用于島狀凍土地區(qū)路基換填的新型材料及其性能

陳東豐，鄭純宇，錢勁松，李冬雪

(1.吉林省交通運輸廳，吉林　長春　130021；2.吉林省交通科學研究所，吉林　長春　130012；3.同濟大學　交通運輸工程學院，上?！?01804)

用于島狀凍土地區(qū)路基換填的新型材料及其性能

陳東豐1，鄭純宇2，錢勁松3，李冬雪2

(1.吉林省交通運輸廳，吉林長春130021；2.吉林省交通科學研究所，吉林長春130012；3.同濟大學交通運輸工程學院，上海201804)

摘要：針對現有島狀凍土地區(qū)凍脹路基的維護技術存在的突出問題，為最大限度地降低利用傳統換填材料處治對道路通行能力的影響，研究提出了兩種具備良好隔溫性能，且能夠快速硬化、施工便捷的新型填料?；诳煽匦缘蛷姸炔牧?CLSM)的高流動性、自填充、自密實特性，對其摻入泡沫顆粒，并通過對兩種配合比進行無側限抗壓強度試驗、導熱系數試驗和抗凍融循環(huán)試驗，確定換填材料的泡沫顆粒的最佳體積比為1%。從技術經濟角度出發(fā)，提出治理方案為：對沉陷面積不大的區(qū)域，采用全厚度換填修復；對沉陷面積較大的區(qū)域，采用XPS板+CLSM換填修復。最后通過現場試驗段的實施，分析結果表明，本文提出專用于現有島狀凍土地區(qū)路基換填的新型材料，能夠達到實際的工程應用要求。

關鍵詞：道路工程；保溫材料；試驗研究；島狀凍土；路基維護；CLSM

0引言

島狀凍土是多年連續(xù)凍土與季節(jié)性凍土地區(qū)的中間過渡帶，屬于高溫不穩(wěn)定凍土，凍土地溫一般在0～-1 ℃之間，普遍呈現極不穩(wěn)定狀態(tài)[1]。在島狀凍土地區(qū)修筑的路基在季節(jié)性冷熱極端氣候的影響下，路基內部水熱平衡狀態(tài)被破壞，力學性能降低，容易出現塌陷融沉等變形，嚴重影響道路使用壽命。

島狀凍土地區(qū)路基的處治原則應以保護凍土層、避免凍土退化為主，其技術途徑總體可歸結為改變路基結構或材料，來調節(jié)路基與外界環(huán)境的一種或多種熱交換方式，以實現對路基溫度場的調控。長期實踐表明，在低溫凍土區(qū)，鋪設保溫材料可有效保護多年凍土[2]。目前主要采用XPS板和EPS板做保溫路基，利用其低熱導性和隔水性，阻止熱量和水分進入，起到保護多年凍土的作用[3-5]。林樂彬[6]將氣泡混合輕質土應用于凍土地基中，隔熱保溫效果明顯。趙福寧[7]采用鋪設厚片石形成工作面后進行強夯處理，鋪設土工格珊和天然級配碎石對島狀凍土地區(qū)路基進行處理。

對于島狀凍土地區(qū)新建路基可以采用上述方法，然而對于已役路基島狀凍土病害進行處治時，為減少路基處理對交通的影響，應當采用能夠快速硬化且施工方便的換填材料?？煽匦缘蛷姸炔牧?CLSM)具有高流動性、自填充、自密實的特性，摻加泡沫顆粒具有良好的隔溫性能[8-10]，然而對于泡沫顆粒的最佳添加量并不明確。首先，本文對兩種配合比的CLSM材料進行無側限抗壓強度試驗、導熱系數測定試驗和抗凍融循環(huán)試驗等室內試驗，確定出最佳配合比。最后，將兩種最佳配合比下的換填材料和XPS板相結合，以長白山地區(qū)某邊防旅游公路塌陷密集路段作為路基快速維護實體工程試驗路段，驗證換填材料對路基內部溫度場的改善狀況。

