氣泡混合輕質土及其在公路工程中的應用研究進展

高英力，肖敏強，關宏信

(長沙理工大學交通運輸工程學院，長沙 410114)

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氣泡混合輕質土及其在公路工程中的應用研究進展

高英力，肖敏強，關宏信

(長沙理工大學交通運輸工程學院，長沙 410114)

介紹了氣泡混合輕質土的制備工藝流程，概述了國內外對其基本物理性能、力學性能以及耐久性方面的研究，分別從路基填筑加寬、軟基處理、地鐵隧道減荷、特殊地段路基填筑、回填灌漿及凍土地區隔熱保溫6個方面對其在公路工程中的關鍵應用技術進行了闡述；并通過與EPS塊體及EPS顆?；旌陷p質土的對比，分析了氣泡混合輕質土在工程中的應用優勢；最后從理論及施工兩個方面提出了氣泡混合輕質土技術存在的主要問題，展望了其發展趨勢及研究方向。

氣泡混合輕質土； 公路工程； 物理性能；力學性能； 耐久性

1 引 言

為減輕填土荷載，80年代末日本按一定比例將泡沫顆粒與工程土混合制成了容重可自由調節的輕質土，隨后，日本道路公團通過在原料土中摻加水泥、水及泡沫，開發了一種新型輕質填土材料-氣泡混合輕質土(Foamed Cement Banking，以下簡稱FCB)，也有資料稱泡沫輕質土(Foamed Light-Weight Soil)[1]，其容重和強度可通過改變氣泡率來進行自由調控[2]，通過合理開發應用FCB技術，解決了公路工程路基加寬、橋背填土等施工領域中常規工法存在的弊端，降低了工程造價及維修費用，對于自然生態環境的保護也有一定的積極意義。我國于2002年引進并發展了FCB技術，并于2008年制定了相關規程，該規程的發布實施對FCB技術在我國的推廣應用起到了重要作用，目前已在北京、廣東、河北等地的公路建設中得以成功運用。

本文調研并分析了國內外FCB研究成果和應用狀況，探討了其在公路工程中的實用性，并提出了FCB技術存在的問題及其未來發展方向，以期對FCB技術的推廣應用提供借鑒。

2 氣泡混合輕質土制備及性能

2.1 制 備

圖1 FCB制備流程圖 Fig.1 Preparation process of FCB

FCB是通過在原料土中按比例添加必需組分固化材料、水及可選組分摻合料、外加劑和集料等，與預先經發泡劑發泡而成的泡沫混合攪拌制成。其中，發泡劑的發泡能力以及泡沫的穩定性等是影響FCB流動性及成型體密度及強度的關鍵因素，目前市場上發泡劑的種類繁多，主要有單一組分型(松香樹脂類、合成類、蛋白類)以及復合型發泡劑，單一組分型發泡劑由于性能不穩定(如松香類)以及成本高(如動物蛋白類)等缺點的存在制約了其在工程中的發展應用，為解決單一組分發泡劑的局限性，復合改性已成為當前科研工作者的研究熱點[3-5]。

通過對現有制備技術進行總結和分析，可得出當前FCB的關鍵制備流程，如圖1所示。

2.2 基本物理性能

(1)容 重

在路基填筑工程中，容重是影響路基沉降深度、支檔結構側向應力大小的重要因素。根據工程實際要求適量調整FCB各組分的含有率，可使其容重于5～16 kN/m3間自由變化，其中，氣泡含有率對FCB容重的影響最為顯著，水泥摻入比和含水率等對其影響不明顯[6,7]。同時，在實際施工過程中，單次澆筑厚度對FCB成體下部容重影響較大，因此，在要求輕質填土的情況下，需嚴格控制每層澆筑厚度。

(2)滲透性能

為確保路基的強度及穩定性，路基材料應具有較好的抗滲性能。FCB在處于飽和狀態或非飽和狀態下，其滲透系數皆位于10-5～10-6cm/s數量級，介于一般粘性土和軟粘土之間，透水性較低。通常情況下，水在FCB試件中的擴散速度隨氣泡含有率的增加而加快，當氣泡含有率超過體積的30%時，滲透性能提高較為明顯[8]；在長期浸水條件下，FCB容重隨浸水時間及浸水深度的增加而逐漸增加，但在28 d時可基本達到平衡，容重增加8%左右，若工程中強調浸水對其容重所帶來的影響時，需對FCB進行適當的防水處理。

(3)熱學性能

FCB因含有大量封閉氣泡從而具備良好的隔熱保溫效果，其導熱系數隨氣泡含有率的增加而減小，當氣泡含有率為體積的40%～70%時，其導熱系數為0.1～0.2 kcal/(m·h·℃)，具有良好的隔熱性，可作為隔熱保溫材料用于凍土地區道路基層凍脹翻漿的防治[9]。

