新型泡沫混凝土橋臺背填充技術的可行性
近年來，在國家新一輪的基礎建設計劃的實施下，道路、橋梁工程建設又進入了一個調整發(fā)展的時期。我國道路、橋梁建設，已取得了舉世輝煌的成績。
在需高填方的橋梁建設中，在路橋結合部的橋臺背、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)來進行填筑。施工時，每填筑20～1250px土需進行碾壓、夯實，密實度達到設計要求后，再進行下一層填筑、碾壓、夯實，填筑達到設計標高后，需經過較長時間的工后沉降期(幾個月、半年或一年以上)才能進行路面結構層鋪設。由于工后沉降期較長，這寫橋梁建設的時效性、工程的經濟性矛盾。在橋臺背或主橋與引橋軟連接或橋頭等過渡段，路面結構層鋪設完成投入使用后，因填料荷載過大、雨水滲入，地基的承載力不夠等原因，容易產生不均勻沉降，造成跳車現象，被稱為橋頭跳車。橋梁70%的維修費用是花費在橋頭跳車的修補上。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、經濟性不強等問題。
泡沫混凝土是可代替土進行橋臺背填充的新型輕質混凝土材料。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，經混合攪拌、澆注成型、自然養(yǎng)護而成的一種多孔輕質現澆混凝土。具有輕質、環(huán)保、可現澆、成本低等獨特的性能特點。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、建筑結構減荷領域應用較多。
泡沫混凝土材料應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。泡沫混凝土材料具有有密度小、質量輕、強度大于常規(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，具有明顯的技術優(yōu)勢。采用泡沫混凝土填筑，可大幅減少工后臺背維修費用，且通過優(yōu)化設計可減少橋梁樁基用量，綜合成本低，具有較高性價比的經濟優(yōu)勢。同時泡沫混凝土還可應用于軟基路段公路路基、道路加寬擴建、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、空洞填充等領域。
泡沫混凝土填筑的關鍵技術點在于：①在漿料中加入適當的外加劑，以提高漿體的凝結速度，保證在較短的時間內促成泡沫混凝土微觀結構狀態(tài)固化;②研發(fā)新型泡沫混凝土填筑設備，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，不會出現受壓變形和破滅現象。
一、泡沫混凝土橋臺背填充技術要求
泡沫混凝土質量輕，強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，但對經濟性、高強度特性、漿體的流動性、濕密度的控制、漿體凝結時間等有較高的要求。
1、常用填筑用泡沫混凝土技術指標如下：
常用填筑用泡沫混凝土技術參數
表中泡沫混凝土強度范圍為參考值，設計時可根據需要適當超出參考強度范圍取值(±22%)，在施工時可通過調整原材料配比，添加外加劑達到設計要求。
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具體項目的要求的容重、強度所決定，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%。當容重在500kg/m3以下時，其常溫配比量應約占于物料總量的90%以上。
2.2 輕集料配比
泡沫混凝土填充施工，配方中應不設計或少設計輕集料，因為它會影響漿料的初凝，當用量較大時，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超過水泥量的20%;A09以下不應超過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的需要，還要滿足攪拌及澆注成型的需要。理想的水料比，應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。材料應有出廠合格證，出廠性能報告，產品使用說明等。
3.3 外加劑：
外加劑應符合《混凝土外加劑》GB 8076的規(guī)定。
3.4 水：
應符合JGJ 63規(guī)定，不含有影響泡沫穩(wěn)定性，水泥強度及耐久性的有機物，油垢等雜質。
3.5 粉煤灰：
一般應選用一級粉煤灰，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 細磨礦渣粉：
細磨礦渣粉細度(0.045mm方孔篩篩余)應小于20%，活性指數(28d)應大于95%。
4、原材料對質量的影響：
4.1 水泥：