1原材料和配合比試驗方案

根據美國混凝土協會(ACI)的定義[11-12]，CLSM是一種具有高流動性，在自重作用下無需或少許振搗下，可自行填充，形成自密實結構的水泥基低強度回填材料，其28 d無側限抗壓強度不得超過8.3 MPa。對于CLSM有很多種分類，其中用于隔熱的可控性低強度材料稱為CLSM-CTF。目前美國多個混凝土協會和州關于CLSM的配合比范圍做了規(guī)定[8]，考慮本次CLSM回填材料用作長白山寒冷地區(qū)，因此在配合比選擇上主要考慮美國高緯度地區(qū)研究機構對CLSM級配的規(guī)定。在吉林地區(qū)，火山灰材料資源豐富，充分利用火山灰材料的隔溫性、活性，因地制宜地將火山灰材料用于填筑抗凍路基。在本試驗中，CLSM-CTF1材料由砂、水泥、粉煤灰、速凝劑和水組成，CLSM-CTF2由水泥、碎石、火山灰和水組成。水泥為吉林長春某水泥廠制造的P.C 32.5復合硅酸鹽水泥，水為普通自來水，火山渣級配如圖1所示。

圖1　 火山渣級配曲線Fig.1　Gradation curve of scoria

在確定材料配合比試驗中，先不摻加泡沫顆粒，對不同配合比試件分別進行無側限抗壓強度試驗、導熱系數試驗和凍融循環(huán)試驗，根據試驗結果確定出最佳水灰比。然后采用此水灰比，對每個試件中添加不同含量的泡沫顆粒，體積比分別為1%, 2%,3%，然后對這3種配合比分別進行無側限抗壓強度試驗、導熱系數試驗和凍融循環(huán)試驗，確定出最佳泡沫顆粒添加量。

表1　CLSM-CTF1的配合比(單位：kg)

表2　CLSM-CTF2的配合比(單位：kg)

2試驗分析

2.1無側限抗壓強度

無側限抗壓強度試驗采用10 cm×20 cm圓柱體試件[10]，每組4個試件，養(yǎng)生溫度為(20±1)℃，濕度為95%。在試驗時不需要震動密實，只需將新拌的漿體澆置于試驗器具中，然后將試件置于標準養(yǎng)生室養(yǎng)護24 h后，待其具有初始強度進行拆模，然后將時間繼續(xù)養(yǎng)護至目標時間。試驗結果如表3和圖2所示。

表3　無側限抗壓強度試驗結果

圖2　不同泡沫顆粒含量下無側限抗壓強度Fig.2　Unconfined compressive strength with different contents of foam particles

圖2和表3中可以看出，在不摻加泡沫顆粒情況下，兩種材料的強度均隨著水灰比的增大先增加后減小，這是由于過多地用水會產生泌水現象，當水分揮發(fā)之后，會形成氣孔，對試件的強度產生負面的效果。在本次試驗中CLSM-CTF1材料的最佳水灰比為1.4左右，此時材料的強度在峰值附近，為0.38 MPa；CLSM-CTF2材料最佳水灰比為3.4，最大強度為0.42 MPa。

在最佳水灰比條件下，對每種材料摻加泡沫顆粒后，隨著泡沫顆粒體積比的增大，材料的強度一直減小，改進CLSM材料強度分別減小18.4%，28.9%和34.2%，保溫型穩(wěn)定材料強度分別減少19.0%，23.8%和40.4%。

2.2導熱系數

導熱系數是用來衡量材料導熱特性和保溫性能的重要參數，耐熱保溫材料的性能由材料的導熱系數確定。導熱系數試驗參照《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定》(GB/T10294—2008)規(guī)范規(guī)定[13-14]，采用IMDRY3001-V1導熱系數測定儀進行測定。試件標準尺寸300 mm×300 mm×(5～45)mm，平整度按照國家標準為0.01 mm，同種材料的試件做2個,將制作好的試件放入標準養(yǎng)生室內養(yǎng)生7 d。

根據由無側限抗壓強度試驗確定的最佳水灰比，分別成型含有不同泡沫顆粒體積標準尺寸試件進行熱傳導系數測定，試驗結果見圖3和圖4。

圖3　CLSM-CTF1導熱系數Fig.3　Thermal conductivity of CLSM-CTF1

圖4　CLSM-CTF2導熱系數Fig.4　Thermal conductivity of CLSM-CTF2

圖3和圖4表明，CLSM-CTF1和CLSM-CTF2的導熱系數隨溫度的上升而升高，但同一配合比材料導熱系數隨溫度變化波動較小，幾乎可以忽略。對于CLSM-CTF1，摻加泡沫顆粒后導熱系數明顯降低，但隨著泡沫顆粒含量的增加，對CLSM材料的保溫性能提升有限。對于深層的CLSM-CTF2，由于火山灰材料具有良好的隔熱性能，在不摻加泡沫顆粒的條件下導熱系數已經很低，隨著泡沫顆粒含量的增加，導熱系數逐漸降低，保溫隔熱性能相對提高。在加入泡沫顆粒后，CLSM-CTF1的導熱系數維持在0.47 W/(m·K)左右，CLSM-CTF2導熱系數總體維持在0.31 W/(m·K)左右。根據文獻調查[15]，黏土的導熱系數為0.695 2 W/(m·K)，換填材料的導熱系數僅為黏土的40%～70%，這說明其具有良好的隔溫性能。

