气泡混合轻质土在道路中的运用
发布时间：2011-03-17 11:44:17更新时间：2011-03-17 11:44:17
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摘要：气泡混合轻质土容重比一般土小很多，强度可达到甚至超过良好的土体，强度和容重可按需要自由调整，具有良好的力学特性、隔热、隔音性能，用来解决道路桥头跳车、高路堤失稳，新旧路基沉降等问题，气泡混合轻质土是一种值得推广的好材料。
关键词：气泡混合轻质土，特性，设计，运用，质量控制
1气泡混合轻质土的概念
气泡混合轻质土是按照一定的比例在原料土中，添加固化剂、水和气泡，经过充分混合、搅拌后所形成的轻型填土材料；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被推广的土建新材料。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（如EPS）等。最早是使用粉煤灰、矿渣等材料制作轻质土。
1972年挪威率先在公路填土中使用了泡沫塑料块体（即EPS），此后EPS在路堤填筑中得到了较为广泛的应用；1980年代，日本又相继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；最近，广东冠粤路桥有限公司率先在国内开展了气泡混合轻质土（即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填土材料）的研究，取得了较好的效果。
2气泡混合轻质土的特性及优点
气泡混合轻质土容重比一般土小很多，强度可达到甚至超过良好的土体，强度和容重可按需要自由调整，具有良好的力学特性、隔热、隔音性能及便于施工等特性，气泡混合轻质土用于工程建设上，主要有以下优点：
2.1轻质性
气泡混合轻质土内均匀分布着大量的独立闭合胶质气泡，气泡膜是一种具有较强韧性的物质，气泡之间互不通水，从而使材料的容重比常规土小得多，根据工程的需要，通过调整产品中的气泡、固化剂及土的含有率，气泡混合轻质土的容重可在5~12KN/m3的范围内自由调整。
2.2强度的可调节性
与容重的可调节原理一样，通过改变轻质土中各种成分的比例，其强度可在0.3MPa~5MPa的范围内调整。
2.3高流动性
气泡混合轻质土具有良好的流动性，可通过泵送，其最大输送距离可达500m，如果通过中继泵，还可输送更远的距离，最大泵送高度可达30m。
2.4固化后的自立性
气泡混合轻质土由于使用水泥作为固化剂，通常在浇筑4h后就会开始固化自立，固化后对挡土结构几乎没有推挤力，因而可以进行垂直填筑。
2.5良好的施工性
气泡混合轻质土由于具有良好的流动性和固化后的自立性，且浇筑时不需要振捣和碾压作业，可进行远距离或在窄小空间内施工。此外，气泡混合轻质土混有大量的气泡群，成品的体积可达到原材料体积的3倍以上，提高了施工材料的运送效率。
2.6耐久性
气泡混合轻质土属于水泥内材料，与高分子材料相比，其耐久性、耐热及抗油污能力强，具有水泥混凝土材料同等的耐久性。
2.7良好的隔热、隔音效果及抗冻融性能
气泡混合轻质土含有大量的气泡，其气泡体积含有率可达40%~70%，导热系数小，具有良好的隔热、隔音效果及抗冻融性能。
3气泡混合轻质填土工程案例
笔者参与了广州市广深珠高速公路广州段广氮互通立交扩建工程的设计。广深高速广氮互通立交位于广州市的东北部，于2003年底完工，是广深高速公路与东环高速公路交叉的枢纽互通立交，近年来随着交通量的快速增长，广氮立交跨线桥道路服务水平明显降低，经常出现堵车现象，严重制约了广州往深圳方向的交通。为了适应交通量的增长，广深珠公司决定对其进行扩建。
