第1章 绪 论
1.1 泡沫混凝土性能概述
泡沫混凝土（foamed concrete，FC）被认为是解决隧道和地下工程问题的新兴可持续的解决方案。与普通混凝土（ordinary concrete，OC）相比，泡沫混凝土具有优异的力学性能，如表1-1所示。它有望部分或全部取代地下工程中的传统混凝土，具有经济、社会和环境效益。
表1-1 普通混凝土和泡沫混凝土的性能比较[1-20]
1）性能优良
泡沫混凝土广泛的性能变化适用于多种工况。低密度的特征（通常为300～1800kg/m3）有助于减少恒载，而自立性能保证其不会产生横向荷载[21-23]，在边坡、隧道工程中有很大的优势。泡沫混凝土中含有大量封闭的小孔隙，与普通混凝土相比，具有优异的耐火性[24]、隔热性和隔声性[25-27]，如密度为300～1200kg/m3的泡沫混凝土通常具有0.08～0.3W/(m?K)的导热系数[7， 28-30]，是性能稳定耐久的建筑保温隔热材料。由于质量轻，弹性模量低，泡沫混凝土结构在地震荷载作用下能有效吸收和扩散冲击能量，表现出良好的抗震性能。综上所述，低自重、低横向荷载、保温隔热、抗震性能好等特征促使泡沫混凝土在隧道、边坡、建筑等工程中广泛应用。
2）环境友好
利用粉煤灰、再生玻璃等再生废弃物生产泡沫混凝土，可以减少固体废物污染[31， 32]。在保证泡沫混凝土强度的前提下，大量工业废料可作为掺合料使用[33-35]。泡沫混凝土所需的发泡剂是具有相当生物降解性的近中性表面活性剂，通常不含苯和甲醛，对土壤、水和空气的不利影响很小[3， 36-38]，从而能够*大限度地减少施工阶段泡沫混凝土材料对自然环境的破坏。
3）节约施工成本
在理论垂直高度为200m，水平距离为600m的范围内，通过配备泡沫搅拌器、动力泵和输送管道，在200～300m3/d的负荷下，即可实现泡沫混凝土的泵送[39]。泡沫混凝土的高流动性可以产生相当大的泵送能力，对泵功率的要求较低，而大批量生产和浇筑连续作业，可显著提高工作效率。良好的流动性和自流平性意味着使用管道泵送时对能耗和人力移动的要求较低[40]，尤其是在大体积混凝土中。因此，泡沫混凝土应用中，合理的配合比、快速的设备安装和后期维护成本低等因素均可降低施工总体成本。
本书成果的应用不仅可以提高我国泡沫混凝土在公路桥隧工程中的设计及施工水平，而且可以减少施工后的养护投资和工作量，使我国公路建设投资发挥尽可能大的效用。
1.2 公路隧道工程中的新应用
1.2.1 保温材料
近年来，寒冷地区隧道的保温措施主要有电伴热、保温门和防冻保温层（即内衬结构的保温材料）[41-43]。然而，电伴热需要大量的能源来保证热效率，不能满足国家节能环保的要求。保温门不适用于交通量大的隧道，不间断的开闭会造成较大的热损失[44， 45]。因此，将泡沫混凝土同时作为内衬结构和保温材料，可简化施工工艺，降低材料投资。
Yuan[46]报道了我国高寒地区某隧道采用泡沫混凝土作为保温材料的案例研究，该隧道洞口每年冻结时间达8个月，*低温度为?27.7℃。表1-2给出了文献中使用的泡沫混凝土配合比。与有绝缘层的情况相比，无绝缘层测量位置的温度变化显著，两种工况下的温度变化和*低温度分别为4.5℃、2℃和1℃、3℃。冻融循环对泡沫混凝土性能影响的研究结果将有助于进一步提高和优化泡沫混凝土作为绝缘材料的耐久性[47， 48]。
表1-2 隧道防冻层泡沫混凝土配合比（体积比）[46]
1.2.2 抗震层
为了在施工期间转移部分岩体压力，避免衬砌在地震作用下破坏，一般在衬砌与围岩之间设置抗震层[49-51]。泡沫混凝土具有较大的承载力和变形能力，是隧道工程理想的抗震材料。如表1-3所示，Zhao等[52]开发了一种新型泡沫混凝土抗震材料。应用结果表明，采用新型泡沫混凝土材料可以显著降低隧道衬砌的应力和塑性区。同时，Huang等[53]进行了调查，通过耐久性试验表明泡沫混凝土作为抗震材料耐久性能优于橡胶。
