文/陳金鵬 南京市園林經(jīng)濟(jì)開發(fā)有限責(zé)任公司 江蘇南京 210000
薛超、黃宏亮、周玉杰 中鐵四局集團(tuán)有限公司南京分公司 江蘇南京 210000
近年來,我國公路基礎(chǔ)交通建設(shè)步入了高速發(fā)展階段,面對復(fù)雜多變的施工環(huán)境,也帶來了許多工程問題,如路基凍脹、橋頭跳車等,對公路的穩(wěn)定通行產(chǎn)生了極大的影響,并且使得維修管理費(fèi)用明顯增加。氣泡混合輕質(zhì)土作為一種人工合成的施工材料,具有容重小、強(qiáng)度與變形特性優(yōu)于較好土體的特點(diǎn),在大力開發(fā)的同時(shí),也逐漸被推廣。早在上世紀(jì)80 年代,西方國家便開始大力研究氣泡輕質(zhì)土,美國在貿(mào)易中心建設(shè)過程中,使用了氣泡混合輕質(zhì)土進(jìn)行地基處理,從而減輕荷載,隨后在公路建設(shè)中也大量使用,使用該技術(shù)材料填筑路基,有效改善了填土沉降大的問題。我國在氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)研究方面起步相對較晚,但是發(fā)展較快,隨著該技術(shù)越來越成熟,其在今后的市政、公路基礎(chǔ)建設(shè)中的應(yīng)用范圍也將會進(jìn)一步擴(kuò)大。
氣泡混合輕質(zhì)土是采用物理手段使得發(fā)泡劑水溶液轉(zhuǎn)化為泡沫,同時(shí)加入水泥基膠凝、外加劑、水、摻和料等根據(jù)相應(yīng)的比例混合攪拌從而逐漸形成的新型輕質(zhì)材料。將水和原料土按照科學(xué)的比例混合慢慢形成漿體,并和細(xì)小穩(wěn)定氣泡群進(jìn)行混合攪拌之后形成流體,最終凝固成型的現(xiàn)代化輕型填筑施工材料。早在20 世紀(jì)80 年代,日本便深入研究氣泡混合輕質(zhì)土,并在工程建設(shè)中大量使用,隨后作為道路填充材料使用。隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)設(shè)備的不斷更新與完善,其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大,大量研究成果問世,相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范也在不斷完善,目前我國也將該材料大量應(yīng)用于道路工程建設(shè)中,取得了顯著的效果。氣泡混合輕質(zhì)土材料具有密度與強(qiáng)度靈活可調(diào)的特點(diǎn),同時(shí)具有輕質(zhì)性、高流動性、耐久性、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),是道路工程建設(shè)的重要材料之一[1]。
(1)容重性,氣泡混合輕質(zhì)土和普通材料相比較,其容重大小與配合比、齡期、實(shí)際環(huán)境狀態(tài)等方面因素有關(guān),氣泡混合輕質(zhì)土在最開始形成、固化、具體使用環(huán)節(jié)中,容重也會逐漸發(fā)生變化。一般情況下,在初凝之前,會受到設(shè)備流動狀態(tài)的影響,容重最大,之后逐漸凝固之后,齡期會延長,如果無水浸潤影響時(shí),氣泡混合輕質(zhì)土當(dāng)中的水分也會慢慢喪失,容重慢慢降低。單次進(jìn)行澆筑的實(shí)際高度會對容重產(chǎn)生一定的影響,單次高度不能過大,盡可能不要超過1m 最佳,吸水則會造成氣泡混合輕質(zhì)土實(shí)際容量慢慢增加,如果是長期浸水環(huán)境下,在使用過程中,還應(yīng)當(dāng)充分考慮浸水可能會產(chǎn)生的影響,必要的情況下應(yīng)當(dāng)采取有效的防水措施,從而盡可能避免容重逐漸增加。(2)滲透性,氣泡混合輕質(zhì)土在特定水壓作用影響下,會出現(xiàn)滲透,通過和外部進(jìn)行連通的孔隙進(jìn)行滲透,可以根據(jù)測定結(jié)果進(jìn)一步分析研究,滲透系數(shù)也能夠更加真實(shí)地反映出內(nèi)部孔隙和外部連通狀況,當(dāng)容重減小時(shí),氣泡混合輕質(zhì)土滲透系數(shù)逐漸增大。(3)干燥收縮性,氣泡混合輕質(zhì)土的實(shí)際收縮系數(shù)會受到水泥質(zhì)量與砂之比的影響,當(dāng)該值逐漸增大,收縮系數(shù)呈線性遞減發(fā)展[2]。
