?新型泡沫混凝土橋臺背填充技術(shù)的可行性
近年來，在國家新一輪的基礎(chǔ)建設(shè)計劃的實施下，道路、橋梁工程建設(shè)又進(jìn)入了一個調(diào)整發(fā)展的時期。我國道路、橋梁建設(shè)，已取得了舉世輝煌的成績。
在需高填方的橋梁建設(shè)中，在路橋結(jié)合部的橋臺背、主橋與引橋間搭板下軟連接等部位，常規(guī)采用低壓縮比的土(如碎石土或石渣土)來進(jìn)行填筑。施工時，每填筑20～1250px土需進(jìn)行碾壓、夯實，密實度達(dá)到設(shè)計要求后，再進(jìn)行下一層填筑、碾壓、夯實，填筑達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，需經(jīng)過較長時間的工后沉降期(幾個月、半年或一年以上)才能進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)。由于工后沉降期較長，這寫橋梁建設(shè)的時效性、工程的經(jīng)濟(jì)性矛盾。在橋臺背或主橋與引橋軟連接或橋頭等過渡段，路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)完成投入使用后，因填料荷載過大、雨水滲入，地基的承載力不夠等原因，容易產(chǎn)生不均勻沉降，造成跳車現(xiàn)象，被稱為橋頭跳車。橋梁70%的維修費(fèi)用是花費(fèi)在橋頭跳車的修補(bǔ)上。傳統(tǒng)的處理方法是提高地基的承載力，不但很難從根本上解決問題，還存在工期過長、經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)等問題。
泡沫混凝土是可代替土進(jìn)行橋臺背填充的新型輕質(zhì)混凝土材料。是用物理方法將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到由水泥基膠凝材料、集料、外加劑和水制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、自然養(yǎng)護(hù)而成的一種多孔輕質(zhì)現(xiàn)澆混凝土。具有輕質(zhì)、環(huán)保、可現(xiàn)澆、成本低等獨(dú)特的性能特點。目前，泡沫混凝土在工業(yè)或民用建筑的屋面保溫找坡、地暖隔熱層、室內(nèi)外墊層、外墻保溫隔熱、非承重墻體或隧道、基坑填充等建筑節(jié)能、建筑結(jié)構(gòu)減荷領(lǐng)域應(yīng)用較多。
泡沫混凝土材料應(yīng)用于路橋橋臺背填充，是一項改變常規(guī)常規(guī)橋臺背填筑工藝方法的革新型技術(shù)。泡沫混凝土材料具有有密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大于常規(guī)回填土、填筑后形成一個整體、抗沖擊性能好、無側(cè)向壓力、對地基荷載小等優(yōu)勢。使用泡沫混凝土填筑后，橋臺背處于超固結(jié)狀態(tài)，由此減少沉降和不均勻沉降、徹底消除臺背路堤填料本身的工后沉降、避免橋頭跳車病害，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。采用泡沫混凝土填筑，可大幅減少工后臺背維修費(fèi)用，且通過優(yōu)化設(shè)計可減少橋梁樁基用量，綜合成本低，具有較高性價比的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。同時泡沫混凝土還可應(yīng)用于軟基路段公路路基、道路加寬擴(kuò)建、山區(qū)公路陡峭路段、跨線橋錐坡許放坡回填、地下隧道減荷、空洞填充等領(lǐng)域。
