魯南高速鐵路曲阜東站路基泡沫混凝土制備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

曹乾桂

魯南高速鐵路有限公司，濟(jì)南 250102

隨著八縱八橫高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的快速構(gòu)建，我國(guó)高速鐵路建設(shè)進(jìn)入了“以主通道為骨架，城際鐵路為補(bǔ)充，內(nèi)外互聯(lián)互通，區(qū)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(chǎng)改擴(kuò)建時(shí)減少對(duì)運(yùn)營(yíng)線路的干擾和影響，逐漸將具有輕質(zhì)、低彈、施工方便等特性的泡沫混凝土材料應(yīng)用在既有線幫寬和鄰近運(yùn)營(yíng)線填筑中［3-4］。

魯南高速鐵路日照至曲阜段全長(zhǎng)235 km，運(yùn)營(yíng)最高時(shí)速310 km，設(shè)計(jì)在曲阜東站接入京滬高速鐵路，上下行聯(lián)絡(luò)線和安全線均采用泡沫混凝土對(duì)既有高速鐵路路基進(jìn)行幫寬。幫寬路段采用灌注樁加固地基，以臺(tái)階開(kāi)挖和錨桿植入的方式加強(qiáng)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(shè)鍍鋅鋼絲網(wǎng)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(shè)置厚度為15 mm的C30鋼筋混凝土板，邊坡采用三維柔性生態(tài)護(hù)坡，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 幫寬路基結(jié)構(gòu)示意

雖有石濟(jì)、雄忻等高速鐵路的工程實(shí)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(shí)施中仍面臨許多突出問(wèn)題。既有鐵路工程實(shí)例尚處于應(yīng)用初期，真正可借鑒的成果匱乏。因使用功能和技術(shù)要求存在差異，在鐵路行業(yè)尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可依據(jù)。因橫跨京滬高速鐵路和臨近曲阜東站，工況條件復(fù)雜，泡沫混凝土須進(jìn)行近1 000 m的二級(jí)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(duì)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(wěn)定性較差，易出現(xiàn)對(duì)角貫穿開(kāi)裂、表層起鼓等問(wèn)題［5-6］，在進(jìn)行高密度泡沫混凝土初期試驗(yàn)時(shí)甚至出現(xiàn)熱涌通道、水平分層爆裂等現(xiàn)象。泡沫混凝土總工程量近8萬(wàn)m3，受京滬高速鐵路線路限高和場(chǎng)地限制，現(xiàn)場(chǎng)不能采用大型散裝水泥車運(yùn)輸?shù)姆绞?。綜上，本文從工程實(shí)際的角度出發(fā)，開(kāi)展高工作性、低水化熱、優(yōu)良的體積穩(wěn)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(yīng)用研究，以期在解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的同時(shí)，為同類工程提供參考。

1 泡沫混凝土試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)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(xiàng)指標(biāo)滿足TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求；鐵尾礦微粉采用河南華泰鐵尾礦微粉，其主要化學(xué)組成和物理指標(biāo)見(jiàn)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(qiáng)度為1 700 MPa；發(fā)泡劑為中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司TKFC?HHSFX型現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土用發(fā)泡劑，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證與其現(xiàn)場(chǎng)水泥相容性優(yōu)良，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2；拌和用水和發(fā)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(biāo)和化學(xué)組成

表2 TKFC?HHSFX型發(fā)泡劑主要技術(shù)指標(biāo)

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(duì)象，確定試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比，其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為：28 d抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa；流值160~180 mm；濕密度增加率≤10%。其配合比參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 基準(zhǔn)配合比參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