(1)應(yīng)力~應(yīng)變特性,數(shù)據(jù)顯示,氣泡混合輕質(zhì)土主要是以脆性破壞形式為主,在此之前,應(yīng)力和應(yīng)變呈現(xiàn)彈性關(guān)系。因澆注高度會對容重產(chǎn)生直接的影響,完成澆注成型的試樣高處容重則更小,高處氣泡含有率偏高,所以高處強(qiáng)度和低處相比較偏低,試樣受壓環(huán)節(jié)中,破壞裂紋大多數(shù)情況下在成型高處慢慢開始。(2)抗壓強(qiáng)度與影響因素,氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度,很多時(shí)候會受到原材料、環(huán)境、溫度、氣泡含有率、齡期等諸多方面因素的影響。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則會根據(jù)氣泡含有率逐漸變化增加而慢慢降低,固化材料類型與標(biāo)號也會對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響,在條件相同的狀況下,采用高爐礦渣水泥的抗壓強(qiáng)度明顯更高于一般水泥,水泥標(biāo)號逐漸增加的同時(shí),抗壓強(qiáng)度也會隨之增加,但是整體幅度明顯減小。在氣泡含有率基本相同時(shí),砂和水泥比越大,抗壓強(qiáng)度也就會越低,在一定區(qū)域范圍之內(nèi),其還會受到溫度的影響逐年變化增大,長時(shí)間浸水會導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低,所以,需要盡可能地避免出現(xiàn)長時(shí)間浸水狀況,同時(shí)還需要對暴露面采取有效的防護(hù)措施。(3)抗折強(qiáng)度,材料的抗折強(qiáng)度比較低,通常在0.4MPa。(4)CBR 特性,研究數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)材料局部壓力逐漸增大并逐漸達(dá)到一定值后,材料中的孔洞慢慢出現(xiàn)壓潰,但因存在側(cè)線,導(dǎo)致材料的整體強(qiáng)度并不會喪失,還可能會由于材料重新壓實(shí)之后,承載力會有一定的提高,和規(guī)定的強(qiáng)度相比較,依然可以滿足實(shí)際要求,符合道路工程路基填土具體規(guī)范[3]。
氣泡混合輕質(zhì)材料中有著很多封閉泡沫,使得其自身導(dǎo)熱系數(shù)相較于填土路基更低,后者通常是前者的4-5倍左右,氣泡混合輕質(zhì)土具有良好的隔熱性能,但其與氣泡含有率密切相關(guān),當(dāng)含有率越高,導(dǎo)熱系數(shù)也就越小,氣泡混合輕質(zhì)土材料的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)也就越小,隔熱性能更加突出。
氣泡混合輕質(zhì)土是一種新型的水泥材料,其和EPS材料相比較,耐久性更好,其耐酸與耐堿性能和一般的混凝土相比較為類似。
根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高及尺寸具體要求開挖、清理以及整平處理,根據(jù)路基具體情況,設(shè)置排水溝,確保排水系統(tǒng)完善,及時(shí)清除地表與地基水[4]。
在正式施工之前,需要在基底部分鋪設(shè)透水布,之后在氣泡混合輕質(zhì)土表面進(jìn)行防水布鋪設(shè),確保防水布和擋板間密切搭接。
要確保模板的剛度與強(qiáng)度符合實(shí)際要求,在具體安裝環(huán)節(jié)中,模板和地基間一定要固定和密接,從而有效避免出現(xiàn)漏漿與垮塌問題。在完成攪拌之后,氣泡混合輕質(zhì)材料通常使用泵送方式進(jìn)行傳輸。
為了保障在輸送過程中,氣泡相對穩(wěn)定,材料不離析的基礎(chǔ)上,一級泵送的距離最遠(yuǎn)為500m,實(shí)際輸送距離如果超過了這一范圍,需要合理設(shè)置中繼泵送裝置,或者將氣泡混合移送到泵送管出口周邊區(qū)域。
