水泥基速凝漿液應嚴格按照設計的配合比進行制備，確保制備質量。

（4）采用集中拌和的方式制備水泥基速凝漿料，通過泵機泵將制備好的水泥基速凝漿料送至儲罐儲存。

2.3.6 泡沫輕質土制備

（1）泡沫輕質土的配合比必須嚴格按照施工設計配合比要求，采用具有界面活性的發泡劑進行發泡。

（2）首先通過物理手段將固態的發泡劑轉換為液態，并利用發泡槍將其制備成氣泡群，然后按照設計配合比，將氣泡群輸入到已存儲有水泥基膠速凝漿的儲存罐內并充分攪拌，使二者充分混合后形成泡沫輕質土聚合物。

（3）用于制備泡沫輕質土的設備需要具備自動計量功能，確保泡沫輕質土是按設計要求制備的。利用攪拌機充分攪拌泡沫、水泥基速凝漿料制成泡沫輕質土。

2.3.7 泡沫輕質土澆筑

（1）泡沫輕質土澆筑完成后，需用路床層材料平整路基底部填筑路面橫坡處，泡沫輕質土具有平直性使得澆筑頂部沒有坡度，為了滿足橫坡要求需要做上述處理。

（2）泡沫輕質土澆筑施工一般可以采用泵送方式輸送，為保證施工安全，輸送時需要特別關注泵送壓力與連接處的緊密性，確保將輸送壓力控制在正常范圍內。

（3）澆筑時應實時關注泡沫輕質土的性狀變化，盡量做到不擾動下層土，施工時澆筑管道的移動方向應該順著其自身的縱向移動。

（4）如遇下雨需立馬停止作業并用防水膜覆蓋已澆筑區域，避免雨水浸入破壞了沫輕質土的品質。2.3.8 養護

（1）泡沫輕質土硬化后也需要做好防護措施，保護成品，在其未達到設計使用強度之前，應禁止直接在回填表面上進行機械施工。

（2）一般來說，頂層的泡沫輕質土澆筑后的養護時間不低于7d，試塊強度不小于0.4MPa，達到該要求后才能在泡沫輕質土上方進行下一道工序施工。

（3）為確保泡沫輕質土施工質量，每一層澆筑完以后應及時采取覆膜保濕養護措施。

2.4 施工現場監測

在路基典型橫斷面處布設沉降板及邊樁，進行路基整體和總沉降變形觀測。通過記錄和分析沉降數據及變化規律，掌握沉降發展情況，便于及時對異常情況進行處置。對典型斷面進行沉降觀測，觀測結果見表1 和圖1。

表1 典型斷面沉降觀測數據

圖1 典型斷面沉降觀測數據曲線圖

路基結構的累計沉降隨著泡沫輕質土的層層澆筑逐漸增大，沉降速率從初期的快速增長逐步變緩，最后區域平穩，最大沉降量為19.8mm。由于泡沫輕質土容重較小，產生的地應力較小，相比于常規土體，沉降量不大。

3 泡沫輕質土進行路基加寬的優勢

（1）施工便捷：在施工過程，泡沫輕質土通過攪拌站預制及管道運輸，從制備到澆筑都無須用到大型機械設備進行運輸、振搗或碾壓，如此不僅減少了施工工序還節省了作業時間。再者，輕質泡沫土由于分段、分區施工，對空間限制因素不敏感，可在狹小空間內進行施工，節省了施工場地；同時泡沫輕質土在施工時具有自流平特性，不需要人工二次整平，施工效率高，工期短；泡沫輕質土固化后具有自立性，一般在澆筑完成后4～8h 即可固化，便于邊坡垂直施工，無須放坡，可減少作業占地面積。

（2）對地基要求低，工后沉降小：泡沫輕質土容重小、質量輕，作為路基填筑材料對原路基地基的承載力要求能適當放寬，有效減輕填土負荷，在地基處理軟土換填中具有優勢，能夠有效降低基地應力，減少次固結沉降。

（3）施工便捷，工期短，節約工程造價：同路基填筑工程常規的工序相比，泡沫輕質土的施工工序更為少一些，施工也更為便捷，有效縮短工期，且經過管道泵送及施工，有效減少施工便道和運輸成本，降低了施工成本。

（4）有利于保持交通通暢：由于泡沫輕質土容重小，可以避免澆筑時對老路上的既有構造物產生強大的壓力，此外可以垂直填筑，在高速公路改擴建工程中調整縱坡的同時，無須中斷交通，能夠確保既有交通通暢。

4 結語

（1）在道路改擴建工程中應用泡沫輕質土具有下述優點：可垂直施工填筑，無須放坡，有效減少征地拆遷、施工占地及放坡開挖量；可有效降低填土荷重，減少基底應力，降低新老路基銜接段的不均勻沉降；通過管道輸送機澆筑，精簡施工流程與工序，降低工程造價。

（2）結果表明泡沫輕質土填筑路堤的工后沉降較小，且沉降趨勢較為穩定，具有一定的施工應用優勢。