气泡混合轻质土的应用技术

王志斌

（河北路桥集团第一工程有限公司，河北 邢台054001）

0 引言

气泡混合轻质土（简称“轻质土”或FCB，下同）是土建工程领域中近年开发的一种新型轻质填土材料，它是在原料土中按照一定比例添加固化剂、水和气泡，经充分混合搅拌后形成。其主要特点是低容重、隔热保温、固化后可自立、施工时具可流动性。轻质土在软基处理、道路加宽、桥台台背填土以及解决道路冻胀翻浆等方面具有独特的作用。

在明确轻质土路用特性的基础上，结合公路工程的要求，充分发挥轻质土轻质、直立、隔热保温的特点，将其应用于软基处理、冻土保护、冻胀翻浆防治、桥台台背填筑等，可提高公路的建设质量与服务使用水平，降低养护成本。

1 土的冻胀与热传导理论

土的冻胀与土的压实度、含水量、颗粒组成、温度、湿度梯度等密切相关。土体冻胀的水分迁移机制主要有：（1）毛细水上升；（2）薄膜理论；（3）真空抽吸机理；（4）离子交换等。

1.1 地面温度

地面温度波动的周期性可近似表示为：

式中：T0为地面温度（°C）；A0为温度波动的振幅（°C）；t为时间（h）；T为温度波动周期（h），日波T=24h，年波T=8760h；φ为初相角。

1.2 土体温度

不同时刻不同位置上土体的平面热传导问题的定解方程如下，通过单元的离散化后推导热传导方程的有限元形式：

2 气泡混合轻质土的材料特性

2.1 试验试件配合比（见表1）

表1 试验试件配合比

2.2 物理力学特性

轻质土一次浇筑1m 高时试件下部的容重比上部约大10%；轻质土浸水后容重最大增加约25%；轻质土的渗透系数为10-5cm/s量级，导热系数约为0.20（W/m·k），浇筑后内部温度最高上升到近80℃。

轻质土的无侧限抗压强度随着气泡含有率的增加而逐渐降低；采用高炉矿渣水泥比采用普通硅酸盐水泥的无侧限抗压强度高；配合比为E，水泥标号为32.5R、42.5R、52.5R 时，无侧限抗压强度 分 别 为1.33MPa、1.46MPa、1.51MPa；10℃、20℃两种养生温度的28d 无侧限抗压强度分别为0.89MPa 和1.53MPa； E 配比试件养生28d 的回弹模量为289MPa；轻质土的抗折强度较低；轻质土的CBR强度满足规范要求。

A～D 配合比无侧限压缩破坏表现为脆性破坏，在破坏前，应力应变表现出较好的线弹性，弹性模量与抗压强度具较好的线性关系；轻质土在循环荷载与干湿循环环境下具有良好的耐久性；轻质土有较好的抗冻融性能；轻质土的干燥收缩率是普通混凝土的4～6倍。

3 气泡混合轻质土在冻土地基保护中的应用

我国多年冻土占全国面积的21.5%，主要分布于大兴安岭和青藏高原。冻土地区常见的道路破坏现象有：融沉、冻胀、翻浆、冰丘、冰锥、涎流冰等。

3.1 轻质土的保温效果理论分析

地基温度场分布与轻质土的厚度、气候条件、路基高度、路基宽度、轻质土的导热系数、路基土的导热系数等多种因素相关。地基温度场分布数值计算模型如图1所示。通过大量的数值计算，明确了上述因素对地基温度场分布的影响。结果表明轻质土具有良好的隔温效果，能够大幅度降低地基温度的变化幅度，提高冻土地区道路的冻土上限，减轻道路的冻胀与融化作用，对于确保路基的稳定具有明显的效果。

