现浇泡沫混凝土技术在隧道工程施工中的应用初探

现浇泡沫混凝土技术在隧道工程施工中的应用初探

邓旭升

（中国山东省青州市范公亭南街12号高新技术研究所，山东 青州 262509）

摘  要：介绍泡沫混凝土主要性能及应用现状，阐述水泥发泡机工作原理及质量控制方法。通过试验方法，确定现浇泡沫混凝土配合比。最后通过效益分析，可以看出使用现浇泡沫混凝土进行拱顶回填作业，具有更好的社会效益与经济效益，应优先选择。

关键字：回填；现浇泡沫混凝土；正交试验方法；配合比；效益分析

一、引言

在隧道工程建设中，为了给拱顶被复预留施工空间，在掘进过程中，根据惯例将毛洞起拱高度抬高60cm。由于荷载传递和防护需要，超挖拱顶部分需要进行回填，尤其是在部分防护等级和密闭性要求高部位，例如隧道口部动荷段、丁字口大跨和密闭段等，拱顶超挖部分明确要求必须密实回填。过去采用泡沫混凝土砌块浆砌回填，需要投入大量的兵力。不仅耗时长、劳动强度大，而且施工效率低。

现浇泡沫混凝土是指通过相应的机械将发泡剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到由水泥和水等制成的浆料中，从而形成的轻质多孔混凝土。现浇泡沫混凝土施工技术，它实现了泡沫混凝土制备与浇筑一体化施工。现浇泡沫混凝土由于流动性大，能够很好的填充回填空间。硬化后，泡沫混凝土能很好地和其他结构相互接触，而且能分散、传递建筑自身的荷载。针对隧道工程中某些重点部位回填工作量大的问题，使用现浇泡沫混凝土回填具有更好的社会效益和经济效益。

二、现浇泡沫混凝土主要性能及应用状况

2.1 现浇泡沫混凝土的主要性能

由于配制现浇泡沫混凝土的原材料简单，混凝土中含有大量的气泡，使泡沫混凝土具有优于建筑材料的特殊性能。

（1）保温性

根据研究表明，泡沫混凝土的导热系数为0.06~0.28W/（M.K），热阻约为普通混凝土的10~20倍，因此泡沫混凝土是良好的保温材料。

（2）轻质性

通常泡沫混凝土硬化后，干燥情况下的密度位于300~1600Kg/m3区间，相当于普通水泥混凝土的1/8~1/2左右。使用泡沫混凝土砌块施工，可以减轻劳动强度，同时也可以减轻建筑物整体荷载。

（3）低弹减震性

现浇泡沫混凝土的多孔性使其具有较低的弹性模量。当对冲击载荷作用在泡沫混凝土结构上时，泡沫混凝土能够吸收和分散作用。

（4）隔音性

由于现浇泡沫混凝土中分布均匀着大量的独立气泡，使其具备有良好地隔音功能。泡沫混凝土的吸音能力大约为0.09~0.19%，是普通混凝土的5倍

（5）环保性

泡沫混凝土所需原料为水泥、水和发泡剂，其中发泡剂为多为中性，且不含苯、甲醛等有害物质。因此，泡沫混凝土预制构建非常环保。

2.2 现浇泡沫混凝土应用现状

1952 年，在苏联专家帮助下，我国开始发展泡沫混凝土技术研究。经过几十年的研究积累，目前，泡沫混凝土在建筑和路桥方面等得到广泛应用，详细应用如下。

（1）用作挡土墙。泡沫混凝土主要用作港口的岩墙。在港口岸墙后，采用泡沫混凝土回填，由于自身密度小，可以减少对岸墙的侧向载荷。同时，泡沫混凝土经常用于取代路堤边坡的部分土壤，由于减轻了质量，从而增加了边坡稳定性。

（2）补偿地基。在施工过程中，由于各建筑群体的自重不一，导致地基产生不均匀沉降。为补偿地基，可以在建筑物自重小的基础填充适当的泡沫混凝土。

（3）管线回填。在污水管、地下管线和废旧油柜中，使用密度等级为 600~1100 kg/m3的泡沫混凝土填充，能够有效防止地面塌陷，同时又能起到防火效果。

（4）修建运动场和田径跑道。使用密度等级为800~900 kg/m3的泡沫混凝土，浇筑一定的厚度，在泡沫混凝土上盖上一层较薄的塑料层和多孔沥青，可以当作田径跑道。

