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泡沫混凝土在南水北调工程焦作段的应用
发布日期:2018-7-24 10:07:33 点击数:35新闻来源:

 泡沫混凝土在南水北调工程焦作段的应用

陈敦刚  吕磊  牛永杰
摘  要  泡沫混凝土是混凝土大家族中的一员,在工业民用建筑领域已广泛应用,而在水利工程中我局尚属首次应用。本文主要介绍南水北调工程焦作市区焦东路路桥连接段路基的泡沬混凝土施工工艺和工程质量的检测。
关键词  泡沫混凝土  施工工艺  质量检测
1  工程概况
南水北调焦东路跨渠公路桥为南北走向,桥梁工程由主桥、南北引桥组成,工程范围(含南北引道)全长892m。工程区位于渠堤高填方段,为有效降低高填方段回填荷载,降低地基应力,减小地基差异沉降,便于吸收搭板冲击能量,有效解决主桥与南北引桥搭板处桥头跳车;同时,为加快焦东路公路桥施工进度,及早实现焦东路跨渠桥梁通车、缓解焦作市城区7座桥梁同时施工引起的交通压力,为山阳路公路桥及政二街断路施工创造条件。经方案比选,并同设计研究同意决定在焦东路主桥与引桥搭板衔接处的路堤填筑施工中采用泡沫混凝土填充,以便加快施工进度,实现焦东路公路桥按期通车目标。
泡沫混凝土是混凝土大家族中的一员,系采用专用机械将发泡剂制成泡沫,再将泡沫与胶凝材料浆体混合成泡沫料浆,通过机械泵送到仓面中,经自然养护形成的多孔轻质混凝土材料。根据设计要求,焦东路主桥与南、北引桥间道路路基的底座上部需用泡沫混凝土换填,其换填长度共24m、高约6m,泡沫混凝土换填工程量约4000m3。
泡沫混凝土应用
泡沫混凝土换填断面示意图见图1。
图1  泡沫混凝土换填横断面
1.1  泡沫混凝土回填断面设计
(1)泡沫混凝土分区:路槽下80cm范围内,采用容重≤6.5kN/ m3 ,其余区域容重≤5.5kN/ m3 ;路槽下80cm 范围内,28d无侧限抗压强度≥0.8MPa,其余区域强度≥0.6MPa;路槽下80cm范围,含气量为60%,其余区域含气量65%;
(2)泡沫混凝土顶面以下80cm及碎石基础顶面以上80cm位置各设置一层Ф6@100钢丝网片,接长时,搭接长度10cm;
(3)泡沫混凝土按照水平分层进行浇筑施工,每层厚度80cm,浇筑时,从软管的前端直接浇筑,且出料口埋入泡沫混凝土中。纵向每10m设置纵向施工缝,在路基中心线和半幅中间位置设置三条纵向施工缝。施工缝设置夹板,此夹板后期不取出;顶层填筑时,横断面方向采用1500mm×500mm台阶衔接。
1.2  材料设计湿容重、密度
施工前,对水泥、发泡剂样本进行配比试验,以满足表1设计要求。
表1  泡沫混凝土设计技术参数表
湿容重(kn/m3) 干密度
(kg/m3) 抗压强度
(MPa) 设计湿密度(kg/m3) 设计泡沫密度(kg/m3) 流值(mm)
6.50 515 ≥0.8 663 43 180±10
5.50 420 ≥0.6 550 43 180±10
2  原材料及配合比
2.1  水泥
水泥是构成泡沫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,为了保证气泡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,采用PO42.5R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。
2.2  高效减水剂
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。
2.3  促凝剂
促凝剂是一种能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂,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。
2.4  发泡剂 
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。