泡沫混凝土填筑的關(guān)鍵技術(shù)點在于：①在漿料中加入適當(dāng)?shù)耐饧觿?，以提高漿體的凝結(jié)速度，保證在較短的時間內(nèi)促成泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)固化;②研發(fā)新型泡沫混凝土填筑設(shè)備，以提高填筑速度;③提高發(fā)泡劑的穩(wěn)定性，填筑用發(fā)泡劑要求有極高的穩(wěn)定性，使其在一次性填筑高度較大時，不會出現(xiàn)受壓變形和破滅現(xiàn)象。
一、泡沫混凝土橋臺背填充技術(shù)要求
泡沫混凝土質(zhì)量輕，強(qiáng)度比普通回填材料高，施工時是流動的可塑性體，便于施工。路橋填筑用泡沫混凝土的技術(shù)要求區(qū)別于房建常用保溫隔熱用泡沫混凝土，對材料的保溫隔熱性要求不高，但對經(jīng)濟(jì)性、高強(qiáng)度特性、漿體的流動性、濕密度的控制、漿體凝結(jié)時間等有較高的要求。
1、常用填筑用泡沫混凝土技術(shù)指標(biāo)如下：
常用填筑用泡沫混凝土技術(shù)參數(shù)
表中泡沫混凝土強(qiáng)度范圍為參考值，設(shè)計時可根據(jù)需要適當(dāng)超出參考強(qiáng)度范圍取值(±22%)，在施工時可通過調(diào)整原材料配比，添加外加劑達(dá)到設(shè)計要求。
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據(jù)具體項目的要求的容重、強(qiáng)度所決定，包括水泥配比、輕集料配比及水料比。
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溫下進(jìn)行，固泡主要靠水泥的膠凝作用，所以在填充工程中的泡沫混凝土配合比必須以水泥為主體，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總量的70%。當(dāng)容重在500kg/m3以下時，其常溫配比量應(yīng)約占于物料總量的90%以上。
2.2 輕集料配比
泡沫混凝土填充施工，配方中應(yīng)不設(shè)計或少設(shè)計輕集料，因為它會影響漿料的初凝，當(dāng)用量較大時，甚至可能會造成塌模。填充施工中，泡沫混凝土的輕集料的最大添加量A07以下泡沫混凝土不應(yīng)超過水泥量的20%;A09以下不應(yīng)超過40%;A12以下不宜超過50%。
2.3 水料比
在泡沫混凝土填充施工中，水料比應(yīng)為水和各種干物料總值的比例，水料比不僅要滿足水泥水化反應(yīng)的需要，還要滿足攪拌及澆注成型的需要。理想的水料比，應(yīng)是水泥漿能夠方便的混入泡沫，在混入泡沫后漿料不過稀，即容易澆注，又不會影響澆注的穩(wěn)定性。
3、主要材料要求
3.1 水泥：
采用42.5#或32.5#的硅酸鹽水泥。水泥進(jìn)場必須分廠家，按批、按品種分類堆放，并且必須有出廠合格證明及試驗資料。絕對禁止使用超期和受潮結(jié)塊的水泥。
3.2 發(fā)泡劑：
采用無污染的高性能發(fā)泡劑，性能符合JC/T266—2011《泡沫混凝土》中附錄A的規(guī)定。材料應(yīng)有出廠合格證，出廠性能報告，產(chǎn)品使用說明等。
3.3 外加劑：
外加劑應(yīng)符合《混凝土外加劑》GB 8076的規(guī)定。
3.4 水：
應(yīng)符合JGJ 63規(guī)定，不含有影響泡沫穩(wěn)定性，水泥強(qiáng)度及耐久性的有機(jī)物，油垢等雜質(zhì)。
3.5 粉煤灰：
一般應(yīng)選用一級粉煤灰，一級粉煤灰不足時，也可選用二級，三級粉煤灰不宜選用。
