泡沫混凝土在道路工程中的应用研究

黄朝良

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

0 引言

泡沫混凝土是通过物理或化学方法将空气、CO2等气体通入混凝土浆体中，再经过合适的养护方法，最终形成一种具有大量细微封闭气孔且具有一定强度的水泥制品[1-3]。其凭借较低的导热系数，最早被广泛运用于建筑节能领域。

近年来，随着土木工程的快速发展，交通荷载、结构形式、边界条件越发复杂，对材料的性能要求更高。泡沫混凝土具有施工简单，材料多孔、轻质且强度较低等物理力学特性，目前已被很多领域大量使用。例如在高速公路、桥头堡加固工程、体育场外围地下通道工程等领域中也得到广泛应用[3-6]。但由于其强度偏低，且容易出现开裂、吸水和渗水现象，导致其应用存在一定限制[5-8]。

本文作者结合自身参与的泡沫混凝土现场施工经验和理论认识，从道路工程中特殊工程部位的技术特征出发，对泡沫混凝土的结构特点、材料特性、施工工艺及质量控制等方面进行总结，并提出其运用过程中存在的技术问题和研究方向。

1 结构特点

作为一种高孔隙材料，泡沫混凝土的物理力学和工程性能很大程度上取决于气孔特性(形态、分布)。如图1所示，该材料中存在大量均匀分布的椭球或球状孔隙结构。一般来说，泡沫混凝土的孔隙率高达80%以上，这是显著区别于其他普通混凝土材料的特征之一。也正是因为如此，决定了该材料特殊的物理力学和工程性能。例如，轻质、保温等，但同时也限制了该材料强度[9-10]。

图1 泡沫混凝土的细观结构

2 泡沫混凝土特性及其在道路工程中的应用

2.1 轻质性

2.1.1 减轻荷重或土压

(1)台背路基换填，是处理软基路段预压不足引起的工后沉降、桥头跳车等问题的有效办法。图2为普通填料和泡沫混凝土在填充台背路基的沉降关系示意曲线。可以发现，一般填土的沉降曲线在路基结合位置附近发生了较为明显突变，而泡沫混凝土填料不会出现明显的沉降突变。表明泡沫混凝土可作为消除路基工后沉降、解决桥头跳车的有效方法。近5年来，福州市、南平市新建高架桥桥头路基填料均要求采用泡沫混凝土，大大缓解了桥头跳车的发生。

(a)采用常规填土(b)彩泡沫砼图2 台背沉降曲线

(2)泡沫混凝土运用于道路拓宽路基填料时，可有效降低工后不均匀沉降，减少新旧路基不均匀沉降，避免出现纵向开裂。例如，福州市金鸡山路拓宽改造工程，拓宽5 m宽的路基填料采用轻质泡沫混凝土，填高约4 m～6.5 m，2 m设置一个台阶，目前使用3年，无出现纵向裂缝，如图3所示。

图3 道路路基拓宽

(3)山区滑坡路堤、高填方的填筑时，采用泡沫混凝土，能够避免新建路堤荷重的增加而引起再次滑动失稳或大的沉降。

2.1.2 桥梁减跨

采用现浇泡沫混凝土应用于桥台台背填筑，可有效处理土压力与锥坡放坡等问题，大幅降低工程造价。

2.1.3 地下结构工程的覆土减荷

(1)隧道进出口开挖前，在进出口处先浇筑泡沫混凝土土块，该方法可明显减低偏围压，避免洞体坍塌，并可维持自然地形、环保优势突出，如图4所示。

图4 隧道进出口的处理

(2)上覆土体荷载过大的地下结构工程，可采用该材料替代常规填料进行有效减荷。例如，近年来一些地铁车站的回填开始考虑采用轻质材料回填。同时地下洞穴的填充也可采用泡沫混凝土。

2.2 自流平

流动性良好，可垂直与水平泵送100 m和500 m。同时，其泵送速度快、充实度高、管道内浮力小，可用于处理采空区、建筑基坑、岩溶区等空洞及空隙等部位，能有效避免普通填料充填不饱满的是施工缺陷。

