孫敏娟

（承德高等級(jí)公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

新型泡沫輕質(zhì)混凝土材料的應(yīng)用對(duì)于高速公路工程而言，不僅可有效解決傳統(tǒng)路基拓寬工程中常見的橫向不均勻沉降問題，還避免了路基的縱向開裂。相較于傳統(tǒng)混凝土，新型泡沫輕質(zhì)混凝土自身重量較輕、強(qiáng)度良好，同時(shí)具有一定的流動(dòng)性，在各種條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定特性，外界環(huán)境因素對(duì)其產(chǎn)生的影響也較小，故而在建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用日趨廣泛。

1 高速公路路基病害機(jī)理

結(jié)合我國(guó)高速公路路基現(xiàn)狀分析，除去排水、既有路面結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致的病害問題外，最常見的路基病害主要表現(xiàn)為橫向不均勻沉降和縱向開裂兩種。

（1）當(dāng)?shù)鼗斆嬖跈M向上的附加應(yīng)力分布不均勻時(shí)，將引起路基路面橫向不均勻沉降。通常拓寬路基和原有路基之間型芯處周圍的沉降值相對(duì)較大，并朝向路基頂部發(fā)展。如果路面底基層所使用的板體質(zhì)量較好，還會(huì)導(dǎo)致路基頂部發(fā)生局部脫空現(xiàn)象，繼而改變路面結(jié)構(gòu)的受力特性。差異沉降發(fā)展到路面表面時(shí)，表現(xiàn)出典型的縱向條帶狀沉陷。

（2）縱向裂縫問題主要是在地基差異沉降作用下，路基不同位置的受拉程度存在差異，頂部拉應(yīng)力增幅較大，導(dǎo)致拼接處出現(xiàn)縱向拉縫，并使得拉應(yīng)力重新分布。受此影響，縱向裂縫的底端穩(wěn)定性降低，而隨著差異沉降不斷增加，導(dǎo)致裂縫不斷縱深發(fā)展。與此同時(shí)，路基拼接部位基層底部是拉力相對(duì)較為集中的區(qū)域，當(dāng)路基底部出現(xiàn)裂縫后會(huì)導(dǎo)致裂縫快速蔓延，并最終體現(xiàn)到地表，形成路面裂縫?？梢哉f，路基出現(xiàn)縱向裂縫，關(guān)鍵問題在于差異沉降難以消除，導(dǎo)致路基穩(wěn)定性不斷削弱，影響道路荷載能力，最終形成路面縱縫。一旦出現(xiàn)縱向裂縫，一方面將降低路面結(jié)構(gòu)協(xié)同受力能力，另一方面在降雨環(huán)境下也很容易導(dǎo)致雨水流入道路內(nèi)部，產(chǎn)生更加嚴(yán)重的病害問題。

2 新型泡沫輕質(zhì)混凝土性能分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為測(cè)試新型泡沫輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度，將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為表征參數(shù)。JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定了新型泡沫輕質(zhì)混凝土材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如表1所示。

表1 材料有關(guān)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度參數(shù)

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度的變化曲線

根據(jù)研究，新型泡沫輕質(zhì)混凝土指標(biāo)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與濕密度之間存在一定函數(shù)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，隨著濕密度增加，新型泡沫輕質(zhì)混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之增加。從某種意義上來說，濕密度增加的過程也就是水泥用量提升的過程。這一過程中，泡沫結(jié)構(gòu)所占比例逐漸降低，氣泡留存空間也逐漸下降，同時(shí)孔徑之間平均間距受擠壓而逐漸降低，不同空隙之間的貫通結(jié)構(gòu)也在逐漸減小，最終體現(xiàn)為材料強(qiáng)度的提升。

由圖1可知，新型泡沫輕質(zhì)混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在濕密度維持在500kg/m3～1000kg/m3范圍內(nèi)時(shí)始終高于1MPa，這也是表1要求的數(shù)值，因而實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)確保新型泡沫輕質(zhì)混凝土實(shí)密度大于500kg/m3。

2.2 壓縮特性

新型泡沫輕質(zhì)混凝土的曲線模型可劃分為4個(gè)階段，壓縮曲線模型如圖2所示。

圖2 材料的壓縮曲線分布

（1）圖中oa段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土調(diào)整階段，這一階段也是試樣自身缺陷的體現(xiàn)，發(fā)生原因在于澆筑過程中模具表面涂層導(dǎo)致的試樣表面脆弱問題。壓縮實(shí)驗(yàn)過程中，隨著壓縮位移不斷增大，試驗(yàn)材料內(nèi)部空隙逐漸壓實(shí)，應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力隨之緩慢增加。