2.3抗凍性能

按照無機結合料穩(wěn)定材料凍融試驗方法測定材料的抗凍性能。凍融試件采用10 cm×20 cm圓柱體試件，每組18個試件，其中9個為凍融試件，9個為不凍融對比時間，養(yǎng)生齡期為28 d，凍融循環(huán)5次，試驗以在-18 ℃低溫箱凍16 h，然后在20 ℃水槽中融化8 h作為一次凍融循環(huán)，分別測試1次、3次和5次凍融循環(huán)后試件的無側限抗壓強度。試驗結果如表4所示，殘留強度比如圖5所示，其中材料1為CLSM-CTF1材料，材料2為CLSM-CTF2材料。

表4　凍融循環(huán)試驗結果

圖5　凍融循環(huán)試驗Fig.5　Freezing-thawing cycle test

由無側限抗壓強度試驗和導熱系數試驗確定出材料配合比，然后對其進行抗凍融循環(huán)驗證試驗。從圖5中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數的增多，材料的無側限抗壓強度逐漸降低。在本次試驗中，對于CLSM-CTF1，經過5次凍融循環(huán)后，材料的殘余強度比為44%，殘余強度為0.37 MPa。在經歷一次凍融循環(huán)和3次凍融循環(huán)后，殘余強度比仍較高，但經歷5次凍融循環(huán)后，強度下降較快，主要是由于粉煤灰的摻入細化混合材料內部空隙，提高了其密實性，從而減少了有害孔的相對數量，提高材料抗凍性能，初始時強度殘余比較大。但由于材料中含水量較大，材料內部凍水含量逐漸增大，隨著凍融循環(huán)反復作用，材料強度下降加快。對于CLSM-CTF2，由于火山灰具有良好的抗凍性能，并且在混合材料中含量較大，經過5次凍融循環(huán)后，材料的強度殘余比67%，殘余強度為1.83 MPa，說明其具有良好的抗凍能力。

2.4材料最佳配合比

根據無側限抗壓強度試驗、導熱系數試驗和抗凍融循環(huán)試驗結果，基于強基、隔熱和抗凍融能力好的要求，CLSM-CTF1材料和CLSM-CTF2材料的最佳配合比如表5、表6所示。

表5　CLSM-CTF1最佳配合比

表6　CLSM-CTF2最佳配合比

3島狀凍土地區(qū)路基應用效果分析

吉林省長白山地區(qū)某邊防旅游公路部分路段出現沉陷、融沉等路基病害。通過現場調查，本次試驗段選在公路塌陷分布密集的路段，道路斷面形式為半填半挖式，沉陷形式是靠山體沿擋土墻排水溝一側呈圓弧形擴散，沉陷區(qū)最長達35 m，寬度為6 m，沉陷區(qū)外邊緣有縱向開裂，基層底面存在明顯的脫空現象。在最不利季節(jié)，探坑挖深至路基頂面以下2.8～3.0 m時出現冰晶體，可以判斷路基深度3 m以下為多年凍土層。

根據沉陷面積以及經濟成本的考慮，對于融沉較短的路段，采用全厚度分層換填方案。在路基頂面以下0～0.5 m采用CLSM-CTF1材料，在0.5 m以下采用CLSM-CTF2材料。對于融沉比較長的路段，若采用深度CLSM材料置換費用較高，故采用在路基內部設置保溫隔熱板，采用CLSM-CTF1材料作為板上層填料，保護隔熱板的整體性。

對埋在不同位置的傳感器，分別在施工完成時和施工結束1個月后對埋入指定位置的30根溫度傳感器共進行了2次電阻值數據采集，將電阻數值轉化為對應位置的溫度值。

3.1全厚度分層換填處治技術效果評價

圖6和圖7中1#和2#是分層換填處理的兩個平行兩個監(jiān)測斷面，3#是未經處理路基的監(jiān)測斷面。對比施工完成時和施工完成1個月后的溫度發(fā)現，由于外界氣溫的升高，路基內部的溫度整體呈現升高的趨勢，但是在處理路段溫度升高度數較未經處理路段小很多。在路基頂面以下2.0, 2.5 m和3.0 m 處，處理路段溫度平均升高了2.7, 0.6 ℃ 和1.1 ℃，而未經處理路段溫度升高了6.8,10.7 ℃和7.5 ℃，溫度升高幅度較大，這說明采用這兩種換填材料能夠有效降低路基內部溫度的升高，減少凍土層融化程度。