其中A匝道K0+480~600路段，由于路基与原地面之间的高差较高，最高处可达7.0m以上，且用地受限制，为避免拆迁，我们曾经考虑了设置挡土墙方案。但此处由于旧边坡坡底已设置挡土墙，若采用悬臂式挡土墙，则需开挖基础，破坏旧挡土墙，可能造成边坡的失稳，引起旧路路面裂缝的产生；若采用重力式挡土墙，因挡土墙基础底要求承载力大于200Kpa，本处地基地质不太好，若不处理地基的话，最大承载力只能在90Kpa以下；即使进行地基处理，也无法达到重力式挡土墙要求的承载力。因为经过权衡，我们决定在K0+480~K0+600路段采用气泡轻质土路基，不需要增加用地，也可以不必进行软基处理。
3.1开挖设计
一般沿着旧路的土路肩的边缘按1：1的坡度开挖，若开挖的坡脚线在旧路基的坡脚外，则需将开挖的宽度增大，需挖除旧路面的混凝土路面及路面基层和底基层。具体见路基横断面图。
路基横断面图
3.2气泡混合轻质土设计
气泡混合轻质土方案分为主体部分和辅助部分。
（1）、主体部分设计主要为气泡轻质填土设计：
1）容重设计：路槽底以下80cm范围内为6.5kN/m3，其余区域为6kN/m3；
2）无侧限抗压强度设计：路槽底以下80cm范围内为0.8Mpa，其余区域为0.6Mpa；
3）空气量设计：路槽底以下80cm范围内为60%，其余区域为65%。
（2）、辅助部分设计：为更好地保证气泡混合轻质填土耐久、美观、安全，需要增加辅助部分。具体设计方案如下：
1）内部防水设计：气泡混合轻质填土顶、底部均用防渗土工布包裹。
2）气泡混合轻质填土补强设计：为加强气泡混合轻质土的稳定性，在路基开挖线处、路基顶部等应力集中的部位分别设计了1层和2层钢筋网。
3）气泡混合轻质填土侧面采用水泥面板防护，面板为预制板，由角钢进行加固。
4）每隔一定间距在气泡混合轻质土中全断面设置一道沉降缝，缝宽1cm，用沥青板材填塞满。
4气泡混合轻质土的施工
4.1气泡混合轻质填土浇筑
整个填筑体水平分层进行浇筑，每层浇筑的间隔时间至少一天。气泡混合轻质土采用软管泵送。浇注时保持出料口埋入气泡混合轻质土中，尽量避免消泡和离析现象产生。
4.2纵横破调整
因气泡混合轻质土流动性大，浇注过程中无法事先路面坡度的要求，需待浇注完成后并达到一点的强度后用底基层材料进行纵向和横向坡度的调整。
4.3养护
气泡混合轻质土浇筑完成后，为了防止由于急速干燥而产生裂缝，固化后需要加盖麻袋等进行保护。此外，如果施工中下雨，对固化前的气泡混合轻质土要进行遮盖，避免雨淋。对于大体积气泡混合轻质土，应注意加强过程养护，确保不因养护不够导致裂缝产生。
5气泡混合轻质土施工质量管理
5.1检测要求
对于检测要求，国内暂无规范作出规定。本工程给出气泡混合轻质土品质要求参考值，见下表：
气泡混合轻质土品质要求
5.2质量管理及检验方法：
5.2.1原材料的质量控制
原材料的质量是气泡混合轻质土质量好坏的关键，所以要严格控制气泡混合轻质土中原料土、固化剂、水、起泡剂的质量。
①砂质土的质量管理
气泡混合轻质土的质量受砂质土的含水比和细粒成分含有率等的影响。特别是采用当地的原料土时，其含水比和细粒成分含有率变化较大，因此需要根据有关规定进行试验测定，调整配合比或变更材料。
砂质土的检测项目及频度可参照下表。
砂质土的质量管理
原料土的粒径不得大于5mm，不符合要求时要进行加工、筛分处理。采用海沙时，其盐化物的含量不得大于0.04%。
②固化剂
主要是水泥和必要的添加剂，究竟采用哪种水泥最好，据经验介绍是高炉矿渣水泥最好，但最后的选择还得因地制宜，无论采用哪种水泥都要严格检查其质量，能否达到所要求的等级、不过期、不受潮等。