表1-3 抗震层泡沫混凝土配合比[52]（单位：kg/m3）
1.2.3 结构构件
二次衬砌完成后，尤其是深埋隧道中的结构构件将继续发生徐变变形，容易引起结构损伤或破坏。而单纯增加二次衬砌厚度不能完全控制岩体的徐变变形。泡沫混凝土构件用于一次支护与二次衬砌之间的预留变形，可承受变形压力，泡沫混凝土的高压缩性和高延性有助于消除大变形时的整体损伤或破坏。铁峰山二号隧道衬砌系统采用抗压强度为0.4～0.7MPa、孔隙率为68%、密度为800kg/m3的泡沫混凝土来抵抗膏盐引起的膨胀压力[54]。自2005年9月成功实施以来，隧道运行良好，未发生任何损坏。
Wang等[55]研究了泡沫混凝土衬砌构件的长期性能响应，并与普通大跨度软岩隧道进行了比较，结果表明：经过100年的徐变，拱顶沉降和水平收敛分别减小了61%和45%，二次衬砌塑性区明显减小。Wu等[56]开发了一种与新型泡沫混凝土相结合的特殊屈服支撑系统。新开发的系统嵌在一次支护和二次衬砌之间，与刚性支护系统相比，由于垫层效应，二次衬砌顶板和两侧的塑性区变形得到明显改善和减小。
1.2.4 回填与加固
表1-4总结了泡沫混凝土作为公路隧道选择性填料的实际应用，主要包括空间或空腔填充，明挖和辅助隧道回填、体积填充（如废弃的隧道回填、塌陷处理等）。
表1-4 泡沫混凝土作为选择性填料的应用实例
Kontoe等[60]报道了土耳其博卢（Bolu）公路双隧道修复中的回填情况（图1-1（a））。隧道在1999年的迪兹杰地震中遭受了巨大的破坏，在重建中，为了稳定隧道工作面，临时回填了大量的泡沫混凝土。与普通混凝土相比，泡沫混凝土在隧道塌方处理中具有优越性，其原因在于：①密度和强度可控；②良好的流动性，可以完全填充和饱和塌方空腔，从而加固裂隙体。图1-1（b）和（c）展示了利用泡沫混凝土加固石马隧道中一个长20m、深9.6m的坍塌体，在该坍塌体中，岩体被破碎并斜切[61]。施工现场的后续反馈证实了该处理材料的有效性。
图1-1 泡沫混凝土在隧道结构中的应用
1.2.5 减小恒载
图1-2说明了泡沫混凝土在地铁填土中的应用。近年来，泡沫混凝土生产技术在欧洲、北美、日本、韩国、中国和东南亚等国家及地区已趋于成熟。使用的其他形式包括选择性填充和加固，以确保施工安全。
图1-2 泡沫混凝土在地铁填土中的应用
1.3 矿井管道工程中的新应用
1.3.1 煤矿井下巷道
泡沫混凝土在煤矿中的应用主要包括回填材料、支护系统、防水防气三个方面。
1）回填材料
早在1992年，美国矿务局就发布了使用密度为720kg/m3的泡沫混凝土回填废弃矿井的方案，用于现场施工的目标是西弗吉尼亚州洛根县的22号矿井[62]。迄今为止，世界上*大的一次使用泡沫混凝土的矿井是英国巴斯附近的库姆斯通矿的稳定工作，*终使用了密度和强度分别为650kg/m3和1MPa的泡沫混凝土约40万m3（图1-3）[63]。
图1-3 库姆斯通矿
2）支护系统
Tan等[64]针对煤矿软岩巷道大变形问题，提出了泡沫混凝土阻尼层复合支护体系。结果表明，U形钢的收缩率随着泡沫混凝土对其所产生的大部分变形的吸收而显著降低（图1-4）。
图1-4 泡沫混凝土复合支护系统
3）防水防气
煤矿密闭墙被认为是防止漏风引起残煤自燃的有效方法。Wen等[65]研究开发了一种新型泡沫混凝土，用于生产控制潜在空气泄漏的墙体。泡沫混凝土墙体28d抗压强度达5MPa，无残余裂隙，有效地抑制了采空区漏风（图1-5）。
图1-5 泡沫混凝土墙填充效果[65]
1.3.2 公共管道及设施
在实际工程中，利用泡沫混凝土材料回填市政管道，有助于控制施工场地狭小、压实不良而造成的工后沉降。在日本，天然气管道等市政管道通常采用泡沫混凝土填充，以防止外部破坏，特别是在地震频繁的地区[66]，如13300m长的石原-希尔德隧道和18060m长的东京湾天然气隧道。
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