魯南高速鐵路曲阜東站路基泡沫混凝土制備關鍵技術及應用

曹乾桂

魯南高速鐵路有限公司，濟南 250102

隨著八縱八橫高速鐵路網絡的快速構建，我國高速鐵路建設進入了“以主通道為骨架，城際鐵路為補充，內外互聯互通，區際多路暢通”的新階段［1-2］。為在新線與既有線路的接入和站場改擴建時減少對運營線路的干擾和影響，逐漸將具有輕質、低彈、施工方便等特性的泡沫混凝土材料應用在既有線幫寬和鄰近運營線填筑中［3-4］。

魯南高速鐵路日照至曲阜段全長235 km，運營最高時速310 km，設計在曲阜東站接入京滬高速鐵路，上下行聯絡線和安全線均采用泡沫混凝土對既有高速鐵路路基進行幫寬。幫寬路段采用灌注樁加固地基，以臺階開挖和錨桿植入的方式加強與既有路基的連接，其主體采用中濕密度泡沫混凝土（濕密度700 kg/m3），以0.6 m厚度分層澆筑，橫向每10 m斷縫，面層采用0.5 m厚增設鍍鋅鋼絲網片的高濕密度泡沫混凝土（密度800 kg/m3），整體表面粘貼瀝青卷材防水，頂面設置厚度為15 mm的C30鋼筋混凝土板，邊坡采用三維柔性生態護坡，具體結構見圖1。

圖1 幫寬路基結構示意

雖有石濟、雄忻等高速鐵路的工程實例可以借鑒，但在魯南高速鐵路曲阜東站泡沫混凝土工程的實施中仍面臨許多突出問題。既有鐵路工程實例尚處于應用初期，真正可借鑒的成果匱乏。因使用功能和技術要求存在差異，在鐵路行業尚無明確的標準和規范可依據。因橫跨京滬高速鐵路和臨近曲阜東站，工況條件復雜，泡沫混凝土須進行近1 000 m的二級泵送施工，且工期集中在夏季，受高溫影響較大，這些不利因素對泡沫混凝土的工作性能提出了較高要求。受水化熱和干縮的影響，分層澆筑后泡沫混凝土的早齡期體積穩定性較差，易出現對角貫穿開裂、表層起鼓等問題［5-6］，在進行高密度泡沫混凝土初期試驗時甚至出現熱涌通道、水平分層爆裂等現象。泡沫混凝土總工程量近8萬m3，受京滬高速鐵路線路限高和場地限制，現場不能采用大型散裝水泥車運輸的方式。綜上，本文從工程實際的角度出發，開展高工作性、低水化熱、優良的體積穩定性、便捷的原材料物流方式等綠色泡沫混凝土的制備與應用研究，以期在解決現場問題的同時，為同類工程提供參考。

1 泡沫混凝土試驗

1.1 原材料

試驗用水泥為山東魯碧P·O 42.5水泥；粉煤灰采用山東鄒城粉煤灰，其各項指標滿足TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》要求；鐵尾礦微粉采用河南華泰鐵尾礦微粉，其主要化學組成和物理指標見表1；玻璃纖維采用泰山Cem?FIL?70型6 mm耐堿短切玻璃纖維，其密度為2.68 g/cm3，彈性模量為72 GPa，拉伸強度為1 700 MPa；發泡劑為中國鐵道科學研究院集團有限公司TKFC?HHSFX型現澆泡沫輕質土用發泡劑，經試驗驗證與其現場水泥相容性優良，其主要技術指標見表2；拌和用水和發泡劑稀釋用水均采用曲阜市地下水。

表1 鐵尾礦微粉主要物理指標和化學組成

表2 TKFC?HHSFX型發泡劑主要技術指標

1.2 配合比

以填筑主體中濕密度泡沫混凝土（濕密度700 kg/m3）為對象，確定試驗基準配合比，其設計技術指標為：28 d抗壓強度≥1.0 MPa；流值160~180 mm；濕密度增加率≤10%。其配合比參數見表3。

表3 基準配合比參數

1.3 試驗方法

考慮礦渣粉的較高活性可能會影響到溫控效果［7-8］，選擇粉煤灰、鐵尾礦微粉為摻料，按表3配合比分別等量替代摻量15%、30%、40%、60%水泥，按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行力學性能試驗。以初選配合比為基礎，摻加不同摻量的耐堿玻璃纖維，進行力學性能和收縮試驗。流值試驗參照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》進行。單摻30%的粉煤灰和鐵尾礦微粉制備試件，開展水化放熱速率和干縮試驗，其中水化放熱速率試驗采用與水膠比相同的凈漿；干縮試驗試件為兩端粘貼銅片的100 mm（長）×100 mm（寬）×400 mm（高）棱柱體，測試方法參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的接觸法。

