低溫環境下高密度泡沫輕質土水化溫升現場試驗研究

謝蛟 李斯 姚建平 李吉亮 李世達 程冠之 張志超 楊偉利

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081）

泡沫輕質土是用物理方法將發泡液制備成泡沫，與膠凝料漿按照一定的比例混合攪拌，并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料，可摻加纖維、外加劑等對其性能進行調控和優化［1-2］。泡沫輕質土具備密度可調［3］、強度高［4］、便于施工［5-6］和環保［7］等優良特性，近年來受到研究者們越來越多的關注。趙文輝、王武斌等［8-9］研究了玻璃纖維、聚丙烯纖維等摻和料對泡沫輕質土力學性能的增強作用。王立軍、陽衛平、張棟等［10-12］研究了泡沫輕質土在不同環境狀態下的性能演變規律，確認了泡沫輕質土的長期服役性能和耐久性等級。研究表明，泡沫輕質土的力學性能與耐久性能均與其濕密度直接相關，泡沫輕質土的力學性能在低密度區域與濕密度呈近似直線關系，在中高密度區域呈近似二次曲線關系［3］。鐵路泡沫輕質土路基是指將現場制備的泡沫輕質土澆筑到鐵路路基中，充當全部或部分路基填料，并滿足鐵路路基材料性能、結構形式、受力特征和耐久性指標等要求的新型路基結構［7］。泡沫輕質土路基在鐵路路基幫寬、過渡段、軟土地基、陡坡路段等工程的沉降變形控制等領域的應用逐年增多。在重載鐵路路基工程中的應用是泡沫輕質土技術待拓展的新領域。由于重載鐵路路基所承受的荷載較大，從力學性能角度考慮更適宜于使用較高密度的泡沫輕質土進行填筑。然而，高密度泡沫輕質土中單位體積內的膠凝材料用量大，這使得泡沫輕質土在水化過程中的放熱更為顯著，可能會引起泡沫輕質土不穩定及溫度應力過大導致開裂等問題。

為確定高密度泡沫輕質土在低溫施工環境下的適應性，本文研究環境溫度低于5 ℃時，現澆濕密度為1 000 kg/m3的泡沫輕質土澆筑體各部位溫度變化規律，并探討相應的施工控制措施。

1 試驗方案

1.1 試驗段基本情況

一重載鐵路泡沫輕質土路基試驗段設計總長度為115 m，寬8.6 m，高1.7 m。試驗段路基基床表層以下填筑泡沫輕質土。泡沫輕質土頂面設置0.1 m 厚中粗砂。距泡沫輕質土頂部0.1 m 及0.5 m 處各鋪設1層金屬網。試驗段橫斷面如圖1所示，現場澆筑情況如圖2所示。

圖1 試驗段泡沫輕質土路基結構示意

圖2 重載鐵路泡沫輕質土路基現場澆筑情況

1.2 泡沫輕質土參數

試驗使用的主要材料有水泥、發泡劑、水等，選用的發泡劑主要技術指標見表1，其他材料按照現行鐵路規范要求。

表1 發泡劑主要技術指標

結合理論配合比，現場通過工藝性試驗確定本次低溫環境下高密度泡沫輕質土水化溫升試驗的現場配合比，見表2，每立米泡沫輕質土中氣體體積為432.63 m3。

表2 泡沫輕質土配合比 kg·m-3

1.3 溫度監測試驗方案

選取試驗段中部澆筑區作為5 個對比試驗區域，其中A，B 2 個試驗區域作為不同深度、不同橫向位置的對照組，C，D，E 3 個試驗區域作為采取不同孔徑散熱孔、不同間距散熱孔、減小澆筑層厚度的試驗組，分別監測不同養護措施下不同位置的泡沫輕質土路基內部溫度變化。

溫度傳感器在泡沫輕質土澆筑前分不同位置預埋，垂向的溫度傳感器布置如圖3 所示。當層澆筑完成后開始監測溫度變化，48 h 內間隔20 min 采集溫度數據一次；48 h后間隔2 h采集溫度數據一次。其中豎向貫通散熱孔在泡沫輕質土初凝后用水泥漿灌注封孔。

圖3 傳感器垂向布置示意

2 結果與討論

2.1 深度對溫度的影響

區域A 一次澆筑層厚60 cm，試驗點A1—A5 分別位于澆筑區中心點下深58，45，30，15，2 cm 處。在試驗點A1—A5 埋設溫度傳感器，采集的實測數據曲線見圖4。

圖4 區域A中心點不同深度溫度變化曲線

由圖4 可知：澆筑5 h 后，不同深度處的溫度均進入急劇上升期，這與水泥水化規律基本相同；對于試驗點A1—A4，在9 h 時溫度已超過60 ℃，19 h 前后溫度達到最大值，中部的試驗點A2，A3 溫度最高達98.8 ℃；隨后溫度逐漸降低，84 h 后各處溫度降到60 ℃以下。其中，試驗點A1 處于澆筑體底部的相對封閉環境中，受上部泡沫輕質土影響較大，溫度顯著高于試驗點A5；試驗點A5 距頂部最近，散熱較快，因而溫度最低，試驗點A4 次之；試驗點A2，A3 溫度上升最快最高，上升趨勢近似。