③水
可采用一般工程用水，参照普通水泥混凝土用水标准。不能采用对气泡混合轻质土的强度和耐久性有不良影响的含有垃圾和油污的水。
④起泡剂：
起泡剂是气泡混合轻质土技术的关键，无论采用界面活性类、蛋白类或树脂类中的哪一种，但都得保证发泡的质量，即气泡在气泡混合轻质土中分布要均匀、具有稳定性，能确保气泡在气泡混合轻质土的轻质性和流动性。
5.2.2搅拌工程的质量管理
和混凝土一样，气泡混合轻质土在搅拌时的质量管理要求最高。因为在搅拌时的质量管理中要确保气泡混合轻质土的流动性和轻量性，所以要投料要准确，必须按照湿润密度、空气量、流动值的标准进行控制。
5.2.3固化后的质量管理
气泡混合轻质土固化后的质量管理，一般是要确认无侧限抗压强度是否达到规定强度。但因为该土的无侧限抗压试验结果需要28d后才能得到，要确认其强度并不简单。因此，平常的质量管理中，一般多用控制湿润密度和空气含量的方法进行。但最终强度的确定还是有必要的。
气泡混合轻质土的设计是按28d无侧限抗压强度qu28进行，但因为：有必要在现场确认早期强度；多数工程从施工开始28日后已经完工。所以在气泡混合轻质土固化后质量管理上，最好能得到龄期7d的无侧限抗压强度qu7，然后根据7d的无侧限抗压强度与28d的强度的线性关系判断28d强度。因此在日常的质量管理中，可确认7d龄期是否达到目标无侧限抗压强度。
5.2.4成品管理
成品管理是指检验成品的质量、形状，另外确认施工数量等。
6小结
气泡混合轻质土的轻质性、良好的施工性及良好的力学特性，使得在道路加宽、桥台台背回填等领域得到越来越广泛的利用。
参考：
1、《气泡混合轻质填土新技术》陈忠平、王树林、邓江编著，人民交通出版社，2004年10月第1版
2、《轻质土的关键技术开发及其施工工艺的研究》，陈忠平等，[交通部联合攻关重点课题]，2003
3.《气泡混合轻质土的关键技术开发及其在高等级公路上的应用》，陈忠平等，[广东省科技厅科研课题立项报告]，2003
关键词：气泡混合轻质土，特性，设计，运用，质量控制
1气泡混合轻质土的概念
气泡混合轻质土是按照一定的比例在原料土中，添加固化剂、水和气泡，经过充分混合、搅拌后所形成的轻型填土材料；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被推广的土建新材料。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（如EPS）等。最早是使用粉煤灰、矿渣等材料制作轻质土。
1972年挪威率先在公路填土中使用了泡沫塑料块体（即EPS），此后EPS在路堤填筑中得到了较为广泛的应用；1980年代，日本又相继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；最近，广东冠粤路桥有限公司率先在国内开展了气泡混合轻质土（即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填土材料）的研究，取得了较好的效果。
2气泡混合轻质土的特性及优点
气泡混合轻质土容重比一般土小很多，强度可达到甚至超过良好的土体，强度和容重可按需要自由调整，具有良好的力学特性、隔热、隔音性能及便于施工等特性，气泡混合轻质土用于工程建设上，主要有以下优点：
2.1轻质性
气泡混合轻质土内均匀分布着大量的独立闭合胶质气泡，气泡膜是一种具有较强韧性的物质，气泡之间互不通水，从而使材料的容重比常规土小得多，根据工程的需要，通过调整产品中的气泡、固化剂及土的含有率，气泡混合轻质土的容重可在5~12KN/m3的范围内自由调整。