图1 地基温度场分布数值计算模型

3.2 轻质土隔热层试验段

为了明确轻质土的隔热保温效果，铺筑了试验段，轻质土结构与地温监测结果如图2所示。其中5#、6#、7#、8#地温计置于轻质土上表面，其余位于轻质土下表面。

图2 轻质土结构与地温监测结果

从地温监测结果分析：经历了一个冬季之后，轻质土下的最低地温接近于0℃，2～6 月的变化幅度大部分在3℃以内，变化幅度很小，能够防止地基土的融沉。轻质土防冻层试验路段于2004年9月完成路面铺筑并开放交通，至今路面平整度状况良好。

3.3 轻质土的设计

3.3.1 铺筑位置与厚度

轻质土可用于冻土地基的保护或控制融化速度，轻质土厚50cm且其顶面与地表持平。

3.3.2 强度

轻质土的强度以7d 无侧限抗压强度（标准养生）作为设计控制指标，安全系数取3，即设计强度为实际承受荷载强度值的3倍。一般情况下设计强度1.0MPa即可满足强度要求。

3.3.3 容重与导热系数

轻质土的导热系数与其容重、强度密切相关。降低导热系数则需降低容重，为保证强度必须提高水泥用量，则成本增加。一般情况下容重取1.0、1.2时其综合性价比好。

3.3.4 材料与配合比

轻质土的发泡剂应选用发泡倍数高且气泡稳定的蛋白类发泡剂，对于土质则应优先选用细砂、风积沙等，不宜采用细粒土，禁止采用粒径超过5mm的砾类土。

4 气泡混合轻质土在道路冻胀翻浆防治中的应用

4.1 轻质土基层的隔热效果分析

轻质土的保温效果计算模型如图3所示。通过数值计算分析了冻结指数、路基高度、路面宽度、路基填料、轻质土厚度等因素对路基温度场的影响。

图3 轻质土的保温效果计算模型

4.2 轻质土基层试验段的铺筑

轻质土的结构设计如图4所示，试验段轻质土底基层、基层的强度分别为2.0MPa和2.38MPa。

图4 轻质土的结构设计

轻质土基层试验路段于2004 年9 月完成路面铺筑后即开放交通，2005年2月即发现试验段路面出现较多的纵横向裂缝，局部出现网裂和面层脱落，露出白色的轻质土基层，路面已呈现出结构性破坏。而其他非轻质土基层对比路段的路面除有部分因气候严寒引起的路面横向裂缝外，未出现网裂、坑槽及面层脱落的现象，路面状况良好。基于上述情况，于2005 年6 月将试验段轻质土基层予以铲除，并重新铺筑常规的水稳碎石基层和沥青面层。

轻质土基层试验段失败的主要原因是：

（1）轻质土为多孔脆性材料，在汽车荷载作用下，易被薄层的沥青碎石压碎，导致层间结合较差，引起路面出现众多的纵横向裂缝甚至网裂、面层碎落等；

（2）轻质土的干缩系数约为混凝土的46 倍，干缩后引起面层开裂。

4.3 轻质土基层设计

4.3.1 铺筑位置

总结轻质土基层试验段失败的原因，提出将轻质土保温层用于底基层或上路床的设想，即轻质土离面层顶面的厚度至少应超过25cm（面层厚度+上基层厚度）。

4.3.2 设计程序

轻质土的防冻层设计程序见图5，强度安全系数取3，最大荷载的计算见相关规范，材料设计与前述相同。

4.3.3 路面结构

采用轻质土作为上路床或隔热垫层，不改变路面的结构形式；轻质土作为底基层与上基层间的结合效果与我国半刚性基层相比差别不大，因此路面结构按常规方法设计。

图5 轻质土的防冻层设计程序

5 结语

轻质土集低容重、可流动性、固化后的直立性和隔热保温性于一身，可以有效地解决公路建设中的某些技术难题，提高公路的使用寿命与服务质量，降低维护费用与运输成本，提高行车的安全性，对促进我国公路建设技术的发展具积极意义。轻质土在公路工程的应用可以减少路基取土，避免对自然环境的开采破坏，对环境友好；可以提高道路的质量与服务水平，降低行驶成本，提高行车安全性，促进社会和谐，具有广阔的应用前景。

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