低温环境下高密度泡沫轻质土水化温升现场试验研究

谢蛟 李斯 姚建平 李吉亮 李世达 程冠之 张志超 杨伟利

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081）

泡沫轻质土是用物理方法将发泡液制备成泡沫，与胶凝料浆按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料，可掺加纤维、外加剂等对其性能进行调控和优化［1-2］。泡沫轻质土具备密度可调［3］、强度高［4］、便于施工［5-6］和环保［7］等优良特性，近年来受到研究者们越来越多的关注。赵文辉、王武斌等［8-9］研究了玻璃纤维、聚丙烯纤维等掺和料对泡沫轻质土力学性能的增强作用。王立军、阳卫平、张栋等［10-12］研究了泡沫轻质土在不同环境状态下的性能演变规律，确认了泡沫轻质土的长期服役性能和耐久性等级。研究表明，泡沫轻质土的力学性能与耐久性能均与其湿密度直接相关，泡沫轻质土的力学性能在低密度区域与湿密度呈近似直线关系，在中高密度区域呈近似二次曲线关系［3］。铁路泡沫轻质土路基是指将现场制备的泡沫轻质土浇筑到铁路路基中，充当全部或部分路基填料，并满足铁路路基材料性能、结构形式、受力特征和耐久性指标等要求的新型路基结构［7］。泡沫轻质土路基在铁路路基帮宽、过渡段、软土地基、陡坡路段等工程的沉降变形控制等领域的应用逐年增多。在重载铁路路基工程中的应用是泡沫轻质土技术待拓展的新领域。由于重载铁路路基所承受的荷载较大，从力学性能角度考虑更适宜于使用较高密度的泡沫轻质土进行填筑。然而，高密度泡沫轻质土中单位体积内的胶凝材料用量大，这使得泡沫轻质土在水化过程中的放热更为显著，可能会引起泡沫轻质土不稳定及温度应力过大导致开裂等问题。

为确定高密度泡沫轻质土在低温施工环境下的适应性，本文研究环境温度低于5 ℃时，现浇湿密度为1 000 kg/m3的泡沫轻质土浇筑体各部位温度变化规律，并探讨相应的施工控制措施。

1 试验方案

1.1 试验段基本情况

一重载铁路泡沫轻质土路基试验段设计总长度为115 m，宽8.6 m，高1.7 m。试验段路基基床表层以下填筑泡沫轻质土。泡沫轻质土顶面设置0.1 m 厚中粗砂。距泡沫轻质土顶部0.1 m 及0.5 m 处各铺设1层金属网。试验段横断面如图1所示，现场浇筑情况如图2所示。

图1 试验段泡沫轻质土路基结构示意

图2 重载铁路泡沫轻质土路基现场浇筑情况

1.2 泡沫轻质土参数

试验使用的主要材料有水泥、发泡剂、水等，选用的发泡剂主要技术指标见表1，其他材料按照现行铁路规范要求。

表1 发泡剂主要技术指标

结合理论配合比，现场通过工艺性试验确定本次低温环境下高密度泡沫轻质土水化温升试验的现场配合比，见表2，每立米泡沫轻质土中气体体积为432.63 m3。

表2 泡沫轻质土配合比 kg·m-3

1.3 温度监测试验方案

选取试验段中部浇筑区作为5 个对比试验区域，其中A，B 2 个试验区域作为不同深度、不同横向位置的对照组，C，D，E 3 个试验区域作为采取不同孔径散热孔、不同间距散热孔、减小浇筑层厚度的试验组，分别监测不同养护措施下不同位置的泡沫轻质土路基内部温度变化。

温度传感器在泡沫轻质土浇筑前分不同位置预埋，垂向的温度传感器布置如图3 所示。当层浇筑完成后开始监测温度变化，48 h 内间隔20 min 采集温度数据一次；48 h后间隔2 h采集温度数据一次。其中竖向贯通散热孔在泡沫轻质土初凝后用水泥浆灌注封孔。

图3 传感器垂向布置示意

2 结果与讨论

2.1 深度对温度的影响

区域A 一次浇筑层厚60 cm，试验点A1—A5 分别位于浇筑区中心点下深58，45，30，15，2 cm 处。在试验点A1—A5 埋设温度传感器，采集的实测数据曲线见图4。

