氣泡混合輕質土的應用技術

王志斌

（河北路橋集團第一工程有限公司，河北 邢臺054001）

0 引言

氣泡混合輕質土（簡稱“輕質土”或FCB，下同）是土建工程領域中近年開發的一種新型輕質填土材料，它是在原料土中按照一定比例添加固化劑、水和氣泡，經充分混合攪拌后形成。其主要特點是低容重、隔熱保溫、固化后可自立、施工時具可流動性。輕質土在軟基處理、道路加寬、橋臺臺背填土以及解決道路凍脹翻漿等方面具有獨特的作用。

在明確輕質土路用特性的基礎上，結合公路工程的要求，充分發揮輕質土輕質、直立、隔熱保溫的特點，將其應用于軟基處理、凍土保護、凍脹翻漿防治、橋臺臺背填筑等，可提高公路的建設質量與服務使用水平，降低養護成本。

1 土的凍脹與熱傳導理論

土的凍脹與土的壓實度、含水量、顆粒組成、溫度、濕度梯度等密切相關。土體凍脹的水分遷移機制主要有：（1）毛細水上升；（2）薄膜理論；（3）真空抽吸機理；（4）離子交換等。

1.1 地面溫度

地面溫度波動的周期性可近似表示為：

式中：T0為地面溫度（°C）；A0為溫度波動的振幅（°C）；t為時間（h）；T為溫度波動周期（h），日波T=24h，年波T=8760h；φ為初相角。

1.2 土體溫度

不同時刻不同位置上土體的平面熱傳導問題的定解方程如下，通過單元的離散化后推導熱傳導方程的有限元形式：

2 氣泡混合輕質土的材料特性

2.1 試驗試件配合比（見表1）

表1 試驗試件配合比

2.2 物理力學特性

輕質土一次澆筑1m 高時試件下部的容重比上部約大10%；輕質土浸水后容重最大增加約25%；輕質土的滲透系數為10-5cm/s量級，導熱系數約為0.20（W/m·k），澆筑后內部溫度最高上升到近80℃。

輕質土的無側限抗壓強度隨著氣泡含有率的增加而逐漸降低；采用高爐礦渣水泥比采用普通硅酸鹽水泥的無側限抗壓強度高；配合比為E，水泥標號為32.5R、42.5R、52.5R 時，無側限抗壓強度 分 別 為1.33MPa、1.46MPa、1.51MPa；10℃、20℃兩種養生溫度的28d 無側限抗壓強度分別為0.89MPa 和1.53MPa； E 配比試件養生28d 的回彈模量為289MPa；輕質土的抗折強度較低；輕質土的CBR強度滿足規范要求。

A～D 配合比無側限壓縮破壞表現為脆性破壞，在破壞前，應力應變表現出較好的線彈性，彈性模量與抗壓強度具較好的線性關系；輕質土在循環荷載與干濕循環環境下具有良好的耐久性；輕質土有較好的抗凍融性能；輕質土的干燥收縮率是普通混凝土的4～6倍。

3 氣泡混合輕質土在凍土地基保護中的應用

我國多年凍土占全國面積的21.5%，主要分布于大興安嶺和青藏高原。凍土地區常見的道路破壞現象有：融沉、凍脹、翻漿、冰丘、冰錐、涎流冰等。

3.1 輕質土的保溫效果理論分析

地基溫度場分布與輕質土的厚度、氣候條件、路基高度、路基寬度、輕質土的導熱系數、路基土的導熱系數等多種因素相關。地基溫度場分布數值計算模型如圖1所示。通過大量的數值計算，明確了上述因素對地基溫度場分布的影響。結果表明輕質土具有良好的隔溫效果，能夠大幅度降低地基溫度的變化幅度，提高凍土地區道路的凍土上限，減輕道路的凍脹與融化作用，對于確保路基的穩定具有明顯的效果。