3.6 細(xì)磨礦渣粉：
細(xì)磨礦渣粉細(xì)度(0.045mm方孔篩篩余)應(yīng)小于20%，活性指數(shù)(28d)應(yīng)大于95%。
4、原材料對質(zhì)量的影響：
4.1 水泥：
水泥是構(gòu)成混凝土材料的主要膠凝材料，普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥、氯氧鎂水泥、火山灰質(zhì)復(fù)合膠凝材料等均可作為泡沫混凝土的膠凝材料。
泡沫混凝土是一種大水灰比的流態(tài)混凝土，采用普通硅酸鹽水泥時，水泥完成水化的理論水灰比為0.227左右;由于發(fā)泡劑所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定時間有限，為了保證泡沫不破碎就必須縮短膠凝材料的凝結(jié)時間，提高發(fā)泡混凝土的性能，宜采用P042.5R普通酸鹽水泥為膠凝材料來制備泡沫混凝土，同時采用在普通硅酸鹽水泥中摻入促凝劑來調(diào)整水泥漿的凝結(jié)時間，使水泥漿體硬化時間與泡沫的穩(wěn)定時間相一致。
4.2 外加劑：
4.2.1
減水劑：聚羧酸鹽為最新一代高性能減水劑，在各種高效減水劑中，它的性能最為優(yōu)異，高效減水劑的用量一般在水泥量的1.0%～2.5%之間。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)含有羧基負(fù)離子斥力，以及多個醚側(cè)鏈與水分子反應(yīng)生成的強(qiáng)力氫鍵所形成的親水性立體保護(hù)膜產(chǎn)生的立體效應(yīng)，使它具有極強(qiáng)的水泥分散效果和分散穩(wěn)定性。它的減水率高達(dá)30%～40%，在保持強(qiáng)度不變時節(jié)約水泥25%，在保持水泥用量不減時可提高混凝土強(qiáng)度30%以上。
4.2.2
促凝劑：能使混凝土迅速凝結(jié)硬化的外加劑。促凝劑的主要種類有無機(jī)鹽類和有機(jī)物類。我國常用的促凝劑是無機(jī)鹽類。無機(jī)鹽類促凝劑按其主要成分大致可分為三類：以鋁酸鈉為主要成分的促凝劑：以鋁酸鈣、氟鋁酸鈣等為主要成分的促凝劑;以硅酸鹽(Na。S i0。)為主要成分的速凝劑。促凝劑摻入混凝土后，能使混凝土在5min內(nèi)初凝，1Omin內(nèi)終凝。1h就可產(chǎn)生強(qiáng)度，ld強(qiáng)度提高2～3倍，但后期強(qiáng)度會下降，28d強(qiáng)度約為不摻時的80%～90%。溫度升高，提高促凝效果越明顯?；炷了冶仍龃髣t降低促凝效果，摻用促凝劑的混凝土水灰比一般為0.4左右。摻加促凝劑后，混凝土的干縮率有增加趨勢，彈性模量、抗剪強(qiáng)度、粘結(jié)力等有所降低。
我公司結(jié)合多年施工生產(chǎn)經(jīng)驗，經(jīng)過長期的研發(fā)、試驗，取得的科研成果表明：在路橋填筑用泡沫混凝土在施工時，漿料中加入聚竣酸鹽減水劑，鋁酸鈣、氟鋁酸鈣促凝劑等外加劑，可加快泡沫混凝土漿體的凝結(jié)速度，使泡沫混凝土內(nèi)部氣孔均勻分布，微觀結(jié)構(gòu)合理，填筑體密度低、抗壓強(qiáng)度好。
二、路橋填筑用泡沫混凝土專用設(shè)備
1、泡沫混凝土設(shè)備發(fā)泡方式
國內(nèi)澆注設(shè)備主要分為低速攪拌發(fā)泡設(shè)備、高速葉輪發(fā)泡設(shè)備、壓力發(fā)泡設(shè)備。
1.1 低速攪拌發(fā)泡設(shè)備
