探讨气泡混合轻质土特性及其在公路工程应用

摘 要：介绍了气泡混合轻质土的概念、主要特性及其在公路建设中的应用。

关键词：气泡混合轻质土；特性；应用

概 要

轻质填土材料是人工制作的土工材料。其主要特点是容重比一般的土体小，而强度和变形特性可以达到甚至超过良好的土体，是工程界近年开发并在推广的土建新技术。目前，轻质材料的种类很多，按其容重可分为准轻质材料(如粉煤灰)；轻质材料(如气泡混合轻质材料)及超轻质材料等。最早是使用粉煤灰、矿渣等材料制作轻质土。1980年代，日本将废弃的泡沫塑料制成一定大小的颗粒，并按一定的比例与工程废弃土混合制成了容重可自由调整的轻质土，而现在最新的轻质土材料是向土中混入一定比例的气泡和固化材料制成容重和强度都可自由调整的气泡混合轻质土。

1.气泡混合轻质土的概念及制作

气泡混合轻质土就是在原料土中按照一定的比例添加固化剂、水和预先制作的气泡群，进行充分的混合、搅拌后经固结所形成的轻型土工材料。

1.1原料土

原料土可以是工程废弃土，也可以是细砂，但为了达到与固化剂及气泡的充分混合，并确保气泡混合轻质土的流动性，原料土的直径不可大于5mm，对于不满足要求的原料土，应先期进行解泥及必要的筛分处理。

1.2固化材料

固化材料可以分为主剂和辅剂两种，主剂是主要起固结、加强土体骨架的作用，而辅剂是以催化、早凝为目的的固化材料；主剂以水泥类为主，常用的有火山灰水泥、普通硅酸盐水泥、高炉硅酸盐水泥等，这些材料加入土中后与水之间发生水化作用产生Ca(OH)2产物，Ca(OH)2与粘土颗粒发生离子交换形成固化物，达到加固土体骨架的作用。辅剂是指石膏粉、硅粉等辅助材料，加入这些材料的目的在于减少主剂的用量，达到降低造价的目的。

1.3起泡剂与气泡群

起泡剂主要有界面活性类、蛋白类、树脂类材料等，而目前常用的是界面活性类。通过将适量倍率稀释后的起泡剂定量泵送到发泡装置后，与压缩空气充分混合而产生大量的微小气泡群。在这里，压缩空气通过空压机加压，用减压阀控制输气压力，以稳定的压力和气量向泡装置供气形成；气泡是由致密的气泡群体组成，要求气泡具有一定的稳定性，与土混合后可在土中形成大量的微小空隙。

2.气泡混合轻质土的主要特性

气泡混合轻质土是人工配合机器制作的土工材料，其容重可以做得比一般的土体小得多，而其强度和变形特性可以达到甚至超过良好的土体，且便于施工等。其主要特性如下：

（1）轻质性：气泡混合轻质土内含有大量的微小气泡群，其容重不但比一般的土体要小得多，而且通过调整土体中的气泡和固化剂的含量，可以按照需要对气泡混合轻质土的容重在４～15kN／m3内进行必要的调整。

（2）强度的可调节性和容重的可调节性原理一样，通过改变各种成分的配合比，气泡混合轻质土的强度的可以在0.5~35mpa的范围内进行调整。

（3）高流动性：气泡混合轻质土具有良好的流动性，可通过管道泵送，其最大输送距离可达到500米，最大泵送高度可达到30米。因此，为防止泄漏，在进行气泡混合轻质土的浇筑施工时，通常采取一些必要支挡措施。

（4）固化后可自立性：由于使用水泥作为固化剂，通常在浇筑5个小时后就会开始固化，且固化后可以自立，可进行垂直填土，且对挡土结构物几乎没有推挤力。

（5）良好的施工性：由于其具有良好的流动性和固化后的自立性，且不需振捣和碾压作业，可进行远距离或在小空间内施工。此外，气泡混合轻质土中混有大量的气泡群，成品的体积可达到材料体积的3倍以上。

（6）耐久性：属水泥类材料，与高分子材料相比，其耐久性，耐热及抗油污能力强，具有水泥材料同等的耐久性。

（7）隔热性：气泡混合轻质土中含有大量的气泡，具有良好的隔热性。

3. 气泡混合轻质土在公路工程的主要应用

由于气泡混合轻质土特有的特点，使其技术在公路工程建设中有着非常广泛的应用潜力。它可以应用于以下一些工程领域：

3.1路基加宽

随着经济的发展、车流量的不断增加，常需对已通车的道路进行扩幅改造。与传统的施工法相比，气泡混合轻质填土技术主要的优点有：

①可进行垂直填土，节省昂贵的用地、减少拆迁，在旧路基础上加宽几乎不需征地。

②在软基路段进行扩幅填土时，可大幅度地降低填土荷重，减少新老路基的差异沉降及路基附近建筑物的沉降破坏。

③施工性好。不需震捣，不需机械碾压作业，振动、噪音低。

④施工时间短，不影响现有交通。特别是在施工周期短、在用地昂贵的经济发达地区、在建筑物及人口相对密集的地区进行道路加宽改造，采用这种技术能最大限度地节省用地，降低工程整体造价，具有显著的综合经济效益及社会效益。

