基于新型泡沫輕質混凝土的高速公路路基拓寬施工技術

孫敏娟

（承德高等級公路建設管理集團有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

新型泡沫輕質混凝土材料的應用對于高速公路工程而言，不僅可有效解決傳統路基拓寬工程中常見的橫向不均勻沉降問題，還避免了路基的縱向開裂。相較于傳統混凝土，新型泡沫輕質混凝土自身重量較輕、強度良好，同時具有一定的流動性，在各種條件下表現出穩定特性，外界環境因素對其產生的影響也較小，故而在建設項目中應用日趨廣泛。

1 高速公路路基病害機理

結合我國高速公路路基現狀分析，除去排水、既有路面結構等因素導致的病害問題外，最常見的路基病害主要表現為橫向不均勻沉降和縱向開裂兩種。

（1）當地基頂面在橫向上的附加應力分布不均勻時，將引起路基路面橫向不均勻沉降。通常拓寬路基和原有路基之間型芯處周圍的沉降值相對較大，并朝向路基頂部發展。如果路面底基層所使用的板體質量較好，還會導致路基頂部發生局部脫空現象，繼而改變路面結構的受力特性。差異沉降發展到路面表面時，表現出典型的縱向條帶狀沉陷。

（2）縱向裂縫問題主要是在地基差異沉降作用下，路基不同位置的受拉程度存在差異，頂部拉應力增幅較大，導致拼接處出現縱向拉縫，并使得拉應力重新分布。受此影響，縱向裂縫的底端穩定性降低，而隨著差異沉降不斷增加，導致裂縫不斷縱深發展。與此同時，路基拼接部位基層底部是拉力相對較為集中的區域，當路基底部出現裂縫后會導致裂縫快速蔓延，并最終體現到地表，形成路面裂縫。可以說，路基出現縱向裂縫，關鍵問題在于差異沉降難以消除，導致路基穩定性不斷削弱，影響道路荷載能力，最終形成路面縱縫。一旦出現縱向裂縫，一方面將降低路面結構協同受力能力，另一方面在降雨環境下也很容易導致雨水流入道路內部，產生更加嚴重的病害問題。

2 新型泡沫輕質混凝土性能分析

2.1 無側限抗壓強度

為測試新型泡沫輕質混凝土的強度，將無側限抗壓強度作為表征參數。JTG D30-2015《公路路基設計規范》規定了新型泡沫輕質混凝土材料的無側限抗壓強度，如表1所示。

表1 材料有關的無側限抗壓強度參數

圖1 無側限抗壓強度隨濕密度的變化曲線

根據研究，新型泡沫輕質混凝土指標無側限抗壓強度與濕密度之間存在一定函數關系，試驗結果如圖1所示，隨著濕密度增加，新型泡沫輕質混凝土的無側限抗壓強度也會隨之增加。從某種意義上來說，濕密度增加的過程也就是水泥用量提升的過程。這一過程中，泡沫結構所占比例逐漸降低，氣泡留存空間也逐漸下降，同時孔徑之間平均間距受擠壓而逐漸降低，不同空隙之間的貫通結構也在逐漸減小，最終體現為材料強度的提升。

由圖1可知，新型泡沫輕質混凝土的無側限抗壓強度在濕密度維持在500kg/m3～1000kg/m3范圍內時始終高于1MPa，這也是表1要求的數值，因而實際工程中應當確保新型泡沫輕質混凝土實密度大于500kg/m3。

2.2 壓縮特性

新型泡沫輕質混凝土的曲線模型可劃分為4個階段，壓縮曲線模型如圖2所示。

圖2 材料的壓縮曲線分布

（1）圖中oa段為新型泡沫輕質混凝土調整階段，這一階段也是試樣自身缺陷的體現，發生原因在于澆筑過程中模具表面涂層導致的試樣表面脆弱問題。壓縮實驗過程中，隨著壓縮位移不斷增大，試驗材料內部空隙逐漸壓實，應變增加，應力隨之緩慢增加。

（2）圖中ab段為新型泡沫輕質混凝土彈性階段。這一階段中，試樣所受應力隨著應變增加而出現線性增長，試樣承擔所受到的全部外力影響，并表現出顯著的應力變化特征。

（3）圖中bc段為新型泡沫輕質混凝土脆性階段，這一階段中，裂紋在材料結構內部逐漸蔓延，且存在新裂縫生成與聚集現象，試樣應力在應變快速增加的同時出現緩慢增長，相較于彈性階段而言，這一階段混凝土的彈性模量有所下降。

（4）圖中cf段為新型泡沫輕質混凝土震蕩屈服階段，cd段和de段稱為新型泡沫輕質混凝土點屈服階段。當應力達到一定幅度后，試樣表層的部分孔壁結構被破壞，因而其他孔壁就會出現應力集中問題，壓垮周圍孔壁的同時，會隨著應變進一步增加，應力降幅略有下降。當破碎部分被應變壓實后，應力會隨應變擴大而略微增大，且最大值小于峰值。接著，和已被壓實孔隙之間直接接觸的部位也會重復這一過程，并在曲線中表現為相同循環。cd段發生原因是由于斷裂承載力低于試樣應力，造成脆性斷裂，同時隨著應變進一步增加，應力會快速下降，破壞部位的裂縫和軸線之間夾角約在45°。de段發生原因在于試樣的整體性已經受到破壞，試樣斷裂后的幾個部分共同承擔荷載，而隨著壓縮位移的進一步增加，在幾個斷裂部分中生成次縫隙，會加劇試樣材料的破壞，故繼續增大應變，出現應力加速衰退的變化。