2.3 自立性

固化后的自立性意味着泡沫混凝土可垂直填筑，其垂直临空面侧压力为零[1,3,5]。原则上，利用泡沫混凝土的自立性可取消路侧挡土墙的设置，但目前尚未发现有直接取消路侧挡土墙的做法，后期可开展相关方面的研究。

2.4 保温隔热性

大量的闭口空隙能够阻隔热量交换。通常其导热系数处于0.08W/m·K～0.3W/m·K，并与体积密度相关性较强。当体积密度为300kg/m3～1200kg/m3之间时，其导热系数通一般处于0.08 W/m·K～0.3 W/(m·K)之间，热阻约为普通混凝土的10～20倍。

2.5 吸声特性

多孔隙材料特性赋予其良好的吸声性能，吸声系数通常在0.8～1.4之间，能够有效地阻止声音传播。其常用作桥梁隔音屏夹层，吸声效果较好，价格低廉。

2.6 耐久性

泡沫混凝土的耐久性主要包括：服役过程中的抗渗、冻、腐蚀、碳化反应等性能。表1总结了有关泡沫混凝土耐久性的研究成果。研究表明，密度越小时，耐久性越好；满足规范要求施工的成品材料，其耐久性几乎等同于一般混凝土，有效服务时间大约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，泡沫混凝土还具有耐热、环保、施工便捷等优点。由于其主要组成成分为水泥无机材料，耐热温度较高(一般在500℃以上)；其主要成分中(包括发泡剂和外加剂)不含有毒材料，同时不含有挥发性有害物质。在施工时，工程人员只需保证其摊平，同时，其可以批量预制，也可现场浇筑，使用方式灵活、施工便捷。

3 施工工艺与质量控制

3.1 配合比设计

泡沫混凝土是一种典型的复合材料，其配合比设计是指利用各组分按照最经济合理的比例，制备出既能满足各项性能及技术要求的产品。泡沫混凝土同普通混凝土配合比设计要求，需要满足强度和耐久性要求选择合理水灰比，且考虑环境协调因素而减少水泥用量，调整砂、石级配。应注意以下两个方面：

(1)同时需要满足强度等级和密度等级的要求。提高强度和降低其密度通常情况下是互相矛盾的一对性能，因此在设计材料时，综合考虑提高强度和降低密度成为一个很重要的因素。

(2)吸水率是另外一个需要着重考虑的因素。泡沫混凝土的高孔隙率，在配合比设计时，需要根据不同的使用工况确定吸水率控制范围，如用于承重的泡沫混凝土比用于保温有着更高的吸水率[11]。

3.2 软土地基泡沫混凝土质量控制

在软土路基中，该材料可以显著减轻路基自重，降低路基土的附加应力，可有效解决软土地基不均匀沉降的问题。其施工工艺流程如下：开挖路基至泡沫混凝土施工断面，然后预制挡板、立模板和浇筑，按照底层、中层和顶层顺序依次施工，直至到设计高度。施工中应注意：

(1)原材料质量控制。选择高质量的发泡剂，使其能够产生稳定、均匀、细微且互不连通的气泡，满足泌水性要求。

(2)施工工艺质量控制。保证精准安装模板，确保其能够达到设计断面尺寸和板缝均匀的要求；避免雨水影响，施工过程应做好避雨措施，浇筑完成后，应立即铺放防水材料进行养护，如用土工布或塑料薄膜[12]铺放。

3.3 道路拓宽工程泡沫混凝土质量控制

泡沫混凝土的高流动性、自立性和易施工等特性，在道路拓宽工程中，可提供施工作业面小、与原有道路相适应等问题。其施工工艺如下：清除表面、基础开挖整平、安装模板和分层浇筑。应注意：