圖1 地基溫度場分布數值計算模型

3.2 輕質土隔熱層試驗段

為了明確輕質土的隔熱保溫效果，鋪筑了試驗段，輕質土結構與地溫監測結果如圖2所示。其中5#、6#、7#、8#地溫計置于輕質土上表面，其余位于輕質土下表面。

圖2 輕質土結構與地溫監測結果

從地溫監測結果分析：經歷了一個冬季之后，輕質土下的最低地溫接近于0℃，2～6 月的變化幅度大部分在3℃以內，變化幅度很小，能夠防止地基土的融沉。輕質土防凍層試驗路段于2004年9月完成路面鋪筑并開放交通，至今路面平整度狀況良好。

3.3 輕質土的設計

3.3.1 鋪筑位置與厚度

輕質土可用于凍土地基的保護或控制融化速度，輕質土厚50cm且其頂面與地表持平。

3.3.2 強度

輕質土的強度以7d 無側限抗壓強度（標準養生）作為設計控制指標，安全系數取3，即設計強度為實際承受荷載強度值的3倍。一般情況下設計強度1.0MPa即可滿足強度要求。

3.3.3 容重與導熱系數

輕質土的導熱系數與其容重、強度密切相關。降低導熱系數則需降低容重，為保證強度必須提高水泥用量，則成本增加。一般情況下容重取1.0、1.2時其綜合性價比好。

3.3.4 材料與配合比

輕質土的發泡劑應選用發泡倍數高且氣泡穩定的蛋白類發泡劑，對于土質則應優先選用細砂、風積沙等，不宜采用細粒土，禁止采用粒徑超過5mm的礫類土。

4 氣泡混合輕質土在道路凍脹翻漿防治中的應用

4.1 輕質土基層的隔熱效果分析

輕質土的保溫效果計算模型如圖3所示。通過數值計算分析了凍結指數、路基高度、路面寬度、路基填料、輕質土厚度等因素對路基溫度場的影響。

圖3 輕質土的保溫效果計算模型

4.2 輕質土基層試驗段的鋪筑

輕質土的結構設計如圖4所示，試驗段輕質土底基層、基層的強度分別為2.0MPa和2.38MPa。

圖4 輕質土的結構設計

輕質土基層試驗路段于2004 年9 月完成路面鋪筑后即開放交通，2005年2月即發現試驗段路面出現較多的縱橫向裂縫，局部出現網裂和面層脫落，露出白色的輕質土基層，路面已呈現出結構性破壞。而其他非輕質土基層對比路段的路面除有部分因氣候嚴寒引起的路面橫向裂縫外，未出現網裂、坑槽及面層脫落的現象，路面狀況良好。基于上述情況，于2005 年6 月將試驗段輕質土基層予以鏟除，并重新鋪筑常規的水穩碎石基層和瀝青面層。

輕質土基層試驗段失敗的主要原因是：

（1）輕質土為多孔脆性材料，在汽車荷載作用下，易被薄層的瀝青碎石壓碎，導致層間結合較差，引起路面出現眾多的縱橫向裂縫甚至網裂、面層碎落等；

（2）輕質土的干縮系數約為混凝土的46 倍，干縮后引起面層開裂。

4.3 輕質土基層設計

4.3.1 鋪筑位置

總結輕質土基層試驗段失敗的原因，提出將輕質土保溫層用于底基層或上路床的設想，即輕質土離面層頂面的厚度至少應超過25cm（面層厚度+上基層厚度）。

4.3.2 設計程序

輕質土的防凍層設計程序見圖5，強度安全系數取3，最大荷載的計算見相關規范，材料設計與前述相同。

4.3.3 路面結構

采用輕質土作為上路床或隔熱墊層，不改變路面的結構形式；輕質土作為底基層與上基層間的結合效果與我國半剛性基層相比差別不大，因此路面結構按常規方法設計。

圖5 輕質土的防凍層設計程序

5 結語

輕質土集低容重、可流動性、固化后的直立性和隔熱保溫性于一身，可以有效地解決公路建設中的某些技術難題，提高公路的使用壽命與服務質量，降低維護費用與運輸成本，提高行車的安全性，對促進我國公路建設技術的發展具積極意義。輕質土在公路工程的應用可以減少路基取土，避免對自然環境的開采破壞，對環境友好；可以提高道路的質量與服務水平，降低行駛成本，提高行車安全性，促進社會和諧，具有廣闊的應用前景。

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