2.2强度的可调节性
与容重的可调节原理一样，通过改变轻质土中各种成分的比例，其强度可在0.3MPa~5MPa的范围内调整。
2.3高流动性
气泡混合轻质土具有良好的流动性，可通过泵送，其最大输送距离可达500m，如果通过中继泵，还可输送更远的距离，最大泵送高度可达30m。
2.4固化后的自立性
气泡混合轻质土由于使用水泥作为固化剂，通常在浇筑4h后就会开始固化自立，固化后对挡土结构几乎没有推挤力，因而可以进行垂直填筑。
2.5良好的施工性
气泡混合轻质土由于具有良好的流动性和固化后的自立性，且浇筑时不需要振捣和碾压作业，可进行远距离或在窄小空间内施工。此外，气泡混合轻质土混有大量的气泡群，成品的体积可达到原材料体积的3倍以上，提高了施工材料的运送效率。
2.6耐久性
气泡混合轻质土属于水泥内材料，与高分子材料相比，其耐久性、耐热及抗油污能力强，具有水泥混凝土材料同等的耐久性。
2.7良好的隔热、隔音效果及抗冻融性能
气泡混合轻质土含有大量的气泡，其气泡体积含有率可达40%~70%，导热系数小，具有良好的隔热、隔音效果及抗冻融性能。
3气泡混合轻质填土工程案例
笔者参与了广州市广深珠高速公路广州段广氮互通立交扩建工程的设计。广深高速广氮互通立交位于广州市的东北部，于2003年底完工，是广深高速公路与东环高速公路交叉的枢纽互通立交，近年来随着交通量的快速增长，广氮立交跨线桥道路服务水平明显降低，经常出现堵车现象，严重制约了广州往深圳方向的交通。为了适应交通量的增长，广深珠公司决定对其进行扩建。
其中A匝道K0+480~600路段，由于路基与原地面之间的高差较高，最高处可达7.0m以上，且用地受限制，为避免拆迁，我们曾经考虑了设置挡土墙方案。但此处由于旧边坡坡底已设置挡土墙，若采用悬臂式挡土墙，则需开挖基础，破坏旧挡土墙，可能造成边坡的失稳，引起旧路路面裂缝的产生；若采用重力式挡土墙，因挡土墙基础底要求承载力大于200Kpa，本处地基地质不太好，若不处理地基的话，最大承载力只能在90Kpa以下；即使进行地基处理，也无法达到重力式挡土墙要求的承载力。因为经过权衡，我们决定在K0+480~K0+600路段采用气泡轻质土路基，不需要增加用地，也可以不必进行软基处理。
3.1开挖设计
一般沿着旧路的土路肩的边缘按1：1的坡度开挖，若开挖的坡脚线在旧路基的坡脚外，则需将开挖的宽度增大，需挖除旧路面的混凝土路面及路面基层和底基层。具体见路基横断面图。
路基横断面图
3.2气泡混合轻质土设计
气泡混合轻质土方案分为主体部分和辅助部分。
（1）、主体部分设计主要为气泡轻质填土设计：
1）容重设计：路槽底以下80cm范围内为6.5kN/m3，其余区域为6kN/m3；
2）无侧限抗压强度设计：路槽底以下80cm范围内为0.8Mpa，其余区域为0.6Mpa；
3）空气量设计：路槽底以下80cm范围内为60%，其余区域为65%。
（2）、辅助部分设计：为更好地保证气泡混合轻质填土耐久、美观、安全，需要增加辅助部分。具体设计方案如下：
1）内部防水设计：气泡混合轻质填土顶、底部均用防渗土工布包裹。
2）气泡混合轻质填土补强设计：为加强气泡混合轻质土的稳定性，在路基开挖线处、路基顶部等应力集中的部位分别设计了1层和2层钢筋网。
3）气泡混合轻质填土侧面采用水泥面板防护，面板为预制板，由角钢进行加固。
4）每隔一定间距在气泡混合轻质土中全断面设置一道沉降缝，缝宽1cm，用沥青板材填塞满。
4气泡混合轻质土的施工
4.1气泡混合轻质填土浇筑