水泥是構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、火山灰質復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整水泥漿的凝結時間，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。它的化學結構含有羧基負離子斥力，以及多個醚側鏈與水分子反應生成的強力氫鍵所形成的親水性立體保護膜產生的立體效應，使它具有極強的水泥分散效果和分散穩(wěn)定性。它的減水率高達30%～40%，在保持強度不變時節(jié)約水泥25%，在保持水泥用量不減時可提高混凝土強度30%以上。
4.2.2
促凝劑：能使混凝土迅速凝結硬化的外加劑。促凝劑的主要種類有無機鹽類和有機物類。我國常用的促凝劑是無機鹽類。無機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內初凝，1Omin內終凝。1h就可產生強度，ld強度提高2～3倍，但后期強度會下降，28d強度約為不摻時的80%～90%。溫度升高，提高促凝效果越明顯。混凝土水灰比增大則降低促凝效果，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、抗剪強度、粘結力等有所降低。
我公司結合多年施工生產經驗，經過長期的研發(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速度，使泡沫混凝土內部氣孔均勻分布，微觀結構合理，填筑體密度低、抗壓強度好。
二、路橋填筑用泡沫混凝土專用設備
1、泡沫混凝土設備發(fā)泡方式
國內澆注設備主要分為低速攪拌發(fā)泡設備、高速葉輪發(fā)泡設備、壓力發(fā)泡設備。
1.1 低速攪拌發(fā)泡設備
這種設備的發(fā)泡方法是將發(fā)泡劑和水泥及集料一同加入攪拌機，依靠攪拌機葉片引入空氣，使發(fā)泡劑起泡并將泡沫混進砂漿或混凝土內。這是一種將發(fā)泡與混跑合為一體的工藝設備。此種設備僅適合在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)泡設備
高速葉輪發(fā)泡設備與低速攪拌發(fā)泡設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)泡機所發(fā)泡沫用人工的方法經計量后加入水泥漿攪拌機，與水泥漿混合成泡沫漿的一種泡沫混凝土生產設備。此種設備發(fā)泡效率雖高但制泡質量較差，且生產效率也不高，并對遠距離輸送還有一定難度，故該設備也不適宜在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)泡設備
壓力發(fā)泡設備是采用壓力向發(fā)泡溶液中引氣，起泡迅速，發(fā)泡倍率高，泡沫細小均勻，有較高的泡沫質量和較低的發(fā)泡成本。且有效水平輸送距離可達500米以上，可應用于各容重要求的泡沫混凝土填充工程。
但其生產效率仍受設備制備水平及用途限制，在1000m3以上的填充工程中仍應使用該類型設備中的填充專用設備生產泡沫混凝土填充材料。
2、目前國內主要泡沫混凝土設備類型
2.1 全手動式泡沫混凝土設備
該設備構造簡單，由兩個攪拌簡組成一臺泡沫混凝土攪拌機，無獨立的穩(wěn)定發(fā)泡系統(tǒng)，無混泡系統(tǒng);不能實現直接泵送，將攪拌均勻的泡沫混凝土漿料卸至作業(yè)面;該類型設備體積小、重量輕、移動方便，臺班日產量20立方，主要用于屋面泡沫混凝土生產及小型家裝地暖泡沫混凝土生產。但生產效率過低，不適宜填充使用。
2.2 半手動式泡沫混凝土設備
該設備在全手動式泡沫混凝土設備的基礎上使用了泵送系統(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度，提高了生產效率。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，較全搬動式設備施工方便。但發(fā)泡系統(tǒng)及技術仍不理想，產品的穩(wěn)定性低。目前市場中該類設備已然較少，即將被淘汰。
2.3 半自動化設備：
半自動化設備對發(fā)泡系統(tǒng)、混泡系統(tǒng)做了較大改進，所生產的泡沫砼制品更輕、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，增強了穩(wěn)定性?；炫菹到y(tǒng)摒棄了低速攪拌混泡，改用高壓混合器對泡沫、漿料進行混合，降低了在混泡過程中泡沫的破損。但該類型設備因自動化程序較低，目前大多被自動化泡沫混凝土設備取代。
2.4 自動化泡沫混凝土設備
該設備采用軟管泵、液壓泵或螺桿泵作為動力系統(tǒng)，將空氣壓縮設備集成于設備內部，改良了上料系統(tǒng)，實現了水、電、料、發(fā)泡、混泡的集中控制，在一個控制面板即可控制設備的全部操作;針對工程現場施工情況復雜、建筑設計要求多樣的特點，加入了變頻調速系統(tǒng)，以適應施工過程中多變的情況;改進了上料、混泡系統(tǒng)，可添加多種集料，能生產多種用途、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備多是這種類型，主要應用于生產屋面保溫找坡、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，產能10～30m3/h不等。但路橋泡沫混凝土填充要求泡沫混凝土設備產能應不低于50m3/h，該類型設備仍不能足的要求，需要在此基礎上斷續(xù)研發(fā)大產能路橋泡沫混凝土填充專用設備。
