港珠澳大桥珠澳口岸人工岛通过填筑中粗砂形成, 地形较为平坦, 场地标高为3.900～4.500m。表层吹填砂一般厚6.6～12.7m。场地内存在较厚软土层, 为灰色淤泥质黏土, 厚约3.5～16.6m。路基施工前, 整个人工岛已利用真空联合堆载预压法进行软基处理。受桥梁通道、横向道路所需净空、地下水位及路基稳定性等因素控制, 场地整平标高为4.200m, 路基在此基础上进行填筑、处理。为减少工后沉降、防止发生不均匀沉降, 当填方高度>1.53m时, 采用泡沫轻质土进行路基施工。澳门连接线桥头段路基由于填筑较高, 为防止工后路基与桥梁沉降差异过大, 采用U形槽+泡沫轻质土的处理方式。

泡沫轻质土路基是一种新型轻型路基, 具有轻质、整体性好等优点, 能有效预防吹填人工岛等软土路基发生过度沉降或不均匀沉降。现浇泡沫轻质土利用压缩空气通过物理方法将水泥专用泡沫剂制成细腻稳定的泡沫, 与水泥基胶凝材料、拌合用水及可选组分细集料、无机掺合料、外加剂等按一定比例充分混合搅拌, 经水化作用硬化形成一种含有大量气孔的轻质填充材料。配合专用生产、泵送设备可实现集中生产、远距离管道运输及现浇施工。由于气泡使土体存在大量孔隙, 从而减小土体密度, 进而减小地基或结构受力, 其使用功能侧重于替代常规填充料。

CECS249—2008《现浇泡沫轻质土技术规程》虽给出了部分泡沫轻质土的参考配合比, 但由于实际项目中原材料和施工条件的变化, 参考配合比不满足实际项目要求, 现阶段我国泡沫轻质土配合比设计缺乏标准方法, 不利于质量控制和技术发展。因此, 为保证泡沫轻质土路基施工质量, 需根据拟选用的原材料进行实验室配合比设计。影响泡沫轻质土强度的因素主要包括水泥牌号及品种、湿容重、水泥浆水胶比、粉煤灰取代率。为全面考察不同因素的影响并得到理想配合比, 需进行大量试验, 因此采用正交试验进行配合比设计, 泡沫轻质土性能指标如表1所示。

泡沫轻质土配合比正交试验通过合理选用“正交表”科学地安排与分析多因素试验, 其主要优点为可在众多试验方案中挑选出强代表性的少数几个试验方案。通过对少数试验方案结果的数理分析判断最优方案, 可进一步分析得到比试验结果给出的关于各因素的更多信息。

泡沫轻质土常用生产原材料包括水泥泡沫剂、水泥、粉煤灰和水, 其中水泥泡沫剂、水泥和粉煤灰须提供出厂合格证并进场检验, 检验合格后方可使用。

1) 水泥选用化学、力学指标均满足GB175—2007《通用硅酸盐水泥》中相应技术要求的普通硅酸盐水泥作为泡沫轻质土主要胶凝材料, 本试验选用P·O42.5水泥。

2) 粉煤灰选用化学、力学指标均满足GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中II级粉煤灰技术要求的材料。

3) 水泥泡沫剂水泥泡沫剂能降低液体表面张力, 产生大量均匀而稳定的泡沫, 用以生产泡沫轻质土外加剂, 其性能指标如表2所示。采用第IV代复合型水泥泡沫剂。

4) 拌合用水拌合用水为实验室自来水, 符合JGJ63—2006《混凝土用水标准》要求。

由于不同施工湿容重的泡沫轻质土可通过泡沫掺入量进行调节, 因此优先进行路床泡沫轻质土配合比设计。选择相同湿密度泡沫轻质土的抗压强度作为物理性能指标, 选用正交表L₉ (3⁴) 安排试验, 如表3, 4所示。表4中F1～F9均包含1组边长100mm的立方体试块, 用于28d强度测试。

