低溫環(huán)境下高密度泡沫輕質(zhì)土水化溫升現(xiàn)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(shù)有限公司，北京 100081）

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)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(jīng)物理化學作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料，可摻加纖維、外加劑等對其性能進行調(diào)控和優(yōu)化［1-2］。泡沫輕質(zhì)土具備密度可調(diào)［3］、強度高［4］、便于施工［5-6］和環(huán)保［7］等優(yōu)良特性，近年來受到研究者們越來越多的關(guān)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(zhì)土力學性能的增強作用。王立軍、陽衛(wèi)平、張棟等［10-12］研究了泡沫輕質(zhì)土在不同環(huán)境狀態(tài)下的性能演變規(guī)律，確認了泡沫輕質(zhì)土的長期服役性能和耐久性等級。研究表明，泡沫輕質(zhì)土的力學性能與耐久性能均與其濕密度直接相關(guān)，泡沫輕質(zhì)土的力學性能在低密度區(qū)域與濕密度呈近似直線關(guān)系，在中高密度區(qū)域呈近似二次曲線關(guān)系［3］。鐵路泡沫輕質(zhì)土路基是指將現(xiàn)場制備的泡沫輕質(zhì)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(jié)構(gòu)形式、受力特征和耐久性指標等要求的新型路基結(jié)構(gòu)［7］。泡沫輕質(zhì)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(lǐng)域的應(yīng)用逐年增多。在重載鐵路路基工程中的應(yīng)用是泡沫輕質(zhì)土技術(shù)待拓展的新領(lǐng)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(zhì)土進行填筑。然而，高密度泡沫輕質(zhì)土中單位體積內(nèi)的膠凝材料用量大，這使得泡沫輕質(zhì)土在水化過程中的放熱更為顯著，可能會引起泡沫輕質(zhì)土不穩(wěn)定及溫度應(yīng)力過大導致開裂等問題。

為確定高密度泡沫輕質(zhì)土在低溫施工環(huán)境下的適應(yīng)性，本文研究環(huán)境溫度低于5 ℃時，現(xiàn)澆濕密度為1 000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土澆筑體各部位溫度變化規(guī)律，并探討相應(yīng)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(zhì)土路基試驗段設(shè)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(zhì)土。泡沫輕質(zhì)土頂面設(shè)置0.1 m 厚中粗砂。距泡沫輕質(zhì)土頂部0.1 m 及0.5 m 處各鋪設(shè)1層金屬網(wǎng)。試驗段橫斷面如圖1所示，現(xiàn)場澆筑情況如圖2所示。

圖1 試驗段泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)示意

圖2 重載鐵路泡沫輕質(zhì)土路基現(xiàn)場澆筑情況

1.2 泡沫輕質(zhì)土參數(shù)

試驗使用的主要材料有水泥、發(fā)泡劑、水等，選用的發(fā)泡劑主要技術(shù)指標見表1，其他材料按照現(xiàn)行鐵路規(guī)范要求。

表1 發(fā)泡劑主要技術(shù)指標

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

表2 泡沫輕質(zhì)土配合比 kg·m-3

1.3 溫度監(jiān)測試驗方案

選取試驗段中部澆筑區(qū)作為5 個對比試驗區(qū)域，其中A，B 2 個試驗區(qū)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(qū)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(jiān)測不同養(yǎng)護措施下不同位置的泡沫輕質(zhì)土路基內(nèi)部溫度變化。

溫度傳感器在泡沫輕質(zhì)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(jiān)測溫度變化，48 h 內(nèi)間隔20 min 采集溫度數(shù)據(jù)一次；48 h后間隔2 h采集溫度數(shù)據(jù)一次。其中豎向貫通散熱孔在泡沫輕質(zhì)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(jié)果與討論

2.1 深度對溫度的影響

區(qū)域A 一次澆筑層厚60 cm，試驗點A1—A5 分別位于澆筑區(qū)中心點下深58，45，30，15，2 cm 處。在試驗點A1—A5 埋設(shè)溫度傳感器，采集的實測數(shù)據(jù)曲線見圖4。

圖4 區(qū)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(guī)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(huán)境中，受上部泡沫輕質(zhì)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(qū)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(shè)溫度傳感器，采集的實測數(shù)據(jù)曲線見圖5。

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

2.3 散熱孔徑對溫度的影響

區(qū)域C一次澆筑層厚60 cm。試驗點C1—C4分別位于澆筑區(qū)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(qū)域縱向中心線上，每個孔距區(qū)域中心4 m，對稱布置。在試驗點C1—C4埋設(shè)溫度傳感器，采集的實測數(shù)據(jù)曲線見圖6。

圖5 區(qū)域B不同試驗點溫度變化曲線

圖6 區(qū)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(shè)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(qū)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(qū)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(shè)溫度傳感器，采集的實測數(shù)據(jù)曲線見圖7。

圖7 區(qū)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(nèi)的溫度，降低值接近8 ℃，溫峰抑制效果顯著優(yōu)于間距1.0 m的散熱孔。

2.5 澆筑厚度的影響

區(qū)域E 一次澆筑層厚減至45 cm，在澆注區(qū)域兩側(cè)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(qū)中心點下深43.0，22.5，2.0 cm 處。在試驗點E1—E4 埋設(shè)溫度傳感器，采集的實測數(shù)據(jù)曲線見圖8。

圖8 區(qū)域E不同試驗點溫度變化曲線

由圖8 可知：在養(yǎng)護14 h 后泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部達到溫峰90.6 ℃。與一次性澆筑60 cm 的泡沫輕質(zhì)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(yīng)力得到削弱。

3 結(jié)論

根據(jù)低溫環(huán)境下高密度泡沫輕質(zhì)土水化溫升的現(xiàn)場試驗結(jié)果，并結(jié)合實際施工工藝，形成以下結(jié)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(zhì)土進行散熱和養(yǎng)護，可有效降低水化熱病害風險，19～24 h持續(xù)養(yǎng)護，可有效改善泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部熱量聚集情況。

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

3）散熱孔可有效降低泡沫輕質(zhì)土內(nèi)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(fā)生的可能性。