圖6　六月同期溫度對比Fig.6　Contrast of temperatures in June

圖7　七月同期溫度對比Fig.7　Contrast of temperatures in July

3.2XPS板+CLSM-CTF1換填處治技術效果評價

圖8和圖9中4#和5#為XPS板+CLSM-CTF1處理方法的兩個平行監(jiān)測斷面，6#為原狀未經處理路基的監(jiān)測斷面。在施工完成時， XPS板的層位處板上溫度大于板下溫度約2.3 ℃；施工結束后1個月的溫度讀數，溫度曲線沿深度方向線性減小， XPS板的板上溫度大于板下溫度約7.4 ℃。這說明XPS板+CLSM-CTF1有效地阻止了路表高溫對深層凍土熱融現象的促進作用。

圖8　六月同期溫度對比Fig.8　Contrast of temperatures in June

圖9　七月同期溫度對比Fig.9　Contrast of temperatures in July

根據現場試驗結果，目前采用換填CLSM材料和使用XPS板+CLSM維護技術效果良好，與未采用處理措施路段相比，能夠較好地降低換填材料下部溫度，降低路基發(fā)生熱融的可能性。由于CLSM材料的自流動、自密實的特性，與傳統材料相比，在施工時不需要大型復雜的施工機械，施工方法更為簡單，材料更為容易取得，對交通的影響更小。

4結論

(1)根據室內試驗結果，兩種配合比的CLSM材料摻加泡沫顆粒的最佳體積比均為1%。

(2)摻加泡沫顆粒使材料強度降低，但隔熱性能和抗凍能力明顯增強，導熱系數僅為黏土的40%～70%，能夠用于島狀凍土路基熱融維護。

(3)根據現場試驗表明，對沉陷范圍不大的區(qū)域采用全厚度分層換填維護技術，對融沉面積較大、縱向破壞較長區(qū)域采用XPS板+CLSM維護技術，換填層以下溫度明顯降低，能有效地阻止路表高溫對深層凍土熱融現象的促進作用。

(4)兩種保溫材料均具有自流動自密實特性，保障了換填路基的隔熱、強基、抗凍融效果，硬化時間短，減少施工機械的費用，達到快速處理的效果，為解決島狀凍土提出了新思路。

參考文獻：

References:

[1]張玉強.內蒙古島狀凍土地區(qū)公路路基施工技術研究[D]. 天津：天津大學，2008.

ZHANG Yu-qiang. Study of Highway Subgrade Construction Technology in Segregated Frozen Ground Area in Inner Mongolia[D]. Tianjin: Tianjin University, 2008.

[2]汪雙杰，李祝龍, 馬楠,等.多年凍土地區(qū)公路修筑技術[M]. 北京：人民交通出版社， 2008.

WANG Shuang-jie, LI Zhu-long,MA Nan, et al. The Technology of Highway Construction in Permafrost Region [M]. Beijing: China Communications Press, 2008.

[3]盛煜, 張魯新, 楊成松,等. 保溫處理措施在多年凍土區(qū)道路工程中的應用 [J]. 冰川凍土, 2002(5): 618-622.

SHENG Yu, ZHANG Lu-xin, YANG Cheng-song, et al. Application of Thermal-insulation Treatment to Roadway Engineering in Permafrost Regions [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2002,24(5):618-622.

[4]樊凱, 章金釗, 陳建兵. 保溫材料在青藏公路路基工程中的應用 [J]. 公路, 2004(8): 163-166.

FAN Kai, ZHANG Jin-zhao, CHEN Jian-bing. Application of Thermal-insulation Materials to Subgrade Engineering in Qingzang Road [J]. Highway, 2004(8):163-166.

[5]辛強. XPS保溫板處治島狀凍土路基技術研究 [D]. 西安：長安大學，2012.

XIN Qiang. Research on XPS Insulation Board Treatment Technology in Insular Permafrost Subgrade [D]. Xi’an: Chang’an University, 2012.

[6]林樂彬, 劉寒冰, 韓碩,等. 氣泡混合輕質土在道路凍土地基保護中的試驗研究 [J]. 公路交通科技, 2009,26(6): 55-58.