從圖1數據來看，新型泡沫輕質混凝土在不同濕密度下所處狀態也不同，濕密度在400kg/m3附近時為震蕩屈服，而點屈服狀態一般體現為濕密度介于700kg/m3～1000kg/m3。當濕密度繼續增大時，cd段變化趨勢表現為緩慢增長。

2.3 彈性模量

彈性模量能直觀反映出試樣受到應力和發生應變之間的關系，是表征新型泡沫輕質混凝土力學性能的關鍵指標，能夠以此為基礎對其結構開展數值化分析。新型泡沫輕質混凝土濕密度在600kg/m3～1000kg/m3之間時彈性模量增長迅速，而濕密度在500kg/m3～600kg/m3時彈性模量增長速度較慢，一旦試樣濕密度大于1000kg/m3時，彈性模量增長速度會再次降低。對于屈服階段，由于新型泡沫輕質混凝土濕密度增加，原本氣孔受到的作用力將轉向試樣骨架；若濕密度降低，則試樣孔徑和氣孔含量都會有所增加。

3 新型泡沫輕質混凝土應用優勢

3.1 卸荷減載

相較常規混凝土，新型泡沫輕質混凝土具有輕質特性，在高速公路路基拓寬工程中能有效降低附加應力。假設路基排水條件相同，則隨著附加應力提升，固結沉降所用時間及超孔隙水壓力消耗所用時間都會快速增加。除此之外，由于能夠降低超孔隙水壓力，故在高速公路路基拓寬工程中采用新型泡沫輕質混凝土，能夠有效提高填筑高度，節省固結沉降耗時，加快施工速度。

3.2 減少對橋臺的干擾

固化施工完成后，新型泡沫輕質混凝土具備自立性，不會對周圍擋墻或橋臺等產生干擾，有利于實現橋臺穩定控制。除此之外，新型泡沫輕質混凝土相較于常規土體填料能對側向結構產生不同的作用效果：常規土體不具有固化自立性，因而在填筑高度提升過程中會對周圍的側向結構物產生近似線性的土壓增加影響，這一壓力可通過朗肯或庫倫理論計算。但新型泡沫輕質混凝土具有良好的固化自立性，因而即使提高填筑高度，也不會對側向結構物產生明顯壓力影響。

3.3 加快進度

在填筑施工過程中，通常會通過控制填料壓密沉降變形來確保填料壓實程度達到預期。相較一般公路工程而言，高速公路工程對于路基沉降的要求更加嚴格，須確保路基填料壓實度充分滿足工程需求。在傳統施工過程中，完成碾壓施工后還須對路基長時間靜置確保路基壓實度，這也導致施工周期相對較長。而應用新型泡沫輕質混凝土施工，材料壓密沉降較小、變形模量較高，碾壓后無須長時間靜置，強度形成后即可直接開展下一步施工，能有效加快工程進度。

4 新型泡沫輕質混凝土應用于高速公路路基拓寬中的施工工藝

在實際操作中，將新型泡沫輕質混凝土應用于高速公路路基拓寬時，采取的施工工藝和常規施工并無太大差異，具體施工流程展示如圖3所示。

圖3 新型泡沫輕質混凝土施工工藝流程

4.1 澆筑施工

（1）相較常規混凝土，新型泡沫輕質混凝土通常具有較多氣泡，如果應用罐車等方式運輸，氣泡消解量較大，會對材料產生明顯的振動影響，導致材料流動性變差，須采用輸送泵運輸材料。為了確保材料穩定性，一次性輸送距離應當維持在500m以內，否則應設置中繼泵。

（2）澆筑新型泡沫輕質混凝土時須控制分層，確保每一層的厚度不高于1m，否則會因自重產生氣泡壓縮乃至消泡問題。

（3）劃分澆筑區域時，首先應當確保每個澆筑區域配備的設備與工作量相匹配，避免因澆筑時間過長導致水泥漿初凝時間長于澆筑時間。劃分澆筑區域時，應當考慮新型泡沫輕質混凝土的收縮裂縫、沉降縫位置。澆筑層、澆筑區和設備產能之間的關系應當滿足A×h＜W×t。其中，A—分區面積（m2）；h—分層高度（m）；t—混凝土初凝時間（h）；W—新型泡沫輕質混凝土設備產量（m3/h）。

（4）由于流動性較好，澆筑新型泡沫輕質混凝土時須通過模板或者保護壁等方式分區處理，同時封堵模板，避免混凝土溢出，模板的強度和穩定性應當符合工程需求，避免可能出現的模板變形等問題。

（5）為盡量減少材料離析和消泡問題的發生概率，通常需要將出料口埋入新型泡沫輕質混凝土當中，并在軟管出口前端直接澆筑，如果工程需要溜槽澆筑，還須確保澆筑面和出料口之間的距離在0.5m以內。

4.2 養護措施

后期養護效果對于保證新型泡沫輕質混凝土的路用性能具有重要影響。

（1）覆蓋澆水養護。新型泡沫輕質混凝土澆筑后3h～12h之間，選擇鋸末、草簾等覆蓋工作區域，同時澆水來保持材料濕潤。

（2）塑料薄膜養護。應用塑料薄膜將材料和空氣之間形成隔離，避免材料水分蒸發。由于塑料薄膜養護散熱效果較差、無法有效保溫，實際應用中可能會出現溫度裂縫問題，因此當氣候條件較差時，須采取隔熱或防凍措施。

5 結束語

通過實踐應用發現，新型泡沫輕質混凝土相較傳統混凝土而言具有更高的強度性能，同時具有良好的壓實度和底部抗滑穩定安全性。但施工時應當盡量減少新型泡沫輕質混凝土在空氣中直接暴露的情形，應用在公路工程時還應做好防護與排水措施。