由此可見，FCB在物理性能上具有輕質、容重可調節、滲透系數較低及隔熱保溫效果好等優點，各組分中氣泡含有率對各項物理性能的影響最為顯著。

2.3 力學性能

(1)強度特性

與容重的可調節原理相似，通過合理調整各組分的含有率，FCB無側限抗壓強度可在0.3～12 MPa間進行自由調節，抗拉強度約為抗壓強度的1/5，隨著水泥用量的增加，其無側限抗壓強度與抗拉強度均有不同程度的增長，但抗拉強度增長趨勢要逐漸緩于抗壓強度的增長；Tae-Hyung Kim 等[10]研究表明，在無側限壓縮條件下，FCB破壞形式以脆性破壞為主，在脆性破壞前，應力與應變呈現出較好的線彈性關系；趙全勝等[11]通過開展三軸試驗研究，明確了在復雜應力狀態下FCB的壓縮變形特征；陳忠平等[12]研究了FCB無側限抗壓強度qu與抗拉強度S1、抗折強度S2及劈裂強度S3之間的關系，并得到了以下關系式：

S1=[1/6～1/5]qu

S2=[1/3～1/2]qu

S3=[1/6～1/5]qu

(2)疲勞特性

疲勞特性表征了在長期重復荷載作用下材料應力-應變變化趨勢，決定了材料的疲勞壽命。本課題組研究了不同容重下FCB基本配合比的耐疲勞特性，試驗結果表明：當強度應力比在0.55以下時，105次反復荷載作用對其強度的影響可忽略；當強度應力比為0.75左右時，FCB可承受2000次左右反復荷載循環；在不同循環荷載作用下，FCB應力-應變關系曲線基本一致，殘留應變并未隨循環荷載次數的增加而顯著增加[13]。作為路基填筑材料，在一般工程中，FCB承受的動荷載與強度應力比通常小于0.3，具有足夠的承受能力抵抗長期交通荷載對其強度帶來的影響。

2.4 耐久性

耐久性反應了材料在工程應用中，在不同外界因素(通常為干濕循環、凍融循環及化學腐蝕等)的長期作用下，其力學性能的穩定性。

(1)干濕循環特性

FCB作為一種道路填筑材料，要求其在干濕循環條件下應具備良好的耐久性能。張怡偉等[14,15]研究表明FCB在干濕循環試驗初期抗壓強度降低大約10%～20%，變形模量降低30%左右，此后隨著循環次數的增加，試件強度與變形模量基本趨于穩定，同時，濕密度越大，強度降低幅度越小。

(2)凍融循環特性

FCB中因含有大量以獨立泡孔形式存在的氣泡，其凍融特性在一定程度上優于普通水泥固結土，在歷經10次凍融循環后，FCB強度雖有所降低但降幅不大，在第一周期強度下降較為明顯，此后逐步趨于平緩，試驗過程中，試塊表明未出現破壞現象，證明FCB抗凍融性能較好[16]，何國杰等[17]認為其凍融機理與水泥水化物、原料土以及氣泡等綜合因素影響有關，適宜的氣泡率或提高水泥摻量均可顯著提高FCB的抗凍融性能。

(3)耐腐蝕性

在FCB中，作為固化劑的水泥與原料土共同構成的空隙骨架提供了輕質土的強度，其耐酸、耐堿性能與普通混凝土相類似，在弱酸性條件下FCB強度變化不明顯，在pH值為4.0的酸性條件下強度有所降低，但降幅不大，在堿性條件下其強度基本不受影響，具有良好的耐腐蝕性能；章燦林等[23]通過SEM觀察研究了酸堿腐蝕對FCB微觀結構的影響，相對于堿腐蝕，酸性條件下輕質土氣泡破損程度更為嚴重，進一步從微觀的角度解釋并證明了酸堿腐蝕對FCB抗壓強度及吸水率的影響。

由此可見，FCB在不同外界因素影響條件下仍可保持良好的性能，其耐久性較好。其中，干濕循環初期對其性能影響較為明顯，在實際工程應用中應采取相關的防護措施；在凍融循環條件下，原材料及配比對其性能的影響較為顯著；酸堿腐蝕對其性能影響不明顯。

3 氣泡混合輕質土應用技術

FCB以其優良的物理力學性能、良好的施工性及綠色環保等特點，已逐漸在如下工程領域中得以應用。

(1)路基填筑及加寬

FCB固化后可自立，可進行垂直填土，且對擋土結構幾乎無側壓力，可簡化擋土結構，在一些地價昂貴、環境保護區可最大限度節約用地，降低工程整體造價，具有顯著的社會經濟效益。本項目組在內蒙古自治區包頭至五當召新建公路項目中，為減少征地、保護耕地及沿線自然環境，在k0+000～k12+721.261段采用FCB技術進行了施工應用，經工程實際檢測，與普通填土路基相比，FCB路基整體性好，強度高，28 d無側限抗壓強度普遍達到0.8 MPa以上，滿足強度設計要求；路基吸水率低，無明顯開裂，安全環保無毒無害；工序簡單，施工快捷，縮短了整體工程施工工期，具有良好的技術性能和經濟效果，現場施工過程及效果如圖2所示。