2 泡沫混凝土特性與影響因素分析

2.1 強度性能

2.1.1 礦物摻料的影響

不同摻量的粉煤灰和鐵尾礦微粉對泡沫混凝土28 d齡期抗壓強度影響見圖2?？芍孩匐S著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土28 d抗壓強度逐漸降低；摻量在30%以內時，強度降低幅度相對較小，最大為22%；當摻量為60%時強度降幅達40%以上。這是因為粉煤灰活性較低，粉煤灰摻量的增加降低了整個膠凝材料體系的水化進程，尤其是在28 d齡期內的水化程度較低；粉煤灰密度相對較小，以及少量碳粒等有害物質的吸附作用，易造成漿體出現分層和破泡現象，從而直接影響混凝土內部結構和強度性能。②隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，雖然泡沫混凝土28 d抗壓強度整體同樣呈現下降趨勢，但在15%摻量時，混凝土28 d強度提高約6%，隨著摻量繼續增加，強度下降幅度稍大于粉煤灰。這是因為試驗雖采用高硅尾礦微粉，但其活性仍較低，自身水硬性不明顯［9-10］，在28 d齡期內僅起到微集料的物理填充作用效應。因其顆粒較細，在15%左右摻入時，能有效填充水泥顆粒間的空隙，增加了體系密實性，并起到微集料的骨架作用。同時，適量鐵尾礦微粉的加入，能夠提高漿體的稠度和均質性，對試件強度有利。

圖2 礦物摻料摻量對試件抗壓強度的影響

2.1.2 纖維的影響

摻量為0.4%、0.6%、0.8%的6 mm耐堿短切玻璃纖維對泡沫混凝土的抗壓、抗折強度和流值的影響見表4?？芍蛪A短切玻璃纖維對泡沫混凝土抗壓、抗折強度及流值均有顯著影響。耐堿短切玻璃纖維摻量在0～0.6%時，泡沫混凝土抗壓強度逐漸增加，最大值為基準抗壓強度的143%；當摻量增加至0.8%時，試件抗壓強度有所降低；泡沫混凝土抗折強度則隨耐堿短切玻璃纖維摻量的增加而持續提高。隨著耐堿短切玻璃纖維摻量增加，泡沫混凝土流值逐漸降低，但摻量在0.4%～0.6%時拌和物流值下降不顯著。

表4 耐堿短切玻璃纖維摻量對試件抗壓、抗折強度和流值的影響

試驗中采用的微細耐堿短切玻璃纖維具有較高的彈性模量、非常好的抗拉性能以及較大的長徑比，摻入到泡沫混凝土中，能夠承擔起抗壓、抗拉、阻裂的功能，因而可以顯著提升泡沫混凝土的力學強度。由于細長纖維的纏結、黏滯作用，故耐堿短切玻璃纖維摻入對泡沫混凝土拌和物流值有不利影響。

2.2 水化熱

基準、單摻30%粉煤灰、鐵尾礦微粉且水膠比為0.5的3種漿體水化放熱變化曲線見圖3?？芍?，粉煤灰、鐵尾礦微粉的摻入顯著降低了漿體放熱峰值，尤其是鐵尾礦微粉漿體的降低幅度更大；而且在24 h后的放熱速率也要顯著低于基準漿體試樣。這有利于降低泡沫混凝土體系的水化溫升，降低溫度裂縫發生風險。試樣水化放熱速率的降低，表明粉煤灰、鐵尾礦微粉的水化活性較低。這個結果也能較好地解釋粉煤灰、鐵尾礦微粉摻入對泡沫混凝土強度的降低效應。

圖3 礦物摻料對水化進程的影響

2.3 干縮

單摻30%粉煤灰、鐵尾礦微粉對泡沫混凝土收縮的影響見圖4?？芍?，3種泡沫混凝土的早齡期干縮發展均較快，其中7 d干縮變形約占90 d干縮變形的50%，28 d干縮變形約占90 d干縮變形的70%。與基準混凝土相比，摻鐵尾礦微粉、粉煤灰泡沫混凝土的7、28 d干縮變形有較大的增加；但至56、90 d齡期后，摻粉煤灰泡沫混凝土的干縮變形與基準混凝土基本相似，而摻鐵尾礦微粉泡沫混凝土的干縮仍稍大些。這是因為泡沫混凝土為膠凝材料漿體和氣泡的混合物，單方水量較大，彈性模量較低，早期混凝土中自由水散失比例較大，加之受氣泡穩定性的影響，因此干縮變形較大；同時，粉煤灰、鐵尾礦微粉的水化活性較低，早期水化程度較小，體系強度未能充分發展，有較多的自由水未能水化消耗而易于蒸發，故體系產生降低的收縮。

圖4 三種不同膠材組成混凝土的干縮變形變化結果

為進一步降低泡沫混凝土的干縮變形，在混凝土中摻入了耐堿短切玻璃纖維。摻量0.5%的耐堿短切玻璃纖維對泡沫混凝土干縮變形的影響見圖5。

圖5 耐堿短切玻璃纖維泡沫混凝土干縮變形的影響

由圖5可知，耐堿短切玻璃纖維可有效抑制泡沫混凝土各齡期的干縮變形，其中7 d干縮變形減少36%，90 d齡期摻0.5%耐堿玻璃纖維泡沫混凝土的干縮變形減少32%。這主要是因為大量的較高彈性模量和高抗拉強度的微細纖維摻入，在混凝土中形成了較高模量的剛性骨架網絡結構，很好地限制了泡沫混凝土的收縮變形。