3.2陡峭滑坡路段的路基填筑

修建通过陡峭滑坡地段的公路时，为了防止土块的滑动，传统的方法常常需要花费大量的费用和时间去修建支挡结构。采用气泡混合轻质填土技术有以下的优势：

①可降低填土荷重、减少土块所承受的滑动力矩，提高路基的抗滑稳定性。

②简化挡土结构。

③避免原有地形、地貌的破坏，保护环境。

④提高工程质量，缩短工期，降低造价。

3.3桥（涵）台台背的填土

通过软基地段的公路桥（涵）台跳车问题是一直未能很好解决的技术难题，其主要原因可归结为以下三个方面：

①由于填土所产生的附加应力的作用，不良地基在长时间的附加作用下而缓慢的沉降。

②台背填料自身的压缩引起的沉降。

③桥头与路基间的刚柔突变。

由于桥梁是支撑在岩层上的刚性结构，几乎不发生沉降，而路堤是建在软基上的柔性体沉降稳定所需要的时间长，两者连接后不可避免地会产生差异沉降。长期以来只着眼于软基的处理，忽视了减轻填土重量，降低地基的承载力，使该问题得不到很好解决。如果采用气泡混合轻质填土技术则可较好地解决上述困难。主要表现有：

①在桥（涵）背部设置适当形状的楔形轻质土体，可大大缓减桥（涵）与路基间差异沉降的变化梯度，使桥基间差异沉降的变化缓慢化、均匀化，从根本上消除软基地段公路桥（涵）与路基间的跳车问题；

②虽然气泡混合轻质土的强度比混凝土的小，但比优质土的强度大得多，采用这种填料可在一定程度上缓解桥（涵）与路基间材料的刚性突变；

③彻底消除了填料自身的工后沉降问题；

④对原有地基可控制在几乎没有另外附加的土压力作用，可适度地简化结构物的挡土结构，提高结构物的使用寿命。

4.结论

通过探讨了气泡混合轻质土的特性和分析了其技术在公路工程的应用优势，确信该技术是当今基础差异沉降处理对策中的最有效的方法之一，该技术的突出特点可以总结为：

（1）填土荷载轻，具有良好的流动性和自立性，各种力学性能好，施工工期短。

（2）可大幅度地减轻施加于地基的附加应力，抑制软基路堤的沉降和破坏。

（3）可减少作用于地下结构物上的土压力，提高结构物使用的安全性及使用寿命。

（4）可较好地遏止桥涵连接路堤的差异沉降，消除软基地段公路桥头跳车问题。

（5）运用于道路的扩幅改造时，可节省昂贵的用地、减少拆，并将对道路附近结构物的影响小。

5.结束语

地处经济较发达的珠江三角洲，软基深厚复杂，河网及路网的分布密度大，软基上修建的桥梁涵洞多；目前，道路建设的周期一般非常短；而征地拆迁相对昂贵；据有关调查，每年需要为己投入运营的公路付出巨额的维护管理费，且大都是集中在桥头路段沉降跳车的维修；此外，随着经济的发展、车流量的不断增加，急需对许多正在运营的道路进行扩幅改造等等，使得气泡混合轻质填土技术必将有着非常广泛的应用前景，但由于该技术从国外引进时间短，而且关键技术专利保护等因素使得广大的施工企业及工程技术人员对其认识浅薄，因而目前为止推广有限。通过本文对该技术的探讨让更多的工程技术人员关注气泡混合轻质填土技术。

参考文献：

[1] 平等：气泡混合轻质圭的关键技术开发及其在高等级公路上的应用，[广东省科技厅科研课题立项报告]，2003.

[2] 平等：轻质土的关键技术开发及其施工工艺的研究，[交通部联合攻关重点课题]，2003.

[3] 地基处理手册编写委员会，地基处理手册，北京：中国建筑工业出片社，1998.

[4] 中国工程建设协会标准，现浇泡沫轻质土技术规程，CECS 249:2009.

[5] 广东省标准，气泡混合轻质土填筑工程技术规程，DBJ15-58-2008.