整个填筑体水平分层进行浇筑，每层浇筑的间隔时间至少一天。气泡混合轻质土采用软管泵送。浇注时保持出料口埋入气泡混合轻质土中，尽量避免消泡和离析现象产生。
4.2纵横破调整
因气泡混合轻质土流动性大，浇注过程中无法事先路面坡度的要求，需待浇注完成后并达到一点的强度后用底基层材料进行纵向和横向坡度的调整。
4.3养护
气泡混合轻质土浇筑完成后，为了防止由于急速干燥而产生裂缝，固化后需要加盖麻袋等进行保护。此外，如果施工中下雨，对固化前的气泡混合轻质土要进行遮盖，避免雨淋。对于大体积气泡混合轻质土，应注意加强过程养护，确保不因养护不够导致裂缝产生。
5气泡混合轻质土施工质量管理
5.1检测要求
对于检测要求，国内暂无规范作出规定。本工程给出气泡混合轻质土品质要求参考值，见下表：
气泡混合轻质土品质要求
5.2质量管理及检验方法：
5.2.1原材料的质量控制
原材料的质量是气泡混合轻质土质量好坏的关键，所以要严格控制气泡混合轻质土中原料土、固化剂、水、起泡剂的质量。
①砂质土的质量管理
气泡混合轻质土的质量受砂质土的含水比和细粒成分含有率等的影响。特别是采用当地的原料土时，其含水比和细粒成分含有率变化较大，因此需要根据有关规定进行试验测定，调整配合比或变更材料。
砂质土的检测项目及频度可参照下表。
砂质土的质量管理
原料土的粒径不得大于5mm，不符合要求时要进行加工、筛分处理。采用海沙时，其盐化物的含量不得大于0.04%。②固化剂
主要是水泥和必要的添加剂，究竟采用哪种水泥最好，据经验介绍是高炉矿渣水泥最好，但最后的选择还得因地制宜，无论采用哪种水泥都要严格检查其质量，能否达到所要求的等级、不过期、不受潮等。
③水
可采用一般工程用水，参照普通水泥混凝土用水标准。不能采用对气泡混合轻质土的强度和耐久性有不良影响的含有垃圾和油污的水。
④起泡剂：
起泡剂是气泡混合轻质土技术的关键，无论采用界面活性类、蛋白类或树脂类中的哪一种，但都得保证发泡的质量，即气泡在气泡混合轻质土中分布要均匀、具有稳定性，能确保气泡在气泡混合轻质土的轻质性和流动性。
5.2.2搅拌工程的质量管理
和混凝土一样，气泡混合轻质土在搅拌时的质量管理要求最高。因为在搅拌时的质量管理中要确保气泡混合轻质土的流动性和轻量性，所以要投料要准确，必须按照湿润密度、空气量、流动值的标准进行控制。
5.2.3固化后的质量管理
气泡混合轻质土固化后的质量管理，一般是要确认无侧限抗压强度是否达到规定强度。但因为该土的无侧限抗压试验结果需要28d后才能得到，要确认其强度并不简单。因此，平常的质量管理中，一般多用控制湿润密度和空气含量的方法进行。但最终强度的确定还是有必要的。
气泡混合轻质土的设计是按28d无侧限抗压强度qu28进行，但因为：有必要在现场确认早期强度；多数工程从施工开始28日后已经完工。所以在气泡混合轻质土固化后质量管理上，最好能得到龄期7d的无侧限抗压强度qu7，然后根据7d的无侧限抗压强度与28d的强度的线性关系判断28d强度。因此在日常的质量管理中，可确认7d龄期是否达到目标无侧限抗压强度。
5.2.4成品管理
成品管理是指检验成品的质量、形状，另外确认施工数量等。
6小结
气泡混合轻质土的轻质性、良好的施工性及良好的力学特性，使得在道路加宽、桥台台背回填等领域得到越来越广泛的利用。
参考：
1、《气泡混合轻质填土新技术》陈忠平、王树林、邓江编著，人民交通出版社，2004年10月第1版
2、《轻质土的关键技术开发及其施工工艺的研究》，陈忠平等，[交通部联合攻关重点课题]，2003
3.《气泡混合轻质土的关键技术开发及其在高等级公路上的应用》，陈忠平等，[广东省科技厅科研课题立项报告]，2003