這種設(shè)備的發(fā)泡方法是將發(fā)泡劑和水泥及集料一同加入攪拌機(jī)，依靠攪拌機(jī)葉片引入空氣，使發(fā)泡劑起泡并將泡沫混進(jìn)砂漿或混凝土內(nèi)。這是一種將發(fā)泡與混跑合為一體的工藝設(shè)備。此種設(shè)備僅適合在700kg/m3以上的高密度泡沫混凝土填充中使用，且因生產(chǎn)效率不高，不適宜300m3以上的填充工程。
1.2 高速葉輪發(fā)泡設(shè)備
高速葉輪發(fā)泡設(shè)備與低速攪拌發(fā)泡設(shè)備最大的不同在于將發(fā)泡與混泡分開，由一段工藝分為兩段工藝。它是由發(fā)泡劑制好泡沫，再將發(fā)泡機(jī)所發(fā)泡沫用人工的方法經(jīng)計量后加入水泥漿攪拌機(jī)，與水泥漿混合成泡沫漿的一種泡沫混凝土生產(chǎn)設(shè)備。此種設(shè)備發(fā)泡效率雖高但制泡質(zhì)量較差，且生產(chǎn)效率也不高，并對遠(yuǎn)距離輸送還有一定難度，故該設(shè)備也不適宜在500kg/m3以下的泡沫混凝土填充中使用，且輸送距離及生產(chǎn)效率的限制也使其不適宜500m3以上的填充工程。
1.3 壓力發(fā)泡設(shè)備
壓力發(fā)泡設(shè)備是采用壓力向發(fā)泡溶液中引氣，起泡迅速，發(fā)泡倍率高，泡沫細(xì)小均勻，有較高的泡沫質(zhì)量和較低的發(fā)泡成本。且有效水平輸送距離可達(dá)500米以上，可應(yīng)用于各容重要求的泡沫混凝土填充工程。
但其生產(chǎn)效率仍受設(shè)備制備水平及用途限制，在1000m3以上的填充工程中仍應(yīng)使用該類型設(shè)備中的填充專用設(shè)備生產(chǎn)泡沫混凝土填充材料。
2、目前國內(nèi)主要泡沫混凝土設(shè)備類型
2.1 全手動式泡沫混凝土設(shè)備
該設(shè)備構(gòu)造簡單，由兩個攪拌簡組成一臺泡沫混凝土攪拌機(jī)，無獨(dú)立的穩(wěn)定發(fā)泡系統(tǒng)，無混泡系統(tǒng);不能實現(xiàn)直接泵送，將攪拌均勻的泡沫混凝土漿料卸至作業(yè)面;該類型設(shè)備體積小、重量輕、移動方便，臺班日產(chǎn)量20立方，主要用于屋面泡沫混凝土生產(chǎn)及小型家裝地暖泡沫混凝土生產(chǎn)。但生產(chǎn)效率過低，不適宜填充使用。
2.2 半手動式泡沫混凝土設(shè)備
該設(shè)備在全手動式泡沫混凝土設(shè)備的基礎(chǔ)上使用了泵送系統(tǒng)，將泡沫混凝土漿料直接泵送到作業(yè)面，降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。改善了泡沫混凝土漿料的含固率，增加了漿料的流動性，使泡沫混凝土更利于泵送，較全搬動式設(shè)備施工方便。但發(fā)泡系統(tǒng)及技術(shù)仍不理想，產(chǎn)品的穩(wěn)定性低。目前市場中該類設(shè)備已然較少，即將被淘汰。
2.3 半自動化設(shè)備：
半自動化設(shè)備對發(fā)泡系統(tǒng)、混泡系統(tǒng)做了較大改進(jìn)，所生產(chǎn)的泡沫砼制品更輕、更節(jié)能。發(fā)泡系統(tǒng)使用了高壓過濾型攪拌發(fā)泡原理，使發(fā)泡劑發(fā)泡更充分，減少了泡沫的泌水率，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。混泡系統(tǒng)摒棄了低速攪拌混泡，改用高壓混合器對泡沫、漿料進(jìn)行混合，降低了在混泡過程中泡沫的破損。但該類型設(shè)備因自動化程序較低，目前大多被自動化泡沫混凝土設(shè)備取代。
2.4 自動化泡沫混凝土設(shè)備