2.5  泡沫混凝土配比
施工中严格按照试验配比进行操作,泡沫混凝土配比表见表2。
表2  泡沫混凝土配比表
湿容重
(kn/m3) 酸盐水泥
(kg/m3) 发泡剂
(kg/m3) 水
(kg/m3) 高效减水剂
(kg/m3) 促凝剂
(kg/m3) 泡沫稀释比
(泡沫:水)
6.50 450 32 200 11 15 1:60
5.50 350 35 165 8 11 1:50
3  泡沫混凝土施工
3.1  工艺流程
现浇泡沫混凝土施工工艺流程见框图2。
3.2  泡沫混凝土施工
泡沫混凝土的生产工艺流程见图3。
3.2.1  胶凝材料浆体的制备 
胶凝材料采用水泥。因泡沫要向胶凝材料浆体中混合,故泡沫混凝土的生产首先要制备胶凝材料浆体。浆体制备前,胶凝材料与填充料等称量并输送至拌和机;同时 水由计量泵侧送入拌和机,拌制出近似于膏状浆体,为加入泡沬做准备。
3.2.2  泡沬的制备
   在胶凝材料浆体制备同时,发泡机已制成泡沫,准备加入搅拌机和浆体混合。在制泡沫前,应先将发泡剂计量后加水稀释,制成水稀释液。原状发泡剂不能直接加入发泡机发泡。
3.2.3  泡沬与胶凝浆体的混合搅拌和输送
泡沫和胶凝浆体分别制好以后,将泡沫和浆料使用HT-18型泡沫混凝土自动化机械搅拌均匀,生产出泡沫浆体,打开泵体开关,直接输送至仓内卸料。
泡沫混凝土应用
泡沫混凝土应用
3.2.4  泡沫混凝土浇筑
泡沫混凝土按水平分层进行浇筑,当下填筑层终凝后方可进行上填筑层的填筑。分层厚度控制在30cm~80cm,太薄不利于单层泡沫混凝土的整体性,太厚容易引起下部泡沫混凝土中的气泡压缩影响容重,对施工操作也带来不便。泡沫混凝土填筑间隔每12h浇注一层为宜。浇筑时需从软管的前端直接开始,且软管出料口需埋入泡沬混凝土中。在浇筑泡沫混凝土顶面时,人行道下部处需预留2m高度的台阶,以满足过桥管线及电缆后期的敷设。
3.2.5  泡沫混凝土的分缝
当浇筑面积较大,在泡沫混凝土初凝前不能完成整层填筑时,必须分块。分块面积的大小应参考沉降缝位置,并根据泡沫混凝土的初凝时间、设备供料能力以及分层厚度进行确定。路基纵向施工缝控制在10m以内,焦东路在路基中心线和左右半幅中间位置共设置三条纵向施工缝,横向浇注宽度大于15m也应进行分块。
3.2.6  特殊条件下施工
(1)避免在雨天填筑:在泡沫混凝土尚未凝结硬化时,雨水会导致严重的消泡现象及水泥浆流失,使泡沫混凝土容重和抗压强度难以控制。
(2)避免在高温天气施工:在高温天气施工时必须加强养生工作。
(3)避免在负温下施工:在负温下施工时,应首选快硬硫铝酸盐水泥作为固化剂。为防止消泡现象产生,应避免使用早强剂、防冻剂等外加剂,如必须使用此类外加剂时,应事先通过试验确定外加剂品种及配合比,试验结果应包括表观密度、湿密度、流值、28d无侧限抗压强度。
(4)泡沫混凝土专用发泡剂应避免在负温下使用。如必须在负温下使用时,应使用电加热棒预热,并使用温度计连续测量,液体温度达到5℃以上时,方可投入搅拌。
3.2.7  养护
现场浇筑泡沫混凝土采用常规的自然养护法。模具成型制品者,可在浇注后先进行
初养,达到脱模强度时脱去模具,再保温保湿进行后期养护。
3.3  金属网施工
根据设计要求,泡沫混凝土底面以上80cm位置浇注1层泡沫混凝土后铺设一层钢丝网;顶面以下80cm且湿容重6.5kn/m3泡沫混凝土与5.5 kn/m3泡沫混凝土搭接处,亦需铺设一层钢丝网;桥头与通道路段纵向1:1.5斜坡位置的钢丝网,应预先进行铺设并固定。其施工技术要求如下:
(1)金属网规格为ф6mm-@10×10的钢丝网;
(2)铺设前检查钢丝网外观,有明显锈迹的金属网不采用,要求总包单位更换;
(3)采用铁丝扎或U型卡连接固定,相邻绑扎点间距不超过10mm边长;
(4)在变形位置,钢丝网断开铺设。
4  工程质量检测
4.1  质量保证措施
(1)本工程使用42.5级普通硅酸盐水泥,通过加入促凝剂来改善泡沫混凝土浆体的凝结和稠化性能。泡沫混凝土浆体需水量较大,待浆体凝结硬化后产生大量的微裂缝和孔隙,影响泡沫混凝土的性能。可通过加入高效减水剂,在保持泡沫混凝土浆体流动度的同时,减少用水量。