圖2 路基填筑Fig.2 Subgrade filling

圖3 路基加寬Fig.3 Subgrade widening

圖4 軟基橋頭跳車處理Fig.4 Treatment of bridge-head jumping at soft foundation

此外，FCB施工技術目前已在一些改擴建工程中得以成功應用，通過利用其輕質特性可大幅降低填土荷重，從而減少新老路基間差異沉降。20世紀90年代，日本在某高速公路的拓寬工程中首次使用FCB進行路基填筑后成功控制了新老路面的差異沉降，取得了良好的社會經濟效益[18]；我國在廣東京珠高速公路加寬工程中通過利用FCB固化后的自立性避免了拆遷及征地，降低了造價，工后沉降也得以有效控制[19]。路基加寬應用技術如圖3所示。

(2)軟基處理

目前，FCB技術在軟基換填特別是處理軟基橋頭跳車工程中得到了成功應用，通過利用FCB輕質特性進行路基填土換填，可大幅減輕路堤自重，降低軟基沉降，實現橋頭至路基的剛柔過渡，從根本上解決橋頭跳車問題，且可就地取材，充分利用工程廢土及淤泥作為原料土，環保性明顯。東京某沿海公路使用FCB作為橋臺臺背填料，成功緩解了橋頭跳車現象，工后表現出良好的穩定性[20]；浙江申嘉湖杭高速公路采用FCB置換軟基成功解決了預壓期末沉降速率偏大的問題[21]；瀏醴高速將FCB作為某高架橋橋臺臺背填筑材料后，經檢測表明，輕質土填筑的橋臺地基土體沉降量明顯小于普通填土橋臺地基沉降量，且FCB結構對橋臺基本無推擠[22]。FCB處理軟基橋頭跳車應用技術如圖4所示。

(3)特殊地帶路堤填筑

采用FCB在滑坡、陡峭等特殊地帶進行路堤填筑，可有效降低填土荷重，提高路堤的抗滑穩定性，對側面無壓力可簡化擋土結構，且施工過程中無需大填大挖，可減少對原有地形地貌的破壞[23]。四川省雅安經石棉至瀘沽高速公路C26合同段采用FCB對滑坡路段進行路堤回填，通過與原路堤擋墻方案對比，表明FCB技術能有效提高路基的抗滑穩定性，簡化支擋結構，且節約了工程造價[24]?；碌囟螒眉夹g如圖5所示。

圖5 滑坡路段路基填筑Fig.5 Subgrade filling at landslide section

圖6 隧道入口填筑Fig.6 Filling at tunnel entrance

(4)地鐵隧道減荷

通過利用FCB輕質，穩定等優點，在地鐵隧道入口構筑人造山，可較好的解決偏土壓力對隧道坑口的影響，防止坑口山體坍塌，減少隧道入口處環境的破壞，對于施工的安全及環境的保護存在積極意義。廣州某地鐵工程通過采用FCB對地鐵重疊區進行處理，成功減荷，檢測結果表明：FCB固化成型后，其容重和強度均滿足設計要求[25]。FCB隧道入口填筑應用技術如圖6所示。

(5)回填灌漿

FCB因自流平、自硬化、不需振搗及碾壓及不需養生等優點在地下空洞、巖溶地區及管道等回填工程中逐漸得以應用。由于FCB具有一定的強度，采用其對大溶洞地區進行填充時可取消樁基工程從而降低施工難度，容重小可解決地基承載力不足的問題，且回填速度快、充實度高，可極大提高工程施工效率及質量。金川F17采場地下充填工程現場實踐表明，FCB充填體具有流動性好、充填質量高、綜合成本較低等優點，不僅提高了充填體的力學參數，還能夠實現較高的充填接頂率[26]。圖7、圖8為FCB在回填工程中的應用實例。

圖7 管線回填[27]Fig.7 Pipeline backfilling[27]

圖8 空洞回填[27]Fig.8 Cavity backfilling[27]

(6)凍土地區隔熱保溫

隨著對FCB技術的研究逐漸增加，FCB得以應用于更多的工程領域，如我國在北方某寒區公路中利用FCB作為隔熱保溫層以防凍脹翻漿，通過跟蹤觀測后初步證明，其在凍土區的隔熱保溫效果較為明顯，可較好地防止路基季節性凍脹及永久凍土地基的融沉[28]。