(1)原材料质量控制。应控制发泡倍数≥20的发泡材料，配合比要满足湿容重为6.5 kN/m3～7.5 kN/m3。

(2)施工工艺质量控制。注重施工各环节的施工质量控制。例如：浇筑时需对拌合配合比进行不间断监控，养护期间应避免不必要的人员踩踏和杂物堆积[13]。

3.4 桥梁台背泡沫混凝土质量控制

泡沫混凝土因其质轻和自立性等优势，可作为填筑体替代常规台背回填料，降低了侧向不平衡土压力对桥台桩的影响，有效控制桥头不均匀沉降，大大节约工期。其施工工艺如下：基础开挖、基底处理、轻质土分层浇筑。应注意：

(1)原材料质量控制。控制好水灰比，水泥浆的湿密度误差控制在±2%以内，泡沫的密度误差控制在±5%，搅拌时应能调节水泥浆或气泡流量。

(2)施工工艺质量控制。浇筑方向自沿着浇筑区长轴中间方向近两端浇筑，且采用阶梯式浇筑，分3个台阶浇筑，以达到减荷的目的。除顶层外，泡沫混凝土基本可采用连续施工，无需养护。在适当部位设置喷淋装置做好防尘工作，避免扬尘对半成品质量的影响[14]。

4 存在的问题与研究方向

4.1 存在问题

虽然泡沫混凝土在国外上已被大量应用，但在国内却不普遍。为实现其本土化推广使用，还需解决以下问题：

(1)强度偏低

由于泡沫混凝土内部含有丰富的孔洞，这是造成其强度较低的原因。当其容重为800 kg/m3～850 kg/m3时，抗压强度通常小于2.0 MPa。根据上述可知，其强度的提高，可通过组成材料、配伍、添加剂等，进而协调孔隙占比、孔隙结构与强度的关系。

(2)容重问题

在生产中泡沫占比较大，因此较难分散，密度低于500 kg/m3时，施工成型困难，同时又会降低强度。大量气泡同时还会增大吸水率，带来抗冻性较差等问题。

(3)孔结构问题

发泡剂种类繁多，但目前工程应用和研究表明，发泡剂与水泥浆中的孔隙结构尚未发现显著规律，这使得各生产指标关系的控制与协调困难。

基于以上可以发现，高孔隙率的泡沫混凝土存在强度低、大吸水率、抗冻性低等亟待解决的技术问题。可以说，泡沫混凝土的诸多功能特性是以牺牲其强度性能为代价，因此，各性能之间的相互均衡是其关键性。

4.2 研究方向

绿色、生态、节能的新型建筑材料的研究、开发和应用，是我国目前工程建筑领域的重要方向之一。高性能、可控、廉价的发泡材料的研究，对其成品材料的工程性能、施工应用等具有极其重要的意义。另外，基于泡沫混凝土的功能性砌块、墙体材料等产品，将备受重视，市场前景广阔。

基于上述认识，以下总结了泡沫混凝土的研究方向：①精确可控的生产工艺；②经济、高效的发泡剂；③原料与复合外加剂的选用、配伍；④各产品性能的影响因素研究；⑤施工工艺流程及设备优化；⑥进一步扩大其应用范围。

5 结论

本文基于工程经验、理论认识和文献调研，围绕泡沫混凝土的结构特点，主要性能及其在道路工程中的应用，施工工艺与质量控制，技术问题和研究方向进行了阐述。主要结论如下：

(1)泡沫混凝土是一种高孔隙材料，其物理力学和工程性能很大程度上取决于气孔特性(形态、分布)。

(2)泡沫混凝土工程特性，主要包括：轻质、自流平、自立、保温隔热、吸声、耐久；其工程特性在道路工程中都有着较为广泛的应用场景。

(3)泡沫混凝土配合比设计时，需考虑提高强度和降低密度的均衡，需依据实际服役工况确定吸水率控制范围，并指出其在软土地基处理、道路拓宽工程和桥梁台背应用的质量控制要点。

(4)泡沫混凝土仍存在强度低、大吸水率、抗冻性低等亟待解决的技术问题，未来需加强在生产工艺、发泡剂、材料性能等方面的研究。

本文的总结与论述可为相关工程人员开展泡沫混凝土的应用与研究提供思路。