為了切實(shí)保障氣泡混合輕質(zhì)土材料當(dāng)中,氣泡均衡分布且獨(dú)立,就必須要將材料離析隔離控制,使其處于最小狀態(tài),在具體施工環(huán)節(jié)中,還應(yīng)當(dāng)盡可能地避免出現(xiàn)過度振動的現(xiàn)象,澆筑環(huán)節(jié)中可采取以下方面,也就是從軟管的前部進(jìn)行澆筑,出料口應(yīng)當(dāng)埋進(jìn)氣泡混合輕質(zhì)土材料當(dāng)中,并且盡可能地距離其表面較近,同時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意避免在下雨時(shí)進(jìn)行施工。
4.1.1 組分結(jié)構(gòu)
氣泡混合輕質(zhì)土材料主要是由氣體、液體以及固體等多種介質(zhì)共同組成,其為多孔介質(zhì)新型材料,其輕質(zhì)性主要是因?yàn)楫?dāng)中含有的泡沫空隙逐漸形成的,因此,泡沫輕質(zhì)土非常重要的結(jié)構(gòu)特性之一便是多孔性。氣泡混合輕質(zhì)土是一種水泥材料,從前期制備以及使用等環(huán)節(jié)中,其也具備水泥的凝結(jié)性,具備初凝、終凝時(shí)間,是一種水硬性材料,強(qiáng)度一般會隨著齡期變化而不斷增長[5]。
4.1.2 關(guān)鍵技術(shù)
氣泡輕質(zhì)土制備工藝的不同環(huán)節(jié)都具有共同點(diǎn),即混合,主要體現(xiàn)在多步驟以及不同比例的混合特點(diǎn)。發(fā)泡劑稀釋,其主要是通過科學(xué)的比例,將發(fā)泡劑稀釋成發(fā)泡液,這樣也有利于對發(fā)泡全過程進(jìn)行計(jì)量,主要體現(xiàn)在發(fā)泡劑和稀釋水之間的混合。水泥漿攪拌,其主要是水泥和水之間發(fā)生混合反應(yīng),在這個(gè)過程中需要對水泥漿配合與攪拌時(shí)間進(jìn)行合理控制。泡沫制備,該環(huán)節(jié)是發(fā)泡液和壓縮空氣有效混合的環(huán)節(jié),以發(fā)泡液與壓縮空氣輸送為動力,從而形成泡沫流,這個(gè)過程中,混合比例主要和泡沫密度值有直接關(guān)系。因?qū)儆跉庖夯旌?,控制過程中難度較大,裝備的發(fā)泡劑性能、發(fā)泡技術(shù)等會直接影響控制質(zhì)量,主要體現(xiàn)在泡沫密度是否穩(wěn)定。泡沫和水泥漿之間混合,這個(gè)過程中,混合比例與輕質(zhì)土實(shí)密度及氣泡率密切相關(guān),其中也包括了氣、液、固三種介質(zhì),也是最難控制的部分,裝備系統(tǒng)及混合技術(shù)會直接關(guān)乎控制質(zhì)量,體現(xiàn)為輕質(zhì)土密度穩(wěn)定性,是否相對均勻。
氣泡輕質(zhì)土組分結(jié)構(gòu)以及制備工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在很大程度上也直接影響氣泡輕質(zhì)土質(zhì)量控制,怎樣保障輕質(zhì)土密度均勻性與穩(wěn)定性合理是非常關(guān)鍵的,材料組分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對其有重要的影響。發(fā)泡技術(shù)、混合技術(shù)等對輕質(zhì)土密度穩(wěn)定性及均勻性都有著決定性作用。施工設(shè)備、混合技術(shù)等不達(dá)標(biāo)則會導(dǎo)致密度控制不合理,并且存在粉狀夾芯層的情況,并且極大地影響路基整體質(zhì)量狀況,如果是發(fā)泡劑技術(shù)不達(dá)標(biāo),則會導(dǎo)致完成澆注的泡沫輕質(zhì)土在終凝之前發(fā)生消泡沉陷。氣泡輕質(zhì)土凝結(jié)特征也會對質(zhì)量均勻性產(chǎn)生極大的影響,在相同澆注區(qū)域的澆注層,在澆注環(huán)節(jié)中由于設(shè)備產(chǎn)能不足時(shí),不能在初凝期間順利完成澆注,這樣會造成完成初凝的輕質(zhì)土材料受到流動與擠壓方面因素的影響,并逐漸形成剪切裂縫,導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞[6]。