3 應用實踐

根據上述試驗結果，選定了兩組泡沫混凝土配合比，進行現場應用試驗。試驗時攪拌用水扣除發泡劑稀釋用水，整體水膠比為0.5，施工配合比參數見表5。其中，C為水泥；F為粉煤灰；WK為鐵尾礦微粉；CF為耐堿短切玻璃纖維；FP為現澆泡沫輕質土用發泡劑；W為拌和用水；XW為發泡劑稀釋用水。

表5 施工配合比參數

3.1 現場生產攪拌方式

采用全自動電控系統生產泡沫混凝土。該系統由雙攪拌系統、自動上料系統、泵送系統、發泡系統和主控系統組成。生產時，由漿體攪拌設備將經自動計量的膠凝材料和水制成漿體，泵送至兼有發泡系統的成品攪拌設備，完成泡沫混凝土的制備，根據作業距離漿體可選擇二級泵送工藝，有效解決超遠距離泵送的問題。

針對不同細度、密度礦物粉體材料的攪拌均勻性及原材料物流困難等問題，以相對密度為控制指標，采用高速剪切攪拌（1 000 r/min）的方式并摻用適量分散劑，提前16 h在場外對粉煤灰和鐵尾礦微粉進行預造漿。預造漿體運輸至現場具有循環攪拌功能的料池中陳化不少于12 h，施工時抽取漿體泵送至攪拌設備與水泥漿體混合。現場試驗結果表明，采取該方法可有效解決礦物摻料的加入引發漿體分層、不均勻問題，同時緩解了原材料物流的困難。采用掃描電鏡對常規攪拌和預造漿攪拌漿體試件的微觀形貌進行測試分析，結果見圖6?？梢钥闯?，常規漿體中粒徑20～50μm的水泥顆粒能正常分散，但粒徑比水泥更小的粉體顆粒（1～5μm）仍處于團聚狀態，無法分散，體系均勻性較差，局部呈現多孔狀態。而圖6（b）所示的預造漿方法成型的試件內部更為細膩均勻，未見團聚微粉顆粒，表明該攪拌工藝很好地改善了體系的勻質性和顆粒的分散性，有利于漿體工作性能和力學性能。

圖6 不同攪拌方式漿體試件微觀形貌掃描電鏡照片

3.2 水化溫升試驗

采用濕密度為700 kg/m3的未摻摻料的基準配合比、摻用粉煤灰和鐵尾礦微粉的施工配合比泡沫混凝土在現場試澆筑后泡沫混凝土芯部溫度見圖7。可知，雙摻粉煤灰和鐵尾礦微粉的施工配合比泡沫混凝土的溫升顯著低于基準配合比泡沫混凝土芯部溫度，其最高溫度從84.6℃降低至65.3℃，有效降低了溫度裂縫發生風險。

圖7 泡沫混凝土芯部溫度

通過現場生產制備工藝和溫升試驗檢驗，采用雙摻粉煤灰和鐵尾礦微粉泡沫混凝土在魯南高速鐵路曲阜東站路基工程中進行工程應用，泡沫混凝土總共應用約8萬m3。施工驗收中未出現開裂、起鼓等問題，各項指標滿足設計要求，并取得了良好的技術經濟效益。

4 結論

1）鐵尾礦微粉在泡沫混凝土中可發揮良好的微集料物理填充密實作用，適量（如15%）的鐵尾礦微粉摻入后，泡沫混凝土的抗壓強度未見下降甚至還有稍微增加；隨著摻量的進一步增加，摻鐵尾礦微粉、粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強度均呈現降低的趨勢。

2）鐵尾礦微粉、粉煤灰均能顯著降低漿體的水化放熱速率。雙摻粉煤灰和鐵尾礦微粉可使泡沫混凝土芯部溫度由未摻時的84.6℃降低至65.3℃。

3）與基準泡沫混凝土相比，摻30%粉煤灰泡沫混凝土90 d干縮無明顯變化，而摻30%鐵尾礦微粉泡沫混凝土90 d的干縮稍有增加。

4）摻0.4%~0.6%耐堿短切玻璃纖維可顯著提升泡沫混凝土的抗壓、抗折強度，且泡沫混凝土的干縮可降低30%以上。

5）采取摻料高速攪拌預造漿的工藝能夠提高泡沫混凝土的均質性和穩定性。

6）采用雙摻粉煤灰和鐵尾礦微粉以及添加耐堿短切玻璃纖維成功制備出滿足魯南高速鐵路曲阜東站技術要求的泡沫混凝土，并成功應用于工程實踐。