新型泡沫混凝土路桥填筑技术研究报告

  自改革开放以来，我国公路桥梁建设飞速发展。近年来，在国家新一轮的基础建设计划的实施下，道路、桥梁工程建设又进入了一个调整发展的时期。我国道路、桥梁建设，已取得了举世辉煌的成绩。

  在需高填方的桥梁建设中，在路桥结合部的桥台背、主桥与引桥间搭板下软连接等部位，常规采用低压缩比的土(如碎石土或石渣土)来进行填筑。施工时，每填筑20～1250px土需进行碾压、夯实，密实度达到设计要求后，再进行下一层填筑、碾压、夯实，填筑达到设计标高后，需经过较长时间的工后沉降期(几个月、半年或一年以上)才能进行路面结构层铺设。由于工后沉降期较长，这写桥梁建设的时效性、工程的经济性矛盾。在桥台背或主桥与引桥软连接或桥头等过渡段，路面结构层铺设完成投入使用后，因填料荷载过大、雨水渗入，地基的承载力不够等原因，容易产生不均匀沉降，造成跳车现象，被称为桥头跳车。桥梁70%的维修费用是花费在桥头跳车的修补上。传统的处理方法是提高地基的承载力，不但很难从根本上解决问题，还存在工期过长、经济性不强等问题。

  泡沫混凝土是可代替土进行桥台背填筑的新型轻质混凝土材料。是用物理方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到由水泥基胶凝材料、集料、外加剂和水制成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、自然养护而成的一种多孔轻质现浇混凝土。具有轻质、环保、可现浇、成本低等独特的性能特点。目前，泡沫混凝土在工业或民用建筑的屋面保温找坡、地暖隔热层、室内外垫层、外墙保温隔热、非承重墙体或隧道、基坑填充等建筑节能、建筑结构减荷领域应用较多。

  泡沫混凝土材料应用于路桥桥台背填充，是一项改变常规常规桥台背填筑工艺方法的革新型技术。泡沫混凝土材料具有有密度小、质量轻、强度大于常规回填土、填筑后形成一个整体、抗冲击性能好、无侧向压力、对地基荷载小等优势。使用泡沫混凝土填筑后，桥台背处于超固结状态，由此减少沉降和不均匀沉降、彻底消除台背路堤填料本身的工后沉降、避免桥头跳车病害，具有明显的技术优势。采用泡沫混凝土填筑，可大幅减少工后台背维修费用，且通过优化设计可减少桥梁桩基用量，综合成本低，具有较高性价比的经济优势。同时泡沫混凝土还可应用于软基路段公路路基、道路加宽扩建、山区公路陡峭路段、跨线桥锥坡许放坡回填、地下隧道减荷、空洞填充等领域。

  泡沫混凝土填筑的关键技术点在于：①在浆料中加入适当的外加剂，以提高浆体的凝结速度，保证在较短的时间内促成泡沫混凝土微观结构状态固化;②研发新型泡沫混凝土填筑设备，以提高填筑速度;③提高发泡剂的稳定性，填筑用发泡剂要求有极高的稳定性，使其在一次性填筑高度较大时，不会出现受压变形和破灭现象。

  一、路桥填筑用泡沫混凝土技术要求

  泡沫混凝土质量轻，强度比普通回填材料高，施工时是流动的可塑性体，便于施工。路桥填筑用泡沫混凝土的技术要求区别于房建常用保温隔热用泡沫混凝土，对材

  料的保温隔热性要求不高，但对经济性、高强度特性、浆体的流动性、湿密度的控制、浆体凝结时间等有较高的要求。

  1、常用填筑用泡沫混凝土技术指标如下：

  常用填筑用泡沫混凝土技术参数

  表中泡沫混凝土强度范围为参考值，设计时可根据需要适当超出参考强度范围取值(±22%)，在施工时可通过调整原材料配比，添加外加剂达到设计要求。

  2、原材料配比：

  泡沫混凝土的填充施工中原材料配比主要根据具体项目的要求的容重、强度所决定，包括水泥配比、轻集料配比及水料比。

  2.1 水泥配比

  泡沫混凝土填充的主要原材料就是水泥，因填充施工通常都是在常温下进行，固泡主要靠水泥的胶凝作用，所以在填充工程中的泡沫混凝土配合比必须以水泥为主体，采用高水泥配比量。700kg/m³以下容重的的泡沫混凝土填充材料，水泥的配比量不能低于物料总量的70%。当容重在500kg/m³以下时，其常