氣泡混合輕質(zhì)土發(fā)泡劑性能也會對泡沫質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響,并直接影響其質(zhì)量,對發(fā)泡劑性能加以檢驗(yàn)的具體方法有泌水率與消泡試驗(yàn),前者可明確泡沫的穩(wěn)定性,后者則能夠明確泡沫在水泥漿當(dāng)中的穩(wěn)定性,兩者之間發(fā)生共同反應(yīng),則可體現(xiàn)發(fā)泡劑的性能。如果發(fā)泡劑的性能優(yōu)良,其穩(wěn)定性也就越高,泌水率低,實(shí)密度率低,只有實(shí)密度低增加率,氣泡輕質(zhì)土材料的質(zhì)量穩(wěn)定性與均勻性才能夠得到有效保障。
氣泡混合輕質(zhì)土的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,使用量也在不斷增加,其工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也大幅提升,為了保障輕質(zhì)土施工質(zhì)量均勻性及穩(wěn)定性的最終目標(biāo),就必須要對制作現(xiàn)場、輸送以及澆注等各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)管控,同時(shí)也對施工設(shè)備提出了更加專業(yè)的要求,如,自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示功能、產(chǎn)能要求、發(fā)泡裝置應(yīng)具備自動稀釋功能,水泥漿輸送泵也應(yīng)當(dāng)確定為流量泵,禁止使用泡沫凝土與發(fā)泡水泥設(shè)備代替輕質(zhì)土專用設(shè)備施工。要使用專業(yè)拌合站,禁止使用小型的攪拌機(jī)[7]。
4.5.1 施工原材料與配合比的質(zhì)量控制
在正式施工之前,需要針對施工各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際需求,對容重、強(qiáng)度以及其他相關(guān)性能指標(biāo)等進(jìn)行合理設(shè)計(jì),配合比設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定圍繞著容重、強(qiáng)度等有序展開,配合比設(shè)計(jì)還涵蓋了原材料的選擇,輕質(zhì)土的成分具體比例確定。流動值需滿足施工性能指標(biāo),特殊情況除外,流動值標(biāo)準(zhǔn)在180±20mm。配合比試配過程中,要確保滿足該要求,還應(yīng)當(dāng)確保容重、強(qiáng)度及其他相關(guān)性能指標(biāo)滿足實(shí)際要求。原材料還需要合理控制,發(fā)泡劑,在稀釋倍率及發(fā)泡倍率確定的情況下,其穩(wěn)定性較好,消泡程度也明顯減小,將發(fā)泡劑和其他相關(guān)材料根據(jù)具體情況進(jìn)行配合比制作,在滿足流動值的基礎(chǔ)上,其濕容重應(yīng)當(dāng)控制在5%之內(nèi),不然發(fā)泡劑不能滿足實(shí)際要求。水泥,在選擇水泥時(shí),應(yīng)當(dāng)針對工程項(xiàng)目具體情況,選擇當(dāng)?shù)禺a(chǎn)水泥,并開展試配試驗(yàn),當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果未達(dá)到要求時(shí),則應(yīng)當(dāng)調(diào)整水泥的品牌與標(biāo)號,從而確保滿足條件。原料的粒徑應(yīng)當(dāng)控制在5mm 之內(nèi),并選擇細(xì)砂,其他材料,摻入外加劑以及粉煤灰過程中,需要確保發(fā)泡劑具有良好適應(yīng)性,同時(shí)滿足要求,不然應(yīng)當(dāng)考慮是否摻入適量的粉煤灰與外加劑。
4.5.2 過程質(zhì)量控制
為了保證工程質(zhì)量,需要加強(qiáng)過程質(zhì)量控制,首先是原材料的精度,嚴(yán)格控制在±2%以內(nèi),在施工過程中,要確保材料符合具體設(shè)計(jì)要求,在攪拌施工過程中,還應(yīng)當(dāng)不定期的檢測混合輕質(zhì)土材料的濕容重、流動值以及空氣含有率等各項(xiàng)指標(biāo),誤差要控制在±1%左右,每2 次/日對流動值、濕容重進(jìn)行檢測,同時(shí)也需要定期檢測空氣含有率[8]。