該設(shè)備采用軟管泵、液壓泵或螺桿泵作為動力系統(tǒng)，將空氣壓縮設(shè)備集成于設(shè)備內(nèi)部，改良了上料系統(tǒng)，實現(xiàn)了水、電、料、發(fā)泡、混泡的集中控制，在一個控制面板即可控制設(shè)備的全部操作;針對工程現(xiàn)場施工情況復(fù)雜、建筑設(shè)計要求多樣的特點，加入了變頻調(diào)速系統(tǒng)，以適應(yīng)施工過程中多變的情況;改進(jìn)了上料、混泡系統(tǒng)，可添加多種集料，能生產(chǎn)多種用途、多種性能的泡沫混凝土材料。目前市場上銷售、使用的泡沫混凝土設(shè)備多是這種類型，主要應(yīng)用于生產(chǎn)屋面保溫找坡、地暖墊層、衛(wèi)生間填充、地下車庫墊層等建筑用泡沫混凝土，產(chǎn)能10～30m3/h不等。但路橋泡沫混凝土填充要求泡沫混凝土設(shè)備產(chǎn)能應(yīng)不低于50m3/h，該類型設(shè)備仍不能足的要求，需要在此基礎(chǔ)上斷續(xù)研發(fā)大產(chǎn)能路橋泡沫混凝土填充專用設(shè)備。
3、路橋泡沫混凝土填充專用設(shè)備
泡沫混凝土填充工程一般具有：對容重要求嚴(yán)格、工程量大且要求工期緊、填充區(qū)域分布廣等特點，一般泡沫混凝土設(shè)備并不能滿足這些需求，故需要泡沫混凝土填充專用設(shè)備。
根據(jù)泡沫混凝土填充工程的特點，泡沫混凝土填充專用設(shè)備也應(yīng)具備以下幾個特點：
3.1 發(fā)泡效率高，穩(wěn)泡性強(qiáng)，可制備各種容重要求下的泡沫混凝土填充工程。
3.2 生產(chǎn)效率高，每小時生產(chǎn)泡沫混凝土填充材料應(yīng)在60立方米以上，可滿足大、中型充工程使用。
3.3 有效水平輸送距離遠(yuǎn)，有效輸送距離在600米以上，可有效送達(dá)各填充面。
3.4 具有自動化計量控制系統(tǒng)，可有效保證漿料的均勻穩(wěn)定。
3.5 持續(xù)施工能力強(qiáng)，最好能夠和散裝水泥罐相連，保證水泥供應(yīng)的持續(xù)不間。
當(dāng)前泡沫混凝土填充專用設(shè)備在國內(nèi)應(yīng)用并不廣泛，填充工程中仍在大量使用一般的泡沫混凝土澆筑設(shè)備，在遇到工程量大工期緊、填充區(qū)域分布廣等問題是，往往是簡單采用多上設(shè)備、班次的作法，即浪費(fèi)了大量的人力物力，也無法保證工程質(zhì)量。
我公司發(fā)揮自身優(yōu)勢，集中研發(fā)力量，在擁有自主產(chǎn)權(quán)的軟管泵泡沫混凝土漿料泵送設(shè)備(專利號：CN200820149374.X)基礎(chǔ)上，研發(fā)出18型新一代路橋泡沫混凝土填充專用設(shè)備，是國內(nèi)少數(shù)能夠滿足路橋泡沫混凝土填充要求的設(shè)備之一，設(shè)備類型屬于壓力發(fā)泡類，每小時產(chǎn)能高達(dá)60-120m3，設(shè)備由主機(jī)、攪拌機(jī)、多臺輔助攪拌機(jī)、上料裝置、計量系統(tǒng)等組成，所生產(chǎn)泡沫混凝土漿料均勻穩(wěn)定，容重控制精確，配合散裝水泥罐供料，可在滿足大量原料供給的同時，也使施工操作更加簡單方便。
18大型填充用泡沫混凝土設(shè)備性能指標(biāo)
三、發(fā)泡劑的研發(fā)及發(fā)泡工藝改進(jìn)：
1、發(fā)泡劑的質(zhì)量特性
泡沫是形成泡沫混凝土的基礎(chǔ)，所以發(fā)泡劑的質(zhì)量會直接影響泡沫混凝土的質(zhì)量。路橋填充用泡沫混凝土對發(fā)泡劑有如下的質(zhì)量要求：
1.1