（2）圖中ab段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土彈性階段。這一階段中，試樣所受應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾佣霈F(xiàn)線性增長(zhǎng)，試樣承擔(dān)所受到的全部外力影響，并表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力變化特征。

（3）圖中bc段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土脆性階段，這一階段中，裂紋在材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸蔓延，且存在新裂縫生成與聚集現(xiàn)象，試樣應(yīng)力在應(yīng)變快速增加的同時(shí)出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，相較于彈性階段而言，這一階段混凝土的彈性模量有所下降。

（4）圖中cf段為新型泡沫輕質(zhì)混凝土震蕩屈服階段，cd段和de段稱為新型泡沫輕質(zhì)混凝土點(diǎn)屈服階段。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定幅度后，試樣表層的部分孔壁結(jié)構(gòu)被破壞，因而其他孔壁就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，壓垮周圍孔壁的同時(shí)，會(huì)隨著應(yīng)變進(jìn)一步增加，應(yīng)力降幅略有下降。當(dāng)破碎部分被應(yīng)變壓實(shí)后，應(yīng)力會(huì)隨應(yīng)變擴(kuò)大而略微增大，且最大值小于峰值。接著，和已被壓實(shí)孔隙之間直接接觸的部位也會(huì)重復(fù)這一過程，并在曲線中表現(xiàn)為相同循環(huán)。cd段發(fā)生原因是由于斷裂承載力低于試樣應(yīng)力，造成脆性斷裂，同時(shí)隨著應(yīng)變進(jìn)一步增加，應(yīng)力會(huì)快速下降，破壞部位的裂縫和軸線之間夾角約在45°。de段發(fā)生原因在于試樣的整體性已經(jīng)受到破壞，試樣斷裂后的幾個(gè)部分共同承擔(dān)荷載，而隨著壓縮位移的進(jìn)一步增加，在幾個(gè)斷裂部分中生成次縫隙，會(huì)加劇試樣材料的破壞，故繼續(xù)增大應(yīng)變，出現(xiàn)應(yīng)力加速衰退的變化。

從圖1數(shù)據(jù)來看，新型泡沫輕質(zhì)混凝土在不同濕密度下所處狀態(tài)也不同，濕密度在400kg/m3附近時(shí)為震蕩屈服，而點(diǎn)屈服狀態(tài)一般體現(xiàn)為濕密度介于700kg/m3～1000kg/m3。當(dāng)濕密度繼續(xù)增大時(shí)，cd段變化趨勢(shì)表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)。

2.3 彈性模量

彈性模量能直觀反映出試樣受到應(yīng)力和發(fā)生應(yīng)變之間的關(guān)系，是表征新型泡沫輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，能夠以此為基礎(chǔ)對(duì)其結(jié)構(gòu)開展數(shù)值化分析。新型泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度在600kg/m3～1000kg/m3之間時(shí)彈性模量增長(zhǎng)迅速，而濕密度在500kg/m3～600kg/m3時(shí)彈性模量增長(zhǎng)速度較慢，一旦試樣濕密度大于1000kg/m3時(shí)，彈性模量增長(zhǎng)速度會(huì)再次降低。對(duì)于屈服階段，由于新型泡沫輕質(zhì)混凝土濕密度增加，原本氣孔受到的作用力將轉(zhuǎn)向試樣骨架；若濕密度降低，則試樣孔徑和氣孔含量都會(huì)有所增加。

3 新型泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 卸荷減載

相較常規(guī)混凝土，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)特性，在高速公路路基拓寬工程中能有效降低附加應(yīng)力。假設(shè)路基排水條件相同，則隨著附加應(yīng)力提升，固結(jié)沉降所用時(shí)間及超孔隙水壓力消耗所用時(shí)間都會(huì)快速增加。除此之外，由于能夠降低超孔隙水壓力，故在高速公路路基拓寬工程中采用新型泡沫輕質(zhì)混凝土，能夠有效提高填筑高度，節(jié)省固結(jié)沉降耗時(shí)，加快施工速度。

3.2 減少對(duì)橋臺(tái)的干擾

固化施工完成后，新型泡沫輕質(zhì)混凝土具備自立性，不會(huì)對(duì)周圍擋墻或橋臺(tái)等產(chǎn)生干擾，有利于實(shí)現(xiàn)橋臺(tái)穩(wěn)定控制。除此之外，新型泡沫輕質(zhì)混凝土相較于常規(guī)土體填料能對(duì)側(cè)向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的作用效果：常規(guī)土體不具有固化自立性，因而在填筑高度提升過程中會(huì)對(duì)周圍的側(cè)向結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生近似線性的土壓增加影響，這一壓力可通過朗肯或庫(kù)倫理論計(jì)算。但新型泡沫輕質(zhì)混凝土具有良好的固化自立性，因而即使提高填筑高度，也不會(huì)對(duì)側(cè)向結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生明顯壓力影響。