  温配比量应约占于物料总量的90%以上。

  2.2 轻集料配比

  泡沫混凝土填充施工，配方中应不设计或少设计轻集料，因为它会影响浆料的初凝，当用量较大时，甚至可能会造成塌模。填充施工中，泡沫混凝土的轻集料的最大

  添加量A07以下泡沫混凝土不应超过水泥量的20%;A09以下不应超过40%;A12以下不宜超过50%。

  2.3 水料比

  在泡沫混凝土填充施工中，水料比应为水和各种干物料总值的比例，水料比不仅要满足水泥水化反应的需要，还要满足搅拌及浇注成型的需要。理想的水料比，应是水泥浆能够方便的混入泡沫，在混入泡沫后浆料不过稀，即容易浇注，又不会影响浇注的稳定性。

  3、主要材料要求

  3.1 水泥：

  采用42.5#或32.5#的硅酸盐水泥。水泥进场必须分厂家，按批、按品种分类堆放，并且必须有出厂合格证明及试验资料。绝对禁止使用超期和受潮结块的水泥。

  3.2 发泡剂：

  采用无污染的高性能发泡剂，性能符合JC/T266—2011《泡沫混凝土》中附录A的规定。材料应有出厂合格证，出厂性能报告，产品使用说明等。

  3.3 外加剂：

  外加剂应符合《混凝土外加剂》GB 8076的规定。

  3.4 水：

  应符合JGJ 63规定，不含有影响泡沫稳定性，水泥强度及耐久性的有机物，油垢等杂质。

  3.5 粉煤灰：

  一般应选用一级粉煤灰，一级粉煤灰不足时，也可选用二级，三级粉煤灰不宜选用。

  3.6 细磨矿渣粉：

  细磨矿渣粉细度(0.045mm方孔筛筛余)应小于20%，活性指数(28d)应大于95%。

  4、原材料对质量的影响：

  4.1 水泥：

  水泥是构成混凝土材料的主要胶凝材料，普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氯氧镁水泥、火山灰质复合胶凝材料等均可作为泡沫混凝土的胶凝材料。

  泡沫混凝土是一种大水灰比的流态混凝土，采用普通硅酸盐水泥时，水泥完成水化的理论水灰比为0.227左右;由于发泡剂所产生泡沫的稳定时间有限，为了保

  证泡沫不破碎就必须缩短胶凝材料的凝结时间，提高发泡混凝土的性能，宜采用P042.5R普通酸盐水泥为胶凝材料来制备泡沫混凝土，同时采用在普通硅酸盐

  水泥中掺入促凝剂来调整水泥浆的凝结时间，使水泥浆体硬化时间与泡沫的稳定时间相一致。

  4.2 外加剂：

  4.2.1

  减水剂：聚羧酸盐为最新一代高性能减水剂，在各种高效减水剂中，它的性能最为优异，高效减水剂的用量一般在水泥量的1.0%～2.5%之间。它的化学结构

  含有羧基负离子斥力，以及多个醚侧链与水分子反应生成的强力氢键所形成的亲水性立体保护膜产生的立体效应，使它具有极强的水泥分散效果和分散稳定性。它的

  减水率高达30%～40%，在保持强度不变时节约水泥25%，在保持水泥用量不减时可提高混凝土强度30%以上。

  4.2.2

  促凝剂：能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。促凝剂的主要种类有无机盐类和有机物类。我国常用的促凝剂是无机盐类。无机盐类促凝剂按其主要成分大致可分为三类：以铝酸钠为主要成分的促凝剂：以铝酸钙、氟铝酸钙等为主要成分的促凝剂;以硅酸盐(Na。S i0。)为主要成分的速凝剂。促凝剂掺入混凝土后，能使混凝土在5min内初凝，1Omin内终凝。1h就可产生强度，ld强度提高2～3倍，但后期强度会下降，28d强度约为不掺时的80%～90%。温度升高，提高促凝效果越明显。混凝土水灰比增大则降低促凝效果，掺用促凝剂的混凝土水灰比一般为0.4左右。掺加促凝剂后，混凝土的干缩率有增加趋势，弹性模量、抗剪强度、粘结力等有所降低。

  河南华泰建材开发有限公司结合多年施工生产经验，经过长期的研发、试验，取得的科研成果表明：在路桥填筑用泡沫混凝土在施工时，浆料中加入聚竣酸盐减水剂，铝酸钙、氟铝酸钙促凝剂等外加剂，可加快泡沫混凝土浆体的凝结速度，使泡沫混凝土内部气孔均匀分布，微观结构合理，填筑体密度低、抗压强度好。