3、路橋泡沫混凝土填充專用設備
泡沫混凝土填充工程一般具有：對容重要求嚴格、工程量大且要求工期緊、填充區(qū)域分布廣等特點，一般泡沫混凝土設備并不能滿足這些需求，故需要泡沫混凝土填充專用設備。
根據泡沫混凝土填充工程的特點，泡沫混凝土填充專用設備也應具備以下幾個特點：
3.1 發(fā)泡效率高，穩(wěn)泡性強，可制備各種容重要求下的泡沫混凝土填充工程。
3.2 生產效率高，每小時生產泡沫混凝土填充材料應在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，有效輸送距離在600米以上，可有效送達各填充面。
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，最好能夠和散裝水泥罐相連，保證水泥供應的持續(xù)不間。
當前泡沫混凝土填充專用設備在國內應用并不廣泛，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備、班次的作法，即浪費了大量的人力物力，也無法保證工程質量。
我公司發(fā)揮自身優(yōu)勢，集中研發(fā)力量，在擁有自主產權的軟管泵泡沫混凝土漿料泵送設備(專利號：CN200820149374.X)基礎上，研發(fā)出18型新一代路橋泡沫混凝土填充專用設備，是國內少數能夠滿足路橋泡沫混凝土填充要求的設備之一，設備類型屬于壓力發(fā)泡類，每小時產能高達60-120m3，設備由主機、攪拌機、多臺輔助攪拌機、上料裝置、計量系統(tǒng)等組成，所生產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備性能指標
三、發(fā)泡劑的研發(fā)及發(fā)泡工藝改進：
1、發(fā)泡劑的質量特性
泡沫是形成泡沫混凝土的基礎，所以發(fā)泡劑的質量會直接影響泡沫混凝土的質量。路橋填充用泡沫混凝土對發(fā)泡劑有如下的質量要求：
1.1
泡沫穩(wěn)定性：質量好的水泥發(fā)泡劑所制取的泡沫，其液膜堅韌，機械強度好，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，但應基本相近，泡徑范圍應盡可能小，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 對膠凝材料的負作用：膠凝材料是泡沫混凝土強度的主要來源，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度，甚至喪失強度，所以要選用制取的泡沫不對膠凝產生負作用的發(fā)泡劑。
2、發(fā)泡劑的化學性質
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，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，泡沫壁膜產生破裂、斷裂、空氣大量快速逸出，泡沫混凝土產生斷層、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，加入水泥中產生酸性反應成絮凝離析物、泡沫消失，分離，泡沫混凝土產生收縮、泌水現象。
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，在水泥漿中產生大量的泡沫制成優(yōu)質的泡沫混凝土，不產生絮凝，分層、泌水、逸氣的現象。
3、填充用泡沫劑的關鍵技術指標與要求：
實驗室制備泡沫混凝土的發(fā)泡方式為機械高速攪拌，攪拌時間約為5min，泡沫現攪現用。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)泡劑質量的好壞直接影響到泡沫混凝土的質量，能產生泡沫的物質有很多，但并非所有能產生泡沫的物質都能用于泡沫混凝土的生產。只有發(fā)泡倍數夠大、在泡沫和料漿混合時薄膜不致破壞具有足夠的穩(wěn)定性、對膠凝材料的凝結和硬化不起有害影響的發(fā)泡劑，才適合用來生產泡沫混凝土。
泡沫混凝土發(fā)泡劑主要性能參數指標
4、發(fā)泡劑穩(wěn)定性的改進
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，當一次填筑高度較大時，未凝結前漿體中的泡沫由于受到自身壓力較大，容易出現破滅變形，從而造成塌落，導致填筑體分層，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，不會出現受壓變形和破滅現象。
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