2.2 距邊緣距離對溫度的影響

區域B 一次澆筑層厚60 cm，試驗點B1—B7 分別位于中心點、距離邊緣0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m處，深度均為30 cm。在試驗點B1—B7 埋設溫度傳感器，采集的實測數據曲線見圖5。

由圖5 可知：邊緣處散熱對泡沫輕質土澆筑體的影響范圍在1.0 m 以內，降溫效果達8.4 ℃。在邊緣1.0 m范圍內溫度梯度最大，溫度應力最為集中。

2.3 散熱孔徑對溫度的影響

區域C一次澆筑層厚60 cm。試驗點C1—C4分別位于澆筑區中心點、距離φ20 散熱孔中心50 cm處、距離φ50 散熱孔中心50 cm 處、距邊緣50 cm 處，深度均為30 cm。φ20，φ50 的散熱孔布置在試驗區域縱向中心線上，每個孔距區域中心4 m，對稱布置。在試驗點C1—C4埋設溫度傳感器，采集的實測數據曲線見圖6。

圖5 區域B不同試驗點溫度變化曲線

圖6 區域C不同試驗點溫度變化曲線

邊緣處可認為是無限大的散熱孔。由圖6 可知，無限大散熱孔的散熱效果最好，在距邊緣50 cm 處可降低溫度5 ℃左右；與不設置散熱孔相比，距φ20 與φ50 散熱孔中心50 cm 處的溫度可降低1～2 ℃，但φ20與φ50散熱孔之間的散熱效果差異不大。若降溫需求較大，須考慮采取灑水散熱措施抑制溫峰。

2.4 散熱孔間距對溫度的影響

區域D 一次澆筑層厚60 cm，在距邊緣1.0 m 的位置沿縱向布置間隔0.5 m 的φ20 散熱孔5 個，相隔5 m 后再布置間隔1.0 m 的φ20 散熱孔5 個。試驗點D1—D3 分別位于澆筑區中心點、距間距0.5 m 的φ20散熱孔50 cm 處、距間距1.0 m 的φ20 散熱孔50 cm處，深度均為30 cm。在試驗點D1—D3 埋設溫度傳感器，采集的實測數據曲線見圖7。

圖7 區域D不同試驗點溫度變化曲線

由圖7 可知，間距0.5 m 散熱孔可有效降低周圍0.5 m 范圍內的溫度，降低值接近8 ℃，溫峰抑制效果顯著優于間距1.0 m的散熱孔。

2.5 澆筑厚度的影響

區域E 一次澆筑層厚減至45 cm，在澆注區域兩側距邊緣1.0 m 處，沿線路方向間隔1.0 m 布置φ20 散熱孔。試驗點E1—E3 分別位于澆筑區中心點下深43.0，22.5，2.0 cm 處。在試驗點E1—E4 埋設溫度傳感器，采集的實測數據曲線見圖8。

圖8 區域E不同試驗點溫度變化曲線

由圖8 可知：在養護14 h 后泡沫輕質土內部達到溫峰90.6 ℃。與一次性澆筑60 cm 的泡沫輕質土澆筑體相比，其中心位置溫峰時間縮短，溫峰值明顯降低；由于其底部溫峰值與表層溫峰值差異相對較小，溫度梯度亦較前者明顯減小，溫度應力得到削弱。

3 結論

根據低溫環境下高密度泡沫輕質土水化溫升的現場試驗結果，并結合實際施工工藝，形成以下結論：

1）澆筑5 h后，溫度進入急劇上升期，9 h溫度超過60 ℃，19 h 溫度達到最大值98.8 ℃；隨后溫度逐漸降低，84 h降低到60 ℃以下。在5～19 h對泡沫輕質土進行散熱和養護，可有效降低水化熱病害風險，19～24 h持續養護，可有效改善泡沫輕質土內部熱量聚集情況。

2）邊緣處散熱對泡沫輕質土澆筑體的影響范圍在1.0 m 以內，降溫效果達8.4 ℃。在邊緣1.0 m 范圍內，溫度梯差最大，溫度應力最為集中，施工過程需要對邊緣位置加強散熱和養護。

3）散熱孔可有效降低泡沫輕質土內部溫度1～2 ℃，散熱孔越大，對溫峰的抑制效果越好，但φ20 與φ50散熱孔之間的散熱效果差異不大。若降溫需求較大，須考慮采取灑水散熱措施。

4）一次澆筑層厚度由60 cm 減至45 cm，采用φ20散熱孔可降低澆筑體中心溫度約6 ℃，大幅度降低水化熱炸裂病害發生的可能性。