3.3 加快進(jìn)度

在填筑施工過程中，通常會(huì)通過控制填料壓密沉降變形來確保填料壓實(shí)程度達(dá)到預(yù)期。相較一般公路工程而言，高速公路工程對(duì)于路基沉降的要求更加嚴(yán)格，須確保路基填料壓實(shí)度充分滿足工程需求。在傳統(tǒng)施工過程中，完成碾壓施工后還須對(duì)路基長(zhǎng)時(shí)間靜置確保路基壓實(shí)度，這也導(dǎo)致施工周期相對(duì)較長(zhǎng)。而應(yīng)用新型泡沫輕質(zhì)混凝土施工，材料壓密沉降較小、變形模量較高，碾壓后無須長(zhǎng)時(shí)間靜置，強(qiáng)度形成后即可直接開展下一步施工，能有效加快工程進(jìn)度。

4 新型泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用于高速公路路基拓寬中的施工工藝

在實(shí)際操作中，將新型泡沫輕質(zhì)混凝土應(yīng)用于高速公路路基拓寬時(shí)，采取的施工工藝和常規(guī)施工并無太大差異，具體施工流程展示如圖3所示。

圖3 新型泡沫輕質(zhì)混凝土施工工藝流程

4.1 澆筑施工

（1）相較常規(guī)混凝土，新型泡沫輕質(zhì)混凝土通常具有較多氣泡，如果應(yīng)用罐車等方式運(yùn)輸，氣泡消解量較大，會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生明顯的振動(dòng)影響，導(dǎo)致材料流動(dòng)性變差，須采用輸送泵運(yùn)輸材料。為了確保材料穩(wěn)定性，一次性輸送距離應(yīng)當(dāng)維持在500m以內(nèi)，否則應(yīng)設(shè)置中繼泵。

（2）澆筑新型泡沫輕質(zhì)混凝土?xí)r須控制分層，確保每一層的厚度不高于1m，否則會(huì)因自重產(chǎn)生氣泡壓縮乃至消泡問題。

（3）劃分澆筑區(qū)域時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)確保每個(gè)澆筑區(qū)域配備的設(shè)備與工作量相匹配，避免因澆筑時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致水泥漿初凝時(shí)間長(zhǎng)于澆筑時(shí)間。劃分澆筑區(qū)域時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮新型泡沫輕質(zhì)混凝土的收縮裂縫、沉降縫位置。澆筑層、澆筑區(qū)和設(shè)備產(chǎn)能之間的關(guān)系應(yīng)當(dāng)滿足A×h＜W×t。其中，A—分區(qū)面積（m2）；h—分層高度（m）；t—混凝土初凝時(shí)間（h）；W—新型泡沫輕質(zhì)混凝土設(shè)備產(chǎn)量（m3/h）。

（4）由于流動(dòng)性較好，澆筑新型泡沫輕質(zhì)混凝土?xí)r須通過模板或者保護(hù)壁等方式分區(qū)處理，同時(shí)封堵模板，避免混凝土溢出，模板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)符合工程需求，避免可能出現(xiàn)的模板變形等問題。

（5）為盡量減少材料離析和消泡問題的發(fā)生概率，通常需要將出料口埋入新型泡沫輕質(zhì)混凝土當(dāng)中，并在軟管出口前端直接澆筑，如果工程需要溜槽澆筑，還須確保澆筑面和出料口之間的距離在0.5m以內(nèi)。

4.2 養(yǎng)護(hù)措施

后期養(yǎng)護(hù)效果對(duì)于保證新型泡沫輕質(zhì)混凝土的路用性能具有重要影響。

（1）覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)。新型泡沫輕質(zhì)混凝土澆筑后3h～12h之間，選擇鋸末、草簾等覆蓋工作區(qū)域，同時(shí)澆水來保持材料濕潤(rùn)。

（2）塑料薄膜養(yǎng)護(hù)。應(yīng)用塑料薄膜將材料和空氣之間形成隔離，避免材料水分蒸發(fā)。由于塑料薄膜養(yǎng)護(hù)散熱效果較差、無法有效保溫，實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫問題，因此當(dāng)氣候條件較差時(shí)，須采取隔熱或防凍措施。

5 結(jié)束語

通過實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，新型泡沫輕質(zhì)混凝土相較傳統(tǒng)混凝土而言具有更高的強(qiáng)度性能，同時(shí)具有良好的壓實(shí)度和底部抗滑穩(wěn)定安全性。但施工時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減少新型泡沫輕質(zhì)混凝土在空氣中直接暴露的情形，應(yīng)用在公路工程時(shí)還應(yīng)做好防護(hù)與排水措施。