图4 区域A中心点不同深度温度变化曲线

由图4 可知：浇筑5 h 后，不同深度处的温度均进入急剧上升期，这与水泥水化规律基本相同；对于试验点A1—A4，在9 h 时温度已超过60 ℃，19 h 前后温度达到最大值，中部的试验点A2，A3 温度最高达98.8 ℃；随后温度逐渐降低，84 h 后各处温度降到60 ℃以下。其中，试验点A1 处于浇筑体底部的相对封闭环境中，受上部泡沫轻质土影响较大，温度显著高于试验点A5；试验点A5 距顶部最近，散热较快，因而温度最低，试验点A4 次之；试验点A2，A3 温度上升最快最高，上升趋势近似。

2.2 距边缘距离对温度的影响

区域B 一次浇筑层厚60 cm，试验点B1—B7 分别位于中心点、距离边缘0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m处，深度均为30 cm。在试验点B1—B7 埋设温度传感器，采集的实测数据曲线见图5。

由图5 可知：边缘处散热对泡沫轻质土浇筑体的影响范围在1.0 m 以内，降温效果达8.4 ℃。在边缘1.0 m范围内温度梯度最大，温度应力最为集中。

2.3 散热孔径对温度的影响

区域C一次浇筑层厚60 cm。试验点C1—C4分别位于浇筑区中心点、距离φ20 散热孔中心50 cm处、距离φ50 散热孔中心50 cm 处、距边缘50 cm 处，深度均为30 cm。φ20，φ50 的散热孔布置在试验区域纵向中心线上，每个孔距区域中心4 m，对称布置。在试验点C1—C4埋设温度传感器，采集的实测数据曲线见图6。

图5 区域B不同试验点温度变化曲线

图6 区域C不同试验点温度变化曲线

边缘处可认为是无限大的散热孔。由图6 可知，无限大散热孔的散热效果最好，在距边缘50 cm 处可降低温度5 ℃左右；与不设置散热孔相比，距φ20 与φ50 散热孔中心50 cm 处的温度可降低1～2 ℃，但φ20与φ50散热孔之间的散热效果差异不大。若降温需求较大，须考虑采取洒水散热措施抑制温峰。

2.4 散热孔间距对温度的影响

区域D 一次浇筑层厚60 cm，在距边缘1.0 m 的位置沿纵向布置间隔0.5 m 的φ20 散热孔5 个，相隔5 m 后再布置间隔1.0 m 的φ20 散热孔5 个。试验点D1—D3 分别位于浇筑区中心点、距间距0.5 m 的φ20散热孔50 cm 处、距间距1.0 m 的φ20 散热孔50 cm处，深度均为30 cm。在试验点D1—D3 埋设温度传感器，采集的实测数据曲线见图7。

图7 区域D不同试验点温度变化曲线

由图7 可知，间距0.5 m 散热孔可有效降低周围0.5 m 范围内的温度，降低值接近8 ℃，温峰抑制效果显著优于间距1.0 m的散热孔。

2.5 浇筑厚度的影响

区域E 一次浇筑层厚减至45 cm，在浇注区域两侧距边缘1.0 m 处，沿线路方向间隔1.0 m 布置φ20 散热孔。试验点E1—E3 分别位于浇筑区中心点下深43.0，22.5，2.0 cm 处。在试验点E1—E4 埋设温度传感器，采集的实测数据曲线见图8。

图8 区域E不同试验点温度变化曲线

由图8 可知：在养护14 h 后泡沫轻质土内部达到温峰90.6 ℃。与一次性浇筑60 cm 的泡沫轻质土浇筑体相比，其中心位置温峰时间缩短，温峰值明显降低；由于其底部温峰值与表层温峰值差异相对较小，温度梯度亦较前者明显减小，温度应力得到削弱。

3 结论

根据低温环境下高密度泡沫轻质土水化温升的现场试验结果，并结合实际施工工艺，形成以下结论：

1）浇筑5 h后，温度进入急剧上升期，9 h温度超过60 ℃，19 h 温度达到最大值98.8 ℃；随后温度逐渐降低，84 h降低到60 ℃以下。在5～19 h对泡沫轻质土进行散热和养护，可有效降低水化热病害风险，19～24 h持续养护，可有效改善泡沫轻质土内部热量聚集情况。

2）边缘处散热对泡沫轻质土浇筑体的影响范围在1.0 m 以内，降温效果达8.4 ℃。在边缘1.0 m 范围内，温度梯差最大，温度应力最为集中，施工过程需要对边缘位置加强散热和养护。

3）散热孔可有效降低泡沫轻质土内部温度1～2 ℃，散热孔越大，对温峰的抑制效果越好，但φ20 与φ50散热孔之间的散热效果差异不大。若降温需求较大，须考虑采取洒水散热措施。

4）一次浇筑层厚度由60 cm 减至45 cm，采用φ20散热孔可降低浇筑体中心温度约6 ℃，大幅度降低水化热炸裂病害发生的可能性。