  二、路桥填筑用泡沫混凝土专用设备

  1、泡沫混凝土设备发泡方式

  国内浇注设备主要分为低速搅拌发泡设备、高速叶轮发泡设备、压力发泡设备。

  1.1 低速搅拌发泡设备

  这种设备的发泡方法是将发泡剂和水泥及集料一同加入搅拌机，依靠搅拌机叶片引入空气，使发泡剂起泡并将泡沫混进砂浆或混凝土内。这是一种将发泡与混跑合为

  一体的工艺设备。此种设备仅适合在700kg/m3以上的高密度泡沫混凝土填充中使用，且因生产效率不高，不适宜300m3以上的填充工程。

  1.2 高速叶轮发泡设备

  高速叶轮发泡设备与低速搅拌发泡设备最大的不同在于将发泡与混泡分开，由一段工艺分为两段工艺。它是由发泡剂制好泡沫，再将发泡机所发泡沫用人工的方法经计量后加入水泥浆搅拌机，与水泥浆混合成泡沫浆的一种泡沫混凝土生产设备。此种设备发泡效率虽高但制泡质量较差，且生产效率也不高，并对远距离输送还有一定难度，故该设备也不适宜在500kg/m3以下的泡沫混凝土填充中使用，且输送距离及生产效率的限制也使其不适宜500m3以上的填充工程。

  1.3 压力发泡设备

  压力发泡设备是采用压力向发泡溶液中引气，起泡迅速，发泡倍率高，泡沫细小均匀，有较高的泡沫质量和较低的发泡成本。且有效水平输送距离可达500米以上，可应用于各容重要求的泡沫混凝土填充工程。

  但其生产效率仍受设备制备水平及用途限制，在1000m3以上的填充工程中仍应使用该类型设备中的填充专用设备生产泡沫混凝土填充材料。

  2、目前国内主要泡沫混凝土设备类型

  2.1 全手动式泡沫混凝土设备

  该设备构造简单，由两个搅拌简组成一台泡沫混凝土搅拌机，无独立的稳定发泡系统，无混泡系统;不能实现直接泵送，将搅拌均匀的泡沫混凝土浆料卸至作业面;

  该类型设备体积小、重量轻、移动方便，台班日产量20立方，主要用于屋面泡沫混凝土生产及小型家装地暖泡沫混凝土生产。但生产效率过低，不适宜填充使用。

  2.2 半手动式泡沫混凝土设备

  该设备在全手动式泡沫混凝土设备的基础上使用了泵送系统，将泡沫混凝土浆料直接泵送到作业面，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。改善了泡沫混凝土浆

  料的含固率，增加了浆料的流动性，使泡沫混凝土更利于泵送，较全搬动式设备施工方便。但发泡系统及技术仍不理想，产品的稳定性低。目前市场中该类设备已然

  较少，即将被淘汰。

  2.3 半自动化设备：

  半自动化设备对发泡系统、混泡系统做了较大改进，所生产的泡沫砼制品更轻、更节能。发泡系统使用了高压过滤型搅拌发泡原理，使发泡剂发泡更充分，减少了泡沫的泌水率，增强了稳定性。混泡系统摒弃了低速搅拌混泡，改用高压混合器对泡沫、浆料进行混合，降低了在混泡过程中泡沫的破损。但该类型设备因自动化程序

  较低，目前大多被自动化泡沫混凝土设备取代。

  2.4 自动化泡沫混凝土设备

  该设备采用软管泵、液压泵或螺杆泵作为动力系统，将空气压缩设备集成于设备内部，改良了上料系统，实现了水、电、料、发泡、混泡的集中控制，在一个控制面板即可控制设备的全部操作;针对工程现场施工情况复杂、建筑设计要求多样的特点，加入了变频调速系统，以适应施工过程中多变的情况;改进了上料、混泡系统，可添加多种集料，能生产多种用途、多种性能的泡沫混凝土材料。目前市场上销售、使用的泡沫混凝土设备多是这种类型，主要应用于生产屋面保温找坡、地暖垫层、卫生间填充、地下车库垫层等建筑用泡沫混凝土，产能10～30m3/h不等。但路桥泡沫混凝土填充要求泡沫混凝土设备产能应不低于50m3/h，该类型设备仍不能足的要求，需要在此基础上断续研发大产能路桥泡沫混凝土填充专用设备。

  3、路桥泡沫混凝土填充专用设备

  泡沫混凝土填充工程一般具有：对容重要求严格、工程量大且要求工期紧、填充区域分布广等特点，一般泡沫混凝土设备并不能满足这些需求，故需要泡沫混凝土填充专用设备。

  根据泡沫混凝土填充工程的特点，泡沫混凝土填充专用设备也应具备以下几个特点：

  3.1 发泡效率高，稳泡性强，可制备各种容重要求下的泡沫混凝土填充工程。

  3.2 生产效率高，每小时生产泡沫混凝土填充材料应在60立方米以上，可满足大、中型充工程使用。

  3.3 有效水平输送距离远，有效输送距离在600米以上，可有效送达各填充面。

  3.4 具有自动化计量控制系统，可有效保证浆料的均匀稳定。

  3.5 持续施工能力强，最好能够和散装水泥罐相连，保证水泥供应的持续不间。

  当前泡沫混凝土填充专用设备在国内应用并不广泛，填充工程中仍在大量使用一般的泡沫混凝土浇筑设备，在遇到工程量大工期紧、填充区域分布广等问题是，往往是简单采用多上设备、班次的作法，即浪费了大量的人力物力，也无法保证工程质量。