泡沫穩(wěn)定性：質(zhì)量好的水泥發(fā)泡劑所制取的泡沫，其液膜堅韌，機(jī)械強(qiáng)度好，不易在漿體擠壓下破滅或過度變形。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張力作用下流失，可長時間保持泡沫液膜的厚度和完整性，從而可使泡沫長間不破滅。穩(wěn)定性好的泡沫，液膜在漿體內(nèi)不易破裂，不易形成連通孔。
1.2 泡沫均勻性：制取的泡沫的泡徑不可能完全相同，但應(yīng)基本相近，泡徑范圍應(yīng)盡可能小，最好在0.1～1mm之間。
1.3 泌水率：泡沫自制出后，就逐漸向外泌水。泡沫的泌水率低，才能更好地保證泡沫中的氣泡數(shù)量和泡沫混凝土的氣孔率，即保證泡沫混凝土的密度。
1.4 對膠凝材料的負(fù)作用：膠凝材料是泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來源，有些發(fā)泡劑所制取的泡沫穩(wěn)定性非常好，但加入膠凝材料后，會降低泡沫混凝土的強(qiáng)度，甚至喪失強(qiáng)度，所以要選用制取的泡沫不對膠凝產(chǎn)生負(fù)作用的發(fā)泡劑。
2、發(fā)泡劑的化學(xué)性質(zhì)
酸性水泥發(fā)泡劑的PH值在4-5，屬酸性，不耐堿和鈣。水泥是高堿物料，水泥溶膠發(fā)生酸堿反應(yīng)，使水泥物料絮凝，泡沫消失，分離，離析后，物料形成水泥、膠、水份層，泡沫壁膜產(chǎn)生破裂、斷裂、空氣大量快速逸出，泡沫混凝土產(chǎn)生斷層、降沉、收縮。
堿性發(fā)泡劑中含有大量的不完全皂化的樹脂酸，PH值9以上，因為天然樹脂在堿液中很難完全皂化，在強(qiáng)堿的作用下只能形成膏狀溶膠，不溶的樹脂酸呈酸性，加入水泥中產(chǎn)生酸性反應(yīng)成絮凝離析物、泡沫消失，分離，泡沫混凝土產(chǎn)生收縮、泌水現(xiàn)象。
中性水泥發(fā)泡劑與水有很好的親和性，溶液流動性接近水，極易溶于水，與水混合時是透明的溶液，無雜物析出，泡沫豐富，在水泥漿中產(chǎn)生大量的泡沫制成優(yōu)質(zhì)的泡沫混凝土，不產(chǎn)生絮凝，分層、泌水、逸氣的現(xiàn)象。
3、填充用泡沫劑的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與要求：
實驗室制備泡沫混凝土的發(fā)泡方式為機(jī)械高速攪拌，攪拌時間約為5min，泡沫現(xiàn)攪現(xiàn)用。所制得的泡沫大小均勻、泡徑較小、穩(wěn)定性好。泡沫混凝土現(xiàn)澆填筑中發(fā)泡方式為壓縮氣體發(fā)泡。傳統(tǒng)發(fā)泡劑質(zhì)量的好壞直接影響到泡沫混凝土的質(zhì)量，能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)有很多，但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能用于泡沫混凝土的生產(chǎn)。只有發(fā)泡倍數(shù)夠大、在泡沫和料漿混合時薄膜不致破壞具有足夠的穩(wěn)定性、對膠凝材料的凝結(jié)和硬化不起有害影響的發(fā)泡劑，才適合用來生產(chǎn)泡沫混凝土。
泡沫混凝土發(fā)泡劑主要性能參數(shù)指標(biāo)
4、發(fā)泡劑穩(wěn)定性的改進(jìn)
為節(jié)約工期，路橋泡沫混凝土填筑必須以最快的速度填筑，當(dāng)一次填筑高度較大時，未凝結(jié)前漿體中的泡沫由于受到自身壓力較大，容易出現(xiàn)破滅變形，從而造成塌落，導(dǎo)致填筑體分層，密度不均等情況發(fā)生。
填筑用發(fā)泡劑要求有極高的穩(wěn)定性，使其在一次性填筑高度較大時，不會出現(xiàn)受壓變形和破滅現(xiàn)象。