(2)泡沫混凝土浆体成型时容易产生泌水、离析、分层、冒泡甚至塌模。可加入高分子添加剂,通过改变稠度、流动度和保水性来解决上述出现的问题。目前市场上发泡剂制造成本较高,现有发泡技术制成的泡沫稳定性差,泡沫不均匀。
(3)泡沫混凝土的强度随着引入泡沫而产生的孔隙率的增加而降低,引入泡沫越多,孔隙率越大,容重越小,其轻质、保温、隔音的性能就越明显,但是强度下降幅度就越大,所以泡沫混凝土的特性是以强度降低为代价的。要使其强度与其特殊性能之间平衡,也就是说要在降低容重的前提下,最小限度的降低泡沫混凝土的强度。提高泡沫混凝土的强度可以考虑选择适宜的配合比;掺合料采用适宜的颗粒级配;使用高效减水剂并控制适宜的低水灰比;采用优质高效发泡剂;采用纤维增强和有机类外加剂复合;加强泡沫混凝土的早期养护,优化养护制度、加强早期保水;减小泡沫混凝土的收缩、掺加适量的膨胀水泥、憎水剂,防止开裂和吸水。
(4)成品保护措施 
泡沫混凝土按换填厚度填筑完成后,因其强度较普通混疑土低,且采用垂直填筑,回填土方时注意以下事项:
①泡沫混凝土强度<0.6MPa时,禁止回填普通土;
②在进行泡沫混凝土顶面回填土方施工前,侧面回填土方的顶面不得低于泡沫混凝土顶面。
③  泡沫混凝土层浇注完成后7d内,严禁直接在泡沫混凝土顶面行驶车辆和其他施工机械。路面施工必须在顶层泡沫砼养护7d以后进行。
④如果在泡沫混凝土内有后埋管线,在开挖沟槽时对钢丝网应进行切割,防止大范围破坏钢丝网。
4.2  质量检测项目 
(1)泡沫混凝土在施工过程中,应分别进行湿密度、力学性能抽样检测,检测结果不合格,不得进行下一道工序施工。现浇泡沫混凝土质量检测项目见表3。
 
表3  现浇 泡沫混凝土质量检测项目
序号 检查项目 合格标准 检验数量 备注
1 湿密度 设计值 ± 10% 一日两次 
3 28天抗压强度 6.5kn/m3≥ 0.8MPa
5.5kn/m3≥ 0.6MPa 每400m3 施工中取样,龄期满28d抽检。
连续分布的成型浇筑体不足400m3也应检验一次。
注:质量检验应以连续分布的成型浇筑体为基本单位。
(2)泡沫混凝施工浇筑每层土硬化后,应分别对顶面高程、平面位置、平面尺寸进行检测,检测结果不合格,不得进行下一道工序施工。泡沫混凝土硬化后检测项目见表4。
表4  泡沫混凝土硬化后检测项目
序号 检查项目 合格标准 检验数量 备注
下 顶面高程 设计高程±5cm 每层硬化后检测 水准仪测量
2 平面位置 长轴线偏差±5cm 每层硬化后检测 经纬仪测量
3 平面尺寸 ≥设计边界 每层硬化后检测 钢尺测量
注:质量检验应以连续分布的成型浇筑体为基本单位。
4.3  质量检测成果 
泡沫混凝土质量检测成果见表5。
表5  泡沫混凝土质量检测成果
检  测  项  目 设计标准值 检测次数 最大值 最小值 平均值 备   註
湿密度 6.5(kn/m3) ≥6.5±10% 6 6.9 6.5 6.7 
 5.5(kn/m3) ≥5.5±10% 24 5.9 5.5 5.7 
抗压强度 6.5(kn/m3) ≥0.8MPa 6 0.85 0.82 0.84 为28d强度
 5.5(kn/m3) ≥0.6MPa 24 0.66 0.62 0.64 
由表5、表4可见,焦东路路桥连接段的泡沫混凝土质量的湿密度和抗压强度均合格,满足设计要求;泡沫混凝土硬化后经仪器测量,其平面位置、顶面标高和体形尺寸均满足设计和相关规范要求。
5  结语 
    南水北调焦作市区焦东路的路桥连接段釆用泡沫混凝土作为道路路基,是我局地基处理工程中首次应用,该低密度泡沫混凝土的强度能较好地控制在设计要求的范围内,并具有良好的压缩性能,且经济、实用。焦东路公路桥通车半年来,运行情况良好,表明采用泡沬混凝土充填搭板基础达到了预期目标,为类似工程的基础处理堤供了一种新的借鉴经验。
上一个:泡沫混凝土在矿井中的应用初探  下一个:泡沫混凝土在其它方面的应用