（5）用作屋面保温层。由于泡沫混凝土良好的保温隔热性，在屋面板上层浇筑3~5的泡沫混凝土充当屋面的保温层。

（6）制作泡沫混凝土砌块。泡沫混凝土最常用于制作砌块。作为墙体的填充材料，大大降低建筑物自重，进而可以适当减少桩的数量和减小桩径，节省工程开支。

三、水泥发泡机工作原理

3.1 水泥发泡机工作原理

公司现有一台FP系列液压发泡机，它主要由水泥搅拌系统、分配阀系统、液压推进系统、发泡剂系统和电力控制系统组成。如下图所示，采用FP系列液压发泡机进行现浇泡沫混凝土施工主要分三步。

第一步，制备水泥浆和泡沫。水泥和水在水泥浆搅拌系统中混合搅拌，形成水泥浆；同时，发泡剂和水在发泡系统中混合搅拌，形成泡沫。

第二步，配制泡沫混凝土。水泥浆和泡沫通过分配阀系统进行混合，配制泡沫混凝土。

第三步，浇筑泡沫混凝土。泡沫混凝土在水泥发泡机中通过液压推送系统，经过输浆管道直接输送到施工作业面。

图1 水泥发泡机工作流程

3.2发泡机主要参数

表1  FP系列液压发泡机主要参数

四、泡沫混凝土配合比试验

4.1材料选择

现浇泡沫混凝土与普通混凝土区别很大，泡沫混凝土中没有粗、细集料的骨架作用，它由大量颗粒均匀细腻的气泡和水泥浆进行混合形成，附在气泡表面的水泥经过水化后产生强度。因此，成产泡沫混凝土，只需要准备水泥、水和发泡剂即可。

公司现用水泥为天瑞集团南召有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，水为搅拌站拌合用水，发泡剂为烟台新机械制造有限公司生产的植物性水泥发泡剂，稀释倍率为40。

4.2配合比设计

根据隧道图纸设计要求，头部动荷段和丁字口拱顶必须采用泡沫混凝土密实回填，要求抗压强度不小于2MPa/m3，容重不小于800kg/m3，弹性模量不小于1000 MPa。

4.2.1配合比计算

根据《现浇轻质泡沫混凝土应用技术规程》配合比计算方法，设计满足坑道回填要求地配合比。

（1）确定水泥用量

按照公式4-1确定每立方现浇泡沫混凝土水泥用量。

                          mc=0.812*m                              4-1

    =0.812*800=649.6kg

式中  m—拟配制泡沫混凝土每立方米的质量（kg/m3）；

      mc—拟配制泡沫混凝土每立方米的水泥用量（kg/m3）。

（2）确定水用量

按照公式4-2确定每立方现浇泡沫混凝土水泥用量。

                        mw=0.227*mc                               4-2

    =0.227*649.6=147.46kg

式中  mw—拟配制泡沫混凝土每立方米的用水量（kg/m3）；

（3）确定泡沫体积

按照公式4-3确定每立方现浇泡沫混凝土水泥用量。

                                                   4-3

=0.643

式中  Vp—拟配制泡沫混凝土每立方米的泡沫体积（m3）；

pw—拟配制泡沫混凝土中水的密度（kg/m3）；

      pc—拟配制泡沫混凝土中水泥的密度（kg/m3）。

根据经验，当泡沫混凝土单方用水量为147.46kg时，浆体过于粘稠，FP系列液压发泡机无法正常施工。因此，理论计算得到地配合比只能作为一种配合比试验的一项参照数据，无法直接用于施工，而最终配合比的确定只能根据经验，在试验中不断寻找。

4.2.2初步试验与结果

根据FP系列液压发泡机使用说明书可知，现浇泡沫混凝土中水灰比可以在水泥浆搅拌系统中实现控制，而泡沫混凝土中泡沫体积率，只能通过设置发泡机的“变频电机和发泡系统”频率来实现初步控制，但不同频率对应泡沫体积比不得而知。

根据厂家提供的参数，工区试验室决定按照水泥和水1:1和2:1的质量比进行初步试验。试验中按照预定的质量比称取水泥和水，加入到水泥浆搅拌器内，同时将发泡剂与水按照1:40的质量比混合均匀，发泡剂溶液形成泡沫与水泥浆充分搅拌，形成泡沫混凝土，最后通过输浆系统，将泡沫混凝土浇注到试模中留样。试模置于自然环境中养护24h 后拆模，并放入标准养护箱内养护。试块养护3d后取出，放入快速养护箱中蒸养8h后，进行单轴压缩试验，试验结果如下表所示。