4.6.1 基槽及墊層處理
在氣泡輕質(zhì)土正式澆注之前,需要對路基基槽進(jìn)行開挖,并切實(shí)做好相關(guān)準(zhǔn)備工作,如防、排水工程等環(huán)節(jié),施工墊層,嚴(yán)格根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對墊層頂標(biāo)高加強(qiáng)控制。澆注之前,需要檢查基槽低于開挖的側(cè)壁有無殘留松土,保障澆注的部分和基槽底、側(cè)壁等都能夠密實(shí)接觸。在澆注之前,需要明確澆注頂標(biāo)高線,在具體澆注環(huán)節(jié),以寬縱向約20m 為澆筑區(qū)域澆注施工,每一次澆注完畢。
4.6.2 配比試驗(yàn)
在消泡試驗(yàn)過程中,應(yīng)當(dāng)明確發(fā)泡劑和其他相關(guān)材料適應(yīng)性,施工配合比試驗(yàn),需提前明確配合比,氣泡混合輕質(zhì)土的配比優(yōu)化,可考慮添加適當(dāng)?shù)脑鐝?qiáng)激發(fā)劑,塑形膨脹劑與增稠劑,優(yōu)化氣泡混合輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)的抗裂與穩(wěn)泡性能,從而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐久性。
4.6.3 設(shè)備配備
使用廣東東升科技發(fā)展有限公司氣泡輕質(zhì)土進(jìn)行設(shè)備制備,此設(shè)備能夠確保多步驟、自動化控制,從而達(dá)到自動控制輕質(zhì)土密度、泡沫流量、密度等多個(gè)方面,產(chǎn)能也大大提高,從而有效改變傳統(tǒng)設(shè)備存在的不足和缺陷,達(dá)到輕質(zhì)土施工質(zhì)量均勻性與穩(wěn)定性的目標(biāo)。
先進(jìn)行施工坡面開挖,包括了坡面臺階縱向與橫向排水軟管、錨筋施工,等到混凝土強(qiáng)度慢慢達(dá)到80%之后,再進(jìn)行氣泡輕質(zhì)土澆筑施工,在整個(gè)澆筑環(huán)節(jié)中,要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求,鋪設(shè)水平鋼筋網(wǎng)。路基頂部路面結(jié)構(gòu)層與防撞護(hù)欄部分,一定要在輕質(zhì)土路基強(qiáng)度逐漸達(dá)到0.5Mpa 以上才能夠正常展開施工。
拌和站將拌制的水泥漿要及時(shí)運(yùn)往現(xiàn)場,并通過輸送泵送到制備站,水泥漿和經(jīng)泡沫混合之后泵送到澆注面,前端制備站會根據(jù)澆注工區(qū)改變慢慢移動。氣泡群要和水泥基漿料均勻混合,氣泡混合輕質(zhì)土在泵送管道中停留時(shí)間要合理控制在1h 之內(nèi),在分區(qū)開展?jié)沧⒆鳂I(yè)過程中,單層澆注厚度要控制在80cm,從而確保單層澆注施工時(shí)間在水泥漿初凝之前順利完成,下澆筑層終凝之后再繼續(xù)上層澆筑作業(yè)。在填筑頂層澆筑完之后,還需要在表面覆蓋塑料薄膜,同時(shí)保濕養(yǎng)護(hù)約7d 左右,氣泡輕質(zhì)土頂層還需鋪設(shè)防滲膜進(jìn)行包裹,并設(shè)置護(hù)欄基座。每間隔20m 需設(shè)置2cm 通縫,在縫內(nèi)填充泡沫塑料板。
氣泡混合輕質(zhì)土是一種新型的施工材料,其具有輕質(zhì)性、高流動性,密度與強(qiáng)度可靈活調(diào)節(jié),施工過程便捷等諸多特征,從而能夠有效降低填土施工荷載以及附加應(yīng)力,改善地基不均勻沉降與側(cè)移,不斷提高路基的整體穩(wěn)定性與可靠性。地下結(jié)構(gòu)物表面壓力也明顯減少,結(jié)構(gòu)物的使用壽命也明顯得到提高,同時(shí)能夠有效遏制路堤差異沉降以及錯位現(xiàn)象。近年來,該材料被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中,取得了顯著的效果,該施工材料集環(huán)保、價(jià)廉、新技術(shù)于一體,具有廣闊的應(yīng)用前景,也為我國工程建筑行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。