  河南华泰建材开发有限公司发挥自身优势，集中研发力量，在拥有自主产权的软管泵泡沫混凝土浆料泵送设备(专利号：CN200820149374.X)基础上，研发出HT-18型新一代路桥泡沫混凝土填充专用设备，是国内少数能够满足路桥泡沫混凝土填充要求的设备之一，设备类型属于压力发泡类，每小时产能高

  达60-120m³，设备由主机、搅拌机、多台辅助搅拌机、上料装置、计量系统等组成，所生产泡沫混凝土浆料均匀稳定，容重控制精确，配合散装水泥罐供料，可在满足大量原料供给的同时，也使施工操作更加简单方便。

  HT-18大型填充用泡沫混凝土设备性能指标

  三、发泡剂的研发及发泡工艺改进：

  1、发泡剂的质量特性

  泡沫是形成泡沫混凝土的基础，所以发泡剂的质量会直接影响泡沫混凝土的质量。路桥填充用泡沫混凝土对发泡剂有如下的质量要求：

  1.1

  泡沫稳定性：质量好的水泥发泡剂所制取的泡沫，其液膜坚韧，机械强度好，不易在浆体挤压下破灭或过度变形。另外，它有自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面张力作用下流失，可长时间保持泡沫液膜的厚度和完整性，从而可使泡沫长间不破灭。稳定性好的泡沫，液膜在浆体内不易破裂，不易形成连通孔。

  1.2 泡沫均匀性：制取的泡沫的泡径不可能完全相同，但应基本相近，泡径范围应尽可能小，最好在0.1～1mm之间。

  1.3 泌水率：泡沫自制出后，就逐渐向外泌水。泡沫的泌水率低，才能更好地保证泡沫中的气泡数量和泡沫混凝土的气孔率，即保证泡沫混凝土的密度。

  1.4 对胶凝材料的负作用：胶凝材料是泡沫混凝土强度的主要来源，有些发泡剂所制取的泡沫稳定性非常好，但加入胶凝材料后，会降低泡沫混凝土的强度，甚至丧失强度，所以要选用制取的泡沫不对胶凝产生负作用的发泡剂。

  2、发泡剂的化学性质

  酸性水泥发泡剂的PH值在4-5，属酸性，不耐碱和钙。水泥是高碱物料，水泥溶胶发生酸碱反应，使水泥物料絮凝，泡沫消失，分离，离析后，物料形成水泥、胶、水份层，泡沫壁膜产生破裂、断裂、空气大量快速逸出，泡沫混凝土产生断层、降沉、收缩。

  碱性发泡剂中含有大量的不完全皂化的树脂酸，PH值9以上，因为天然树脂在碱液中很难完全皂化，在强碱的作用下只能形成膏状溶胶，不溶的树脂酸呈酸性，加入水泥中产生酸性反应成絮凝离析物、泡沫消失，分离，泡沫混凝土产生收缩、泌水现象。

  中性水泥发泡剂与水有很好的亲和性，溶液流动性接近水，极易溶于水，与水混合时是透明的溶液，无杂物析出，泡沫丰富，在水泥浆中产生大量的泡沫制成优质的泡沫混凝土，不产生絮凝，分层、泌水、逸气的现象。

  3、填充用泡沫剂的关键技术指标与要求：

  实验室制备泡沫混凝土的发泡方式为机械高速搅拌，搅拌时间约为5min，泡沫现搅现用。所制得的泡沫大小均匀、泡径较小、稳定性好。泡沫混凝土现浇填筑中

  发泡方式为压缩气体发泡。传统发泡剂质量的好坏直接影响到泡沫混凝土的质量，能产生泡沫的物质有很多，但并非所有能产生泡沫的物质都能用于泡沫混凝土的生产。只有发泡倍数够大、在泡沫和料浆混合时薄膜不致破坏具有足够的稳定性、对胶凝材料的凝结和硬化不起有害影响的发泡剂，才适合用来生产泡沫混凝土。

  泡沫混凝土发泡剂主要性能参数指标

  4、发泡剂稳定性的改进

  为节约工期，路桥泡沫混凝土填筑必须以最快的速度填筑，当一次填筑高度较大时，未凝结前浆体中的泡沫由于受到自身压力较大，容易出现破灭变形，从而造成塌落，导致填筑体分层，密度不均等情况发生。

  填筑用发泡剂要求有极高的稳定性，使其在一次性填筑高度较大时，不会出现受压变形和破灭现象。