轻质泡沫混凝土在路桥工程中的应用

1 引言

随着我国经济水平快速发展，交通量日益增大，大量的道路桥梁工程建设往往会遇到各种不同的地质情况， 其中难免会出现地基承载力不足、不均匀沉降、降低道路结构稳定性及路基附属建筑物的沉降破坏等一系列的安全问题， 大大增加了道路的维修费用。

轻质泡沫混凝土在桥头跳车、软基处理、拓宽路面、路面边坡塌陷抢修等方面的应用，其具有轻质、保温、隔热、耐火、抗冻、吸收冲击能量等优异性能[1]，具有很高的流动性和良好的施工和易性[2]。

2 轻质泡沫混凝土的概念及特性

2.1 轻质泡沫混凝土基本概念

轻质泡沫混凝土是一种多孔混凝土， 特定发泡剂水溶液通过气泡机的发泡系统以机械方式生成泡沫， 再将泡沫加入含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的浆料中，再经过均匀混合搅拌[3]，将浆料中的硬质颗粒吸附在泡沫外壳上，形成一个个被硬质颗粒隔开的气泡，再经过发泡机泵送系统进行现浇施工或模具成型， 经自然养护形成的轻质微孔混凝土，含有大量密闭气孔，是一种轻质高强、保温隔热、低弹抗震、隔音耐久等特点的新型混凝土材料[4]。

2.2 轻质泡沫混凝土的特性

2.2.1 轻质性

轻质泡沫混凝土内部密闭孔隙较多，密度较小，干密度一般为300~1 800 kg/m3，由于轻质泡沫混凝土具有轻质性，能根据工程需要调节轻质泡沫混凝土的重度， 减少对其他工程结构层的扰动，一般能减少结构自重约25%，能提高结构的承载能力，对施工后结构的不均匀沉降能起到有效降低的作用。 因此，泡沫混凝土用于路桥工程，经济效益显著[5]。

2.2.2 密度和强度可调性

轻质泡沫混凝土是通过选用不同的发泡剂或其掺量来调节泡沫混凝土中气泡的含有率， 是利用发泡系统将发泡剂与水泥以机械方式混合而成的材料。 轻质泡沫混凝土的干密度可控制在300~1 000 kg/m3范围内[6]。

轻质泡沫混凝土在目前施工工艺水平下， 抗压强度可控制在1.0~10.5 MPa。 由于其密度和强度可控，在保证混凝土强度的情况下可以减少地基荷载，可用作路基填料，具有良好的经济效益。

2.2.3 保温、隔热、防腐性

轻质泡沫混凝土内部有大量的闭孔和微孔， 填充物中泡沫的体积含有率甚至可以高达70%以上， 泡沫混凝土的导热性能大大降低，因此具有良好的绝热性能和较低的导热系数。轻质泡沫混凝土是一种硅酸盐水泥制品，它具有良好的防火、防腐蚀和耐久性能，在建筑保温材料中具有较高的安全性，并能延长结构使用寿命，其燃烧性能为A1 级。

2.2.4 高流动性、填充自密实性

轻质泡沫混凝土不含粗集料，其水灰相对较大，因而具有高流动性能、自流平特点的轻质泡沫混凝土；采用泵送软管施工，泵送距离可超过500 m[7]。

由于其高流动性能，填充密实度较好，施工时无须人工振捣、机械碾压及养护，且外界对施工干扰较小，可缩短施工工期。

2.2.5 低弹抗震性

地基荷载越小，抗震力越强。 由于轻质泡沫混凝土内部含有大量微观的气孔结构， 具有较高的抗压性能和良好的可塑性，因此，当结构发生较大的抗压变形时，不会产生整体剪切破坏，因而能够承受和吸收较大的变形压力，改善结构受力形式。 泡沫混凝土在地震发生时，能受到较小的水平惯性力、较低的弹性模量和较好的吸收冲击能量， 从而在减轻结构受到冲击荷载的破坏程度的同时，起到减震作用。

2.2.6 渗透性

轻质泡沫混凝土通过其内部的气孔向外渗透， 在一定水头压力下产生渗透作用。 它具有较低的透水性，通过渗透系数反映轻质泡沫混凝土内部和外部的气孔连接度[8]。轻质泡沫混凝土的透水系数数量级只有10-5~10-6cm/s， 在黏土和软黏土之间，随重度下降而增大。 轻质泡沫混凝土，随着胶结材料用量的增加，其透水性的降低也就越发明显[9]。

2.2.7 隔音性能

泡沫混凝土在降低噪声污染效果的同时， 还具有良好的隔音效果，改善了居住环境。 因为泡沫混凝土属于多孔的微观结构，它是一种良好的隔音材料，具有一定吸音性能，与其他建筑材料相比吸音性能大约提高5~10 倍[10]。

2.2.8 耐久性、稳定性

轻质泡沫混凝土属于混凝土材料的一种， 使用寿命在1 029 次左右，与一般水泥混凝土相差无几，耐久性好，比高分子材料的耐久性高，耐久性更强。 根据相关研究表明，混凝土材料随着密度的减小，耐久性越强。 轻质泡沫混凝土作为道路桥梁工程中的填筑材料， 采用轻质泡沫混凝土的结构在汽车动荷载作用下，能有效抵抗和降低汽车动载作用，同时满足设计使用年限。

2.2.9 优越的环保特性

随着国家对环境保护的标准日渐提高， 对于道路桥梁建设工程中所使用的材料的环保要求提高。 轻质泡沫混凝土使用的原材料是水泥和发泡剂，发泡剂大多是不含苯、甲醛等有害物质的物理发泡剂，水泥是胶凝材料，避免了轻质泡沫混凝土对自然环境的污染。

