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    泡沫輕質土在高速公路橋頭路基填筑中的應用及效益

    發布時間:2020-9-25 15:35:22

    隨著社會經濟的快速發展,我國高速公路也得到了快速發展,但公路占地面積也越來越大,特別是高填方路堤放坡占地廣,填筑量多,增加了土體附加應力,影響工后沉降,甚至會引起橋臺路基沉降,影響行車安全。近年來,泡沫輕質土被廣泛應用于我國各項實體工程中,不僅集中在建筑工程,還體現在高速公路中。2002年我國開始引進和發展泡沫輕質土,并逐步應用于道路改擴建及加寬、橋頭跳車現象防治及治理、軟土路基沉降處理、市政管線回填等工程。在公路拓寬中泡沫輕質土用于垂直填土、節約用地、減少拆遷、縮短施工周期,給投資者帶來前期收益等優勢;李易等人采用“m 法”及沉降系數法,分析了橋臺樁基受力情況和橋臺路基的固結沉降量,通過與普通碎石回填工況對比,結果表明將輕質泡沫混凝土應用于回填橋臺背,可有效減少橋臺的危害和縮減橋臺路基的固結沉降量,輕質泡沫混凝土用于橋臺回填可有效解決橋頭跳車問題;黃志鋒的研究表明應用這種新型材料可以大大降低填筑荷載,減輕路基自重,降低軟土路基附加應力,從而很大程度上提高了軟基路堤穩定性,解決了軟基不均勻沉降這一難題。國內不少學者對泡沫輕質土進行了研究:其中裘友強等人對泡沫輕質土的微觀結構及其強度特性進行了研究,發現微觀結構越密實,氣孔-孔壁結構越堅實且完整,則泡沫輕質土會表現出越高的強度特性;裘友強等人采用UTM-100伺服液壓多功能材料實驗系統對泡沫輕質土進行四點彎曲小梁疲勞實驗,結果表明具有良好的抗疲勞特性,可用作路基填料;李寶等人為了研究泡沫輕質土的水穩定性和抗凍性能等環境耐久性技術指標,通過進行干濕循環試驗和凍融試驗,試驗結果表明,材料環境耐久性隨著水泥摻入量的增大而提高,試驗范圍內具備環境耐久性良好;劉潔等人進行了泡沫輕質土穩定性試驗研究,分析了材料的水穩定性和凍融穩定性,結果表明泡沫輕質土具備良好水穩定性和凍融穩定性;陳忠平等人通過動三軸試驗,研究了不同密度泡沫輕質土在不同濕度和不同循環荷載下的動力工程特性,發現當密度達到 650~700 kg/m3時,會形成壓實錐,致使產生劈裂破壞,只有加載端周圍的表面被剝離;陳忠平等人通過建立現澆泡沫輕質土路堤模型,使用循環激振試驗,分析路基在長期動態載荷作用下的動力響應,結果表明現澆泡沫輕質土路堤具有較高的剛度和良好的動穩定性,材料壓縮僅為路基沉降3.2%~4.5%。目前,我國對泡沫輕質土的應用研究主要集中于工程效益分析,對經濟效益分析較少。本文依托實體工程,提出了具體配合比設計,綜合分析了泡沫輕質土在橋頭路基填筑中的效益。研究結果可為泡沫輕質土在工程中的應用提供一定指導。

    1 材料組成及工程特性

           泡沫輕質土(也稱為泡沫混凝土)是通過物理或化學方法,用發泡劑水溶液制成泡沫。將泡沫與基礎膠凝材料和水(基本組分)按一定比例混合攪拌成漿體;根據工程實際需求可選組分有骨料、摻和料和外加劑。通過發泡設備制作成細小穩定氣泡群混合攪拌形成泡沫輕質土漿體,在施工現場或者工廠預筑成型,是一種含有大量的均勻分布氣泡的輕質材料。其制備工藝流程如圖1所示。表1列出了泡沫輕質土與普通混凝土的性能參數。

     