LIN Le-bin, LIU Han-bing, HAN Shuo, et al. Experimental Research on Foamed Cement Banking for Frozen Soil Foundation Protection[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009, 26(6): 55-58.

[7]趙福寧, 趙雨軍. 強夯置換法在島狀凍土特殊路基處理中的應用 [J]. 鐵道建筑, 2014(10): 85-87.

ZHAO Fu-ning, ZHAO Yu-jun. Application of Dynamic Compaction Replacement Method to Treat Special Subgrade in Island-shaped Frozen Soil[J]. Railway Engineering, 2014(10):85-87.

[8]張宏, 凌建明, 錢勁松. 可控性低強度材料(CLSM) 研究進展 [J]. 華東公路, 2011(6):49-54,

ZHANG Hong, LING Jian-ming, QIAN Jin-song. Research Progress of Controlled Low-strength Materials(CLSM) [J]. East China Highway, 2011(6):49-54.

[9]陳晶. 可控性低強度材料的研究進展 [J]. 商品混凝土, 2012(12): 27-28.

CHEN Jing. Research Progress of Controlled Low-strength Materials [J]. Ready-Mixed Concrete, 2012(12): 27-28.

[10]鄔曙光, 張宏, 王智遠. 可控性低強度回填材料性能研究 [J]. 內蒙古公路與運輸, 2012(4): 10-13.

WU Shu-guang, ZHANG Hong, WANG Zhi-yuan. Research on the Properties of Controlled Low Strength Backfill Material[J]. Highways & Transportation in Inner Mongolia, 2012(4): 10-13.

[11]American Concrete Institute. Controlled Low-Strength Materials(CLSM), ACI 229[R]. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute 1999.

[12]American Concrete Institute. Cement and Concrete Terminology, ACI 116[R]. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute, 2000.

[13]鄧朝暉. 建筑材料導熱系數的影響因素及測定方法 [J]. 工程質量, 2008(7): 15-18.

DENG Zhao-hui. Affecting Factors and Test Methods on Thermal Conductivity of Building Materials [J]. Quality of Civil Engineering and Construction, 2008(7): 15-18.

[14]黃嘉樑, 謝景鋒. 平板導熱系數儀標定方法的探討 [J]. 墻材革新與建筑節(jié)能, 2012(1): 46-48.

HUANG Jia-liang, XIE Jing-feng. Discussion on Calibration Method of Flat Thermal Conductivity Coefficient Instrument [J]. Wall Materials Innovation & Energy Saving in Buildings, 2012(1): 46-48.

[15]陳東豐, 陳志國, 姚冬冬. 地產材料在公路建設中的應用 [J]. 交通標準化, 2014,42(3): 36-42.

CHEN Dong-feng, CHEN Zhi-guo, YAO Dong-dong. Application of Local Material in Highway Construction[J]. Transportation Standardization, 2014, 42(3): 36-42.

New Subgrade Replacement Materials for Segregated Frozen Ground Area and Their Properties

CHEN Dong-feng1, ZHENG Chun-yu2, QIAN Jin-song3, LI Dong-xue2

(1.Jilin Provincial Communication Department,Changchun Jilin 130021,China;2.Jilin Provincial Transport Scientific Research Institute, Changchun Jilin 130012, China; 3.School of Transportation Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：Aiming at the existing problems in the maintenance technology of the frost heaving subgrade in segregated frozen ground area, in order to minimize the effect on traffic by using the traditional replacement materials, we presented 2 kinds of new packing material which have the performance of good insulating, hardening rapidly and constructing conveniently. Based on the property of high mobility, self-filling and self-compacting of CLSM, we mixed it with foam particles. The optimum volume ratio of the foam particles in filling material is determined as 1% through unconfined compressive strength test, coefficient of thermal conductivity test and freezing-thawing resisting cycling test based on 2 proportions. From the perspective of technology and economy, we put forward the following treatment scheme: adopting the full thickness of replacement in small subsidence and XPS board+CLSM replacement repair in large subsidence region. Finally, through the implementation of test section, the result shows that the new materials dedicating to the subgrade replacement in the existing segregated frozen ground area can achieve the requirement of engineering application.

Key words：road engineering; thermal-insulation material; experimental study; segregated frozen ground; subgrade maintenance; controlled low strength material (CLSM)

收稿日期：2015-03-30

基金項目:交通運輸部西部交通建設科技項目(2011318801670)

作者簡介：陳東豐(1962-)，男，吉林前郭人，研究員.(dfchen1962@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.007

中圖分類號：U416.1+6

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)06-0040-06