由此可見，FCB輕質、自立、穩定、流動性好及施工便捷等優點為解決加寬工程中新老路基間差異沉降、軟基橋頭跳車及高填土路堤的穩定性等工程難題提供了一種較好的技術手段，其發展前景將更為廣闊。

4 不同輕質填土材料對比及分析

當前應用較為廣泛的公路路基輕質填土材料主要包括EPS塊體、EPS顆?；旌陷p質土以及FCB，現就三種材料特點進行對比，分析不同類型輕質填土材料在公路工程中的實用性，并提出在現有施工技術下的最佳輕質填土材料類型。

表1 不同輕質填土材料比較表Tab.1 Comparison of different light filling materials

從表1可以看出，3類輕質填土材料皆因容重小從而可大幅降低填土荷重，其自立性減小了對相鄰結構的側向壓力，并在施工以及對環境的保護方面皆起到了一定的積極作用。其中，EPS塊體由于造價過高、耐久性及抵抗浮力能力較差等明顯缺點的存在，不適宜作進一步推廣。EPS顆粒混合輕質土充分利用了EPS材料的輕質性和變形特性，并在一定程度上提高了路堤的穩定性和抵抗浮力的能力，且通過利用工程廢棄土使環保功能得以進一步體現，并可降低工程造價。與EPS材料相比較，FCB容重及強度可調整范圍大，能夠更好地適應各種工程實際需求，施工質量較EPS材料更易控制，作為一種水泥類路基填筑材料，與高分子材料相比，其耐熱及抗油污能力強，并具有與水泥材料同等的耐久性，后期養護維護費用相對較低，且施工周期短、工程質量高，具有廣闊的應用前景。綜上所述，FCB限制因素較小，適合深入研究及推廣應用。

5 存在問題及展望

從實際工程應用來看，FCB具有工期短、適用性廣、施工方便及可較好的解決工后沉降等優點，但目前其核心應用技術仍存在一定的瓶頸，主要表現在：

(1)理論體系未形成系統

目前，FCB各組分的配比需進行大量實驗才能最終確定，期間耗費大量時間及物力；各項性能測試方法未形成系統；沒有完善的施工規范進行統一指導。

(2)施工過程中存在的問題

制備技術尚不成熟，成套施工設備欠缺；大量使用水泥不利于環保，且水泥用量偏大導致水化熱偏高，使得硬化FCB表面及內部裂縫增加，影響工程整體質量及使用壽命。

針對FCB存在的問題，從以下方面進行了展望：

(1)成套設計及測試技術的完善

目前FCB技術尚不成熟，可通過進一步探尋成套設計方法，完善各項性能測試技術并建立相應的評價指標體系，構建強度、疲勞特性及使用壽命等方面的預估模型，為FCB的進一步推廣應用提供理論支持。

(2)低成本環保型氣泡混合輕質土的研究

水泥用量直接影響FCB的綜合成本，可在FCB的膠凝材料部分采用高活性礦物摻合料取代部分水泥，并采用高效減水劑及活性激發劑等進行綜合改性，以達到降低水化熱、節能環保及降低造價的目的。

6 結 語

(1)介紹了FCB的制備工藝流程、物理力學性能及耐久性，從路基填筑加寬、軟基處理、地鐵隧道減荷、特殊地段路基填筑、回填灌漿及凍土地區隔熱保溫6個方面概述了FCB在公路工程中的應用關鍵技術;

(2)通過與不同輕質填土材料的對比，分析得出FCB限制因素較小，綜合成本較低且環保性較好，適合深入研究及推廣應用;

(3)從理論及施工兩方面提出了FCB技術目前存在的問題，并對其未來研究及發展方向進行了展望。

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Foamed Cement Banking and Its Utilization in Highway Engineering

GAOYing-li,XIAOMin-qiang,GUANHong-xin

(School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114,China)

The preparation process of foamed cement banking was introduced. Achievements in the study of the basic physical properties, mechanical properties and durability of foamed cement banking, both at home and abroad, were reviewed. The key application technology of highway engineering was described based on 6 aspects which conclude subgrade filling and widening, treatment of soft foundation, load relief of the tunnels, subgrade filling in special section, backfilling grouting and heat-insulation in frozen earth area. Then, the application advantage of foamed cement banking was analyzed by comparing with EPS block and EPS beads-mixed lightweight soil. At last, the main problems in the theory and construction, and the future development trends and research directions of foamed cement banking were put forward.

foamed cement banking;highway engineering;physical property;mechanical property;durability

湖南省自然科學基金(13JJ3070)；內蒙古自治區交通運輸廳建設科技項目(NJ-2015-35)聯合資助

高英力(1977-)，男，教授，博士.主要從事新型建筑材料的開發及應用研究.

U414

A

1001-1625(2016)08-2432-07