    1.1 必要材料組成
          ⑴ 發泡劑:是一種通過促進泡沫產生從而形成封閉氣孔或者相連氣孔結構的試劑;發泡液可短時間內產生大量勻和、穩定的泡沫,處理方式有 2種:化學發泡與物理發泡;瘜W發泡是通過加熱分解釋放出CO2和 N2等氣體,在聚合物組成中形成細孔化合物;進行物理發泡時,泡沫細孔只是通過某一種物質僅產生物理形態變化。
          ⑵ 水泥:是泡沫輕質土的主要膠凝材料。硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥具有早強、微膨脹、低干縮等優點,在要求泡沫輕質土短時間內快凝、防止沉降和泌水、提高早期強度時,推薦使用這兩類水泥。
    1.2 泡沫輕質土工程特性
          ⑴ 輕質性:泡沫輕質土中均勻充填氣泡,輕質性是其最主要的特性。泡沫輕質土、粉煤灰、普通混凝土、回填土、普通碎石的容重分別為 3~15 kN/m3、15 kN/m3、25 kN/m3、20 kN/m3、14~17 kN/m3。
         ⑵ 耐久性:使用壽命與水泥混凝土和主體工程相同。與普通混凝土相比,泡沫混凝土含有大量氣孔,氣孔可以起到緩沖作用,從而獲得較好的抗凍融
    性能。
          ⑶ 減震作用:泡沫輕質土密度小、質量輕、彈性模量低、微孔多,具有很好的吸能能量的作用。在泡沫輕質土中,振動波的傳遞速度比在普通混凝土結構中慢得多,經受地震荷載時所承受的地震力較小。因此,相較于普通混凝土具有良好的減震作用。
          ⑷ 良好的施工性:流動性強,因為不含粗骨料,可通過軟管泵送,降低運輸成本。施工時,操作工人可直接使用,無需振動和碾壓,且澆筑可連續進行,大大節省了時間。
          ⑸ 整體性:結合泡沫輕質土的高流動性,澆筑時無需振搗碾壓,硬化后可達到均勻密實狀態;由于泡沫輕質混凝土采用集中生產和軟管泵送現澆施工,與主體結合緊密。
    2 泡沫輕質土橋臺路基應用實例
    2.1 工程概況
          本文選取廣州至連州高速公路某大橋為研究對象,該大橋位于清遠陽山縣青蓮鎮桂巖村境內,為路線跨越國道 G358(原省道 S347)、村莊及鄉村道路、灌溉集而設。此橋原施工圖設計全橋左幅共 8聯:9(3×30)+2×30,右幅共 8 聯:9(3×30)+30。需進行方案變更的原因是:橋左幅 K137+051.6~K137+081.6(左幅28#墩~29號臺)地處斜坡段,原設計為半路半橋,左幅采用 30 m PC小箱梁,右幅為路基,與相鄰橋梁之間路基段長度約為 200 m。本路段集中預制梁場設置于此橋與周屋特大橋之間的 200 m路基段上,考慮兩側架橋機拼裝空間后,梁場設置條件十分緊張。因此變更
    為該橋大樁號側左幅縮短 1 孔后相應增加路基段長度,樁號范圍為左幅 K137+051.6~K137+081.6,路堤填高約 7.2~8.5 m。結合現場地形、地物及地質資料,增加的路基段采用泡沫輕質土填筑。平面設計及縱斷面設計如圖 2、圖 3所示。

     

     

     

    2.2 配合比設計
          進行泡沫輕質土配合比設計時,濕密度和強度應同時滿足表 2中的設計要求。原材料選用 PC42.5硅酸鹽水泥和廣東 SRTJ-A型發泡劑,為了滿足距離路面結構層底部不同位置的泡沫輕質土設計性能要求,分別設計了 FC-1和 FC-2兩種不同濕密度的配合比(見表 3)。
    2.3 配合比試驗

     

    進行配合比試驗的前提為原材料檢驗合格;配合比試驗時的泡沫輕質土料漿沉降率應滿足《泡沫混凝土用泡沫劑:JC/T2199 2013》一等品的要求,即料漿沉降 率 不 超 過 5%;進行抗壓強度試驗測試的試塊按規范制成 10 cm× 10 cm×10 cm的立方體,抗壓試驗應在小量程砂漿壓力機進行,強度結果不應折減;配合比強度試驗需測定7 d齡期和 28 d齡期強度,以 6塊試塊為一組;當配合比試驗施工濕密度、料漿沉降率及強度同時滿足標準要求時,才可作施工配合比。設計配合比經檢測,其結果如表4所示。

     

          由試驗結果可得,FC-1和 FC-2泡沫輕質土濕密度及 7 d和 28 d抗壓強度均滿足設計要求。
    3 泡沫輕質土效益分析
    3.1 工程效益
          相比傳統的設置橋頭錐坡體系,施工時采用泡沫混凝土階梯型填充橋頭臺背,可減少地基附加應力,提高路堤的穩定性,消除材料本身的壓縮沉降;軟管輸送,可減少施工面、縮短施工周期,便捷施工;其自身自立,可消除橋臺附加應力,因而臺背無放坡,增加橋底下空間,減少橋梁長度;施工在形成過程中始終貫徹國家節能減排的要求,降低了由于施工造成的破壞和環境污染,同時節省了大量錐坡處理材料。
    3.2 經濟效益
          廣州至連州高速公路某大橋施工方案變更后泡沫輕質土費用由表 5構成,變更前后主要工程數量及造價比較如表 6所示。方案變更后雖然橋梁工程量減
    少了 16.35 m,但采用泡沫輕質土的填方路堤增加了30 m,造成泡沫輕質土工程量的增加 2 263.3 m3,經計 算泡沫輕質土綜合單價 360.5 元/m3,土方綜合單價75元/m3,因此造成了總造價增加,增加了造價成本。

     

    4 結論
          ⑴ 設計了 FC-1 和FC-2 兩種不同濕密度泡沫輕質土配合比,配合比設 計 試 驗 得 出 FC-1 和 FC-2滿足設計要求,可用于實際施工。
          ⑵ 施工無橋頭錐坡現澆擋墻泡沫混凝土輕質路堤與傳統做法相比,可減少路基附加應力,解決臺前錐坡放坡問題減少橋跨,且質量可靠,可控性更高,加速施工,緩解橋臺與路基連接位置剛性突變、減少工后沉降和緩解橋頭跳車。
          ⑶ 泡沫輕質土應用于橋臺路基填筑時綜合單價為 360.5 元/m3,與土方綜合單價 75 元/m3相比是其成本的 5倍左右,造價較高。
          ⑷ 泡沫輕質土存在吸水率高、干燥收縮較大、抗壓及抗折強度偏低等缺陷,因此改善泡沫輕質土吸水率、干燥收縮、抗壓及抗折強度是下一步的研究重點。

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