3 道路桥梁建设工程中轻质泡沫混凝土应用现状

3.1 回填工程

轻质泡沫混凝土具有低密度性能，高流动性，作为注浆材料或回填材料被应用于市政道路管道回填工程中， 能降低混凝土对管道产生的应力。 有关研究表明，在报废井下工程、报废矿井采空区回填等回填工程中， 也相继应用了轻质泡沫混凝土。

3.2 地基工程

在降低自重的基础工程中，抗震性能好、轻质高强的轻质泡沫混凝土作为地基填充物，使地基强度随之提高，同时也是阻滞性能好、施工方便、造价低的微孔结构物，被应用于各类民用机场的阻滞系统。

3.3 路基工程

轻质泡沫混凝土具有良好的保温的材料， 其力学性能满足路基填料的要求， 被应用于我国的冷冻区的高铁及高速公路路基。

3.4 挡土墙

轻质泡沫混凝土作为挡土墙背面的回填材料， 具有良好的黏结性能，能减小垂直荷载，减小挡土墙的侧向压强；工后沉降得到有效降低，并降低了维护成本。

3.5 贫混凝土填层

轻质泡沫混凝土高流动性，具有自流平的特点；泵送距离大，可缩短施工工期，可用于贫混凝土填层。

3.6 软土路基处理

软土路基是指天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土，在滨海、湖沼、谷地、河滩沉积形成的路基[11]。路基沉降和路基稳定性的处理控制是目前比较常用的软土路基处理方法[12]。 由于轻质泡沫混凝土的密度小、强度大质量轻的特性，被广泛应用于软土路基换填处理。

3.7 桥台背面的路基填筑

在路桥过渡段采用施工方便、压缩性低、流动性强的泡沫混凝土作为台后回填材料，不仅降低自重、地基载荷能力和侧向压力，增强了路桥工程的安全性、耐久性，而且能延长使用寿命，同时也提高了公路桥梁工程的施工质量和施工效率，提高了工程质量和施工效率，降低交通事故出现的概率。

3.8 道路改扩建工程

随着社会的进步和社会经济的发展， 我国的交通量越来越大，原本需要改建、扩建的道路工程已经不能满足日益增长的交通需求。 轻质泡沫混凝土具有重度轻、流动性高、强度高、固化后竖直填筑自立式承重、环境影响小、施工速度快、整体性好等特点，使其作为路基填充物，可以减小施加在路基上的附加荷载，从而减少新旧路基沉降不均的现象[13]，减少了拆迁量，节约了土地使用。

3.9 隧道工程

轻质泡沫混凝土具有良好的保温、隔热、防腐性及低弹抗震性，可降低隧道衬砌材料的应力和塑性破坏。

4 路桥工程中应用轻质泡沫混凝土的注意事项

轻质泡沫混凝土在道路桥梁工程中的应用可以显著降低路基自重，减小其附加应力，可有效解决路基不均匀沉降的问题。 其施工工艺流程如图1 所示。

图1 施工工艺流程

4.1 原材料质量控制

轻质泡沫混凝土是由硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的。 常用的硅质材料为水泥，根据施工要求、季节及环境，对水泥的相关指标进行检测，选择指标合格的水泥；在运输和贮存过程中做好防水及防潮措施。

发泡剂选用具有活性和高质量的发泡剂， 符合实际施工要求的气泡倍率，渗透性符合有关要求，是制备轻质泡沫混凝土的关键。

4.2 施工工艺质量控制

注重各施工工序的质量控制， 确保轻质泡沫混凝土的施工质量。 从模板安装精准到最终的泵送浇筑各环节都需要控制，满足质量要求。

选用符合技术规格要求的搅拌设备， 根据搅拌速率的不同，使搅拌均匀的混合物与发泡混合在一起。 泡沫混凝土浇筑设备见图2。

图2 泡沫混凝土浇筑设备

在轻质泡沫混凝土浇筑施工过程中应注意以下几个方面的要求[14]。

1）相同区段两层之间浇筑的间隔时间一般不低于6 h，具体的浇筑间隔时间以下穿浇筑面固化为准， 下层浇筑面未固化前不许任何人行走。 控制在水泥浆初凝时间内完成浇筑层的浇筑施工。

2）避免施工人员施工浇筑过程中的走动，可采用加长杆输送至距离过高或距离过长的位置。

3）浇筑施工快要完成时，随机对浇筑层的湿密度进行采样检测，发现不合格点位及时查明不合格边界，应及时处理。

4）在分区浇筑施工时，采用相关的模板在设置沉降缝位置处进行隔离，保证沉降缝必须垂直。

5）在浇筑施工完成后，应按照规范要求及时取样检测，试样应清楚标注区段、浇筑施工日期、取样日期等相关信息。

在施工过程中，遇到大风、大雨等极端天气，要注意天气变化，避免覆盖的布、膜损坏；发现破损，要及时采取补救措施，重新浇筑上层混凝土。

5 案例分析

图3 路基处理平面图

图4 路基处理图

6 结语

轻质泡沫混凝土是一种利废、环保、节能、低碳的新型建筑材料，在道路桥梁工程中泡沫混凝土具有密度小、质量轻、强度大于常规回填土、填筑后形成一个整体、抗冲击性能好、无侧向压力、对地基荷载小、施工便捷等优良性能，被大量应用于桥头台背回填、软基路堤、拓宽路堤、崩塌抢修等领域，可有效解决桥头跳车、减少沉降和不均匀沉降、彻底消除台背路