復合泡沫混凝土用作寒區高鐵路基保溫研究

戴文革

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300）

1 引言

以膠凝材料為主，可添加其他種類材料以及外加劑，加水攪拌形成混合漿體，用發泡機制備泡沫，使其與混合漿體攪拌均勻，將其澆筑成型，在自然養護條件下形成的一種封閉多孔的混凝土，稱為泡沫混凝土，其多孔性有利于路基保溫。摻加粉煤灰等材料的泡沫混凝土具有水泥用量低，保溫效果好，成本低，易澆筑等優良性能，廣泛應用于工程、環保、工業等領域［1］。

黃俊杰等通過大比例模型試驗研究了密度500～800 kg／m3的輕質泡沫混凝土作為無砟軌道的鐵路路基填料，試驗研究表明密度不小于650 kg／m3的輕質泡沫混凝土可用作路基底層填料［2］；張曉剛研究了摻加Ⅱ級粉煤灰預拌漿體的泡沫混凝土生產工藝，通過控制溫度及外加劑摻量，并結合具體的工程應用，證明預拌泡沫混凝土生產施工工藝是可行的［3］。

EPS板具有吸水率低，保溫性好等特性，與路基填料共同組成多年凍土的保溫層，是一種良好的道路工程保溫隔熱材料［4］；趙麗萍根據現場試驗得出XPS板的保溫、防水隔滲性要優于EPS板，且得出保溫板在路基中的最佳埋設位置［5］；胡驗君等對比分析了目前建筑外墻常用的保溫材料，包括有機類的 EPS、XPS、PU、PF和無機類的巖棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等，最后得出無機保溫材料將會成為未來建筑保溫材料的首選［6］；王洪鎮提出以輕集料微孔混凝土為外部基體，與EPS保溫芯層采用特殊澆筑工藝制成斷熱節能復合砌塊，具有良好的熱工性能，并已推廣應用［7］；徐月龍等對常用的復合砌塊夾心保溫材料的研究狀況和基本性能進行了總結，得出夾心砌塊對熱工性能具有改善作用［8］。

復合聚苯乙烯保溫塊的泡沫混凝土在建筑外墻保溫領域應用研究較廣泛，關于其在凍土區高速鐵路路基保溫領域的研究很少，路基的凍融病害一直困擾著高鐵路基變形控制。通過廣泛調研和比選，擬采用泡沫混凝土板，內嵌聚苯乙烯塊，工廠化預制成可拼裝的保溫板，鋪設在路基表面，以保證嚴寒地區高鐵路基的變形控制。

2 試驗

2.1 試驗材料

水泥：采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，具體性能指標見表1。

表1 水泥的性能指標

粉煤灰：采用經過電廠回收加工處理后的Ⅰ級活性粉煤灰，具體性能指標見表2。

表2 粉煤灰的性能指標

聚苯乙烯塊：采用成型的聚苯乙烯塊，根據具體的尺寸切割使用。

發泡劑：采用表面活性高分子發泡劑。

2.2 試驗步驟

（1）按照干密度為 1 200 kg／m3，根據泡沫混凝土配合比設計體系［9-10］，計算出實驗所需的水泥、粉煤灰以及發泡劑的摻量，并在試驗之前按計算量稱量出各材料放置實驗室。

（2）將發泡劑按照規定稀釋比稀釋后倒入發泡機內，啟動沖壓機進行加壓，到達合適的壓力后停止加壓，靜止5 min后，將制成的泡沫排到提前準備好的容器內以備使用。

（3）將準備好的水泥、粉煤灰等摻合料放置攪拌機內進行干拌，攪拌均勻后，加入按設計體系計算好的水，繼續攪拌至漿液均勻。

（4）漿液攪拌均勻后加入按設計計算出的質量一定的泡沫，待泡沫均勻分布到混合漿液中停止攪拌，將混合漿料澆筑到混凝土模具中［11］。

（5）靜止12 h，用木板刮去模具上方多余的泡沫混凝土，在標準養護條件下進行養護。

3 試驗結果

3.1 泡沫混凝土的抗壓強度

圖1表示隨著粉煤灰含量變化，泡沫混凝土養護3 d、7 d、28 d抗壓強度變化情況。

圖1 泡沫混凝土抗壓強度與粉煤灰含量的關系曲線

由圖1可知，在養護3 d、7 d時的抗壓強度值隨著粉煤灰含量變化趨于穩定，主要在于泡沫混凝土中的水泥與粉煤灰還沒有充分水化凝結，在養護28 d時的抗壓強度隨著粉煤灰的含量變化較大，且在含量為30%時達到了最大值14.10 MPa，原因是齡期28 d時，泡沫混凝土中的水泥已經水化完全。水泥是主要膠凝材料，是抗壓強度的主要影響因素，當少量粉煤灰與其相互作用時可以提高泡沫混凝土的抗壓強度，當大量摻加粉煤灰時，將會影響水泥的凝結固化作用，進而導致泡沫混凝土的強度降低。