表2 现浇泡沫混凝土首次试验结果

4.2.3 正交试验与结果

根据初步试验结果，工区试验室决定以“水灰比0.6，发泡频率20Hz”为基准，水灰比上下浮动0.1，发泡频率上下调动5Hz，进行正交试验。

采用初步试验相同的方法进行试配，每组配合比留取三组150*150*150试块（每组3个），并做好相应的标记。脱模后，放入标准养护箱内养护。在养护过程中，依次对龄期为3d、14d、28d的泡沫混凝土进行单轴压缩试验，试验结果如下表所示。

表3 现浇泡沫混凝土正交试验结果

4.3 试验结果分析

（1）根据图2显示表明，硬化后泡沫混凝土干燥情况下密度与水灰比和发泡频率大小成反比。水灰比和发泡频率越小，泡沫混凝土密实。

图2 容重与水灰比和发泡频率关系

（2）根据图3显示表明，泡沫混凝土强度与水灰比和发泡频率大小成反比，与养护时间成正比。水灰比和发泡频率越小，泡沫混凝土强度越高。

图3 强度与水灰比、发泡频率和时间关系

（3）综合考虑图纸设计要求，在便于坑道内施工情况下， “水灰比为0.6，发泡频率为20Hz”为最佳配合比。

五、效益分析

根据图纸设计要求，丁字口拱顶要求采用泡沫混凝土回填。过去人工，采用泡沫混凝土砌块，浆砌块回填，需要投入大量的人力物力，而且劳动强度大，施工效率地。泡沫混凝土砌块通过市场采购，价格昂贵。如果采用现浇泡沫混凝土回填，在施工效率和经济方面可以取得巨大地进步。将A丁字口回填情况与假设采用泡沫混凝土回填进行对比，结果如下表所示。

表4 施工对比情况

根据数据显示，可以得到以下结论。

（1）由于现浇泡沫混凝土施工简单，施工速度和施工效率提高了5倍。

（2）由于泡沫混凝土质量轻，回填工作劳动强度降低约60%。

（3）由于泡沫混凝土材料简单，施工成本（不含人工和时间成本）降低约14%。

（4）整体性好，提高了回填质量。由于现场浇注，泡沫混凝土与主体工程结合紧密，成形后泡沫混凝土抗压强度更有保证，而且耐久性好，基本与主体工程寿命相同。

六、存在的问题及展望

6.1存在的问题

（1）发泡剂问题

目前，市场上发泡剂种类很多，质量良莠不齐。由于国家尚未出台一部统一的检测标准，泡沫剂质量无法得到科学准确地评估，进而无法为选择发泡剂提供有效依据。

（2）配合比设计问题

由于现浇泡沫混凝土研究和推广应用时间还不长，国家或建筑行业内都还未提出一套成熟有效的配合比计算方法，使理论计算的现浇泡沫混凝土配合比能够完全满足或基本满足施工要求。当前，现浇泡沫混凝土配合比确定，主要根据经验确定一个大概值，然后通过大量的试验完成。配合比设计过程中，耗时较长，而且试验成本昂贵。

（3）水泥发泡机问题

市场中现有的发泡机设备功能还不够完善，自动化程度还不够高，尤其是无法做到精确计量。

6.2展望

    现浇泡沫混凝土优点很多，阵地工程采用现浇泡沫混凝土解决特殊部位大批量回填问题，具有不可比拟优势。目前，工区在探索现浇泡沫混凝土施工技术方面还处于起步阶段，需要从以下几个方面继续努力。

（1）进行配合比试验，完善泡沫混凝土施工配合比，使泡沫混凝土满足设计要求情况下，既能快速施工，又能降低施工成本。

（2）协同发泡机厂家，优化发泡剂设备，提高发泡机设备的自动化水平，并且能够实现精确计量。

参考文献

[1]田梦涛 黄冬陵.泡沫混凝土的制备、性能与发展前景.【j】建筑工程，2016年46期，18～19

[2]黄宝梅.泡沫混凝土在道路工程的应用研究【j】.建筑发展方向，2021年第23期

[3]毛庭.泡沫混凝土回填施工技术实施要点探析【j】.科技创新与应用，2020年第30期