抗压强度为0.8MPa的泡沫轻质土湿容重为560～600kg/m³, 考虑水泥浆需远距离泵送, 为避免水泥浆离析, 水胶比宜控制在0.55～0.65;参考高性能混凝土配合比设计经验, 粉煤灰取代率宜控制在20%～40%。

各因素对强度影响的极差分析结果如表4所示。根据极差分析判断, 在湿容重相同的情况下, 泡沫轻质土强度影响因素按主次顺序排列为A>C>B, 即泡沫轻质土湿容重为560～600kg/m³时, 该因素对泡沫轻质土强度影响最大;粉煤灰取代率为20%～40%时, 该因素对泡沫轻质土强度影响较大;水胶比为0.55～0.65时, 该因素对泡沫轻质土强度影响较小。

F检验结果表明, 湿容重对泡沫轻质土强度影响最为显著, 粉煤灰取代率、水胶比的影响并不明显。因此, 实际施工时可选择较大粉煤灰取代率, 并采用合适水胶比保证水泥浆泵送性能。F值检验结果还表明, 采用正交试验法进行泡沫轻质土配合比设计所得试验结果准确可靠, 可采纳 (见表5) 。

在正交试验结果准确可靠的前提下, 对表4中28d抗压强度与湿容重 (因素A) 、水胶比 (因素B) 、粉煤灰取代率 (因素C) 采用Excel数据分析功能进行多元线性回归分析 (见表6～8) , 确定泡沫轻质土配合比参数, 多元线性回归方程为:

从方差分析结果可以看出, F检验值>F检验临界值, 因此回归方程显著。

1) 考虑施工材料成本, 结合性能指标要求, 珠澳口岸人工岛路基填筑采用P·O42.5水泥作为主要胶凝材料。

2) 泡沫轻质土中粉煤灰取代率为20%～40%时, 随着粉煤灰掺入量增加, 将导致28d抗压强度有所降低, 但并不显著, 仍满足设计要求, 因此适当掺入粉煤灰可减少水泥用量、降低施工成本, 本项目中粉煤灰取代率推荐值为40%。

3) 为保证水泥浆泵送性能, 泡沫轻质土采用的水胶比较大。试验证明, 水胶比为0.55～0.65时, 水胶比增大对泡沫轻质土强度降低作用并不显著, 本项目水胶比推荐值为0.65。

4) 采用P·O42.5水泥, 粉煤灰取代率为40%, 水胶比为0.65, 根据JGJ T341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》, 满足该设计要求的泡沫轻质土强度等级为FC1, 配制强度为强度等级的1.05倍, 即配制强度为1.05MPa, 代入多元线性回归方程可得湿容重为572kg/m³, 施工配合比中水为206kg、水泥为190kg、粉煤灰为126kg、泡沫掺量为50kg。

泡沫轻质土是一种具有轻质、整体性好等优点的理想路基填筑材料, 施工方便, 可根据施工条件选用不同强度的水泥、粉煤灰、矿渣粉、偏高岭土、细砂、黏土等材料, 可制备各种不同容重、不同强度的填料。当原材料较多时, 选用合适的正交表进行正交试验配合比设计, 可快速得到理想配合比。正交试验方法的成功运用可得以下结论。

1) 采用正交试验方法进行泡沫轻质土配合比设计与分析效率高, 能快速、准确、高效地解决多牌号及多品种水泥、多种胶凝材料、多种细集料组合造成试验工作量大的问题, 同时能确定各材料因素、水平对泡沫轻质土性能的影响程度, 从而对配合比进行调整。

2) 可通过多因素方差分析检验泡沫轻质土配合比参数的准确性, 并验证试验方法的合理性。

3) 通过对试验结果的多元回归分析, 可准确得到泡沫轻质土施工配合比设计多元线性回归方程。配合比最优方案对于检验泡沫轻质土配合比及其优化具有重要作用。