3.2 泡沫混凝土的抗折強度

圖2表示隨著粉煤灰含量變化，泡沫混凝土養護3 d、7 d、28 d抗折強度變化情況。

圖2 泡沫混凝土抗折強度與粉煤灰含量的關系曲線

隨著粉煤灰含量的增加，各養護齡期的抗折強度呈逐漸降低趨勢，養護28 d的抗折強度在粉煤灰含量為20%時達到了最大值4.8 MPa。由于粉煤灰是微集料，適量的粉煤灰能對泡沫混凝土內部空隙起到填充密實作用［12］，有利于提升泡沫混凝土抗折強度，當粉煤灰的含量超過20%時，大量的粉煤灰不能凝結固化完全，進而會降低泡沫混凝土的抗折強度。

3.3 泡沫混凝土的導熱系數

圖3為泡沫混凝土的養護3 d、7 d和28 d導熱系數隨著粉煤灰的含量變化情況。

圖3 泡沫混凝土導熱系數與粉煤灰含量的關系曲線

由圖可知，泡沫混凝土在養護3 d、7 d和28 d時的導熱系數值受粉煤灰含量的影響較小，在同一養護齡期，導熱系數曲線值趨于平穩，在粉煤灰含量為60%時達到最小值0.210 3 W／（m·K）。在粉煤灰含量為50%時達到最大值0.247 2W／（m·K）。主要原因是水泥和粉煤灰的表觀密度相近，且都是超細粒徑的微集料，細微顆粒不影響氣泡的形成和分布，因此隨著粉煤灰含量的變化對導熱系數值影響較小。

4 復合泡沫混凝土板結構設計

圖4為泡沫混凝土復合聚苯乙烯保溫塊示意圖，此保溫板以性能最優的粉煤灰泡沫混凝土為基體，前后側面的矩形結構為聚苯乙烯保溫塊，聚苯乙烯具有優良的保溫隔熱性能，插裝在泡沫混凝土基體中，可提高整體的保溫性能；左右側面各設有相互咬合的凹凸插接部，可以使復合保溫板拼裝密實，增強其整體性；可實現標準化設計，工廠化生產，裝配式施工；現場施工方便靈活，整體保溫性能較佳。

圖4 復合保溫板結構示意

采用復合保溫型的可拼裝強化層，代替滿鋪的瀝青混凝土強化層［13］及 XPS路基保溫板［14］，既可以減少乃至消除路基面凍脹融沉病害，又具備施工方便、構造靈活、易于維修更換等特點，是一種值得研發的新技術。

5 結論

（1）泡沫混凝土中粉煤灰含量為30%時，28 d抗壓強度達到最大值14.10 MPa；28 d抗折強度值4.3 MPa；28 d導熱系數值 0.243 8 W／（m·K）。該配比的導熱系數較小，強度較高。因此，綜合考慮采用粉煤灰含量30%的泡沫混凝土制作強化層保溫板，并內嵌XPS塊，降低導熱系數。

（2）復合泡沫混凝土保溫板具有保溫隔熱性能好，抗壓強度高，便于運輸拼裝，易于更換維修等特點，在寒區高鐵路基工程中具有廣泛的應用前景。cy，2002.

［5］ CCME.A Protocol for the Derivation of Environmental and Human Health Soil Quality Guidelines［R］.Winnipwg：Canadian Council of Ministers of Environment，2006.

［6］ 龔曉南，劉松玉.地基處理理論與技術進展［M］.南京：東南大學出版社，2008：185-187.

［7］ 李磊.污泥固化處理技術及重金屬污染控制研究［D］.南京：河海大學，2006：5-19.

［8］ 朱春鵬，劉漢龍.污染土的工程性質研究進展［J］.巖土力學，2007（3）：625-630.

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［12］章定文，曹智國，張濤，等.碳化對水泥固化鉛污染土的電阻率特性影響規律［J］.巖石力學與工程學報，2014（12）：2563-2572.