考慮礦渣粉的較高活性可能會(huì)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J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。以初選配合比為基礎(chǔ)，摻加不同摻量的耐堿玻璃纖維，進(jìn)行力學(xué)性能和收縮試驗(yàn)。流值試驗(yàn)參照J(rèn)GJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行。單摻30%的粉煤灰和鐵尾礦微粉制備試件，開(kāi)展水化放熱速率和干縮試驗(yàn)，其中水化放熱速率試驗(yàn)采用與水膠比相同的凈漿；干縮試驗(yàn)試件為兩端粘貼銅片的100 mm（長(zhǎng)）×100 mm（寬）×400 mm（高）棱柱體，測(cè)試方法參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的接觸法。

2 泡沫混凝土特性與影響因素分析

2.1 強(qiáng)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(duì)泡沫混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度影響見(jiàn)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(qiáng)度逐漸降低；摻量在30%以內(nèi)時(shí)，強(qiáng)度降低幅度相對(duì)較小，最大為22%；當(dāng)摻量為60%時(shí)強(qiáng)度降幅達(dá)40%以上。這是因?yàn)榉勖夯一钚暂^低，粉煤灰摻量的增加降低了整個(gè)膠凝材料體系的水化進(jìn)程，尤其是在28 d齡期內(nèi)的水化程度較低；粉煤灰密度相對(duì)較小，以及少量碳粒等有害物質(zhì)的吸附作用，易造成漿體出現(xiàn)分層和破泡現(xiàn)象，從而直接影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)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(qiáng)度整體同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但在15%摻量時(shí)，混凝土28 d強(qiáng)度提高約6%，隨著摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度下降幅度稍大于粉煤灰。這是因?yàn)樵囼?yàn)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(nèi)僅起到微集料的物理填充作用效應(yīng)。因其顆粒較細(xì)，在15%左右摻入時(shí)，能有效填充水泥顆粒間的空隙，增加了體系密實(shí)性，并起到微集料的骨架作用。同時(shí)，適量鐵尾礦微粉的加入，能夠提高漿體的稠度和均質(zhì)性，對(duì)試件強(qiáng)度有利。

圖2 礦物摻料摻量對(duì)試件抗壓強(qiáng)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(duì)泡沫混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度和流值的影響見(jiàn)表4。可知，耐堿短切玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土抗壓、抗折強(qiáng)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(shí)，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增加，最大值為基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的143%；當(dāng)摻量增加至0.8%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度有所降低；泡沫混凝土抗折強(qiáng)度則隨耐堿短切玻璃纖維摻量的增加而持續(xù)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(shí)拌和物流值下降不顯著。

表4 耐堿短切玻璃纖維摻量對(duì)試件抗壓、抗折強(qiáng)度和流值的影響

試驗(yàn)中采用的微細(xì)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(zhǎng)徑比，摻入到泡沫混凝土中，能夠承擔(dān)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(xué)強(qiáng)度。由于細(xì)長(zhǎng)纖維的纏結(jié)、黏滯作用，故耐堿短切玻璃纖維摻入對(duì)泡沫混凝土拌和物流值有不利影響。

2.2 水化熱

基準(zhǔn)、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(jiàn)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(zhǔn)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(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)結(jié)果也能較好地解釋粉煤灰、鐵尾礦微粉摻入對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的降低效應(yīng)。

圖3 礦物摻料對(duì)水化進(jìn)程的影響

2.3 干縮

單摻30%粉煤灰、鐵尾礦微粉對(duì)泡沫混凝土收縮的影響見(jiàn)圖4?？芍?，3種泡沫混凝土的早齡期干縮發(fā)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(zhǔn)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(zhǔn)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?yàn)榕菽炷翞槟z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(wěn)定性的影響，因此干縮變形較大；同時(shí)，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(qiáng)度未能充分發(fā)展，有較多的自由水未能水化消耗而易于蒸發(fā)，故體系產(chǎn)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(jié)果

為進(jìn)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(duì)泡沫混凝土干縮變形的影響見(jiàn)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?yàn)榇罅康妮^高彈性模量和高抗拉強(qiáng)度的微細(xì)纖維摻入，在混凝土中形成了較高模量的剛性骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，很好地限制了泡沫混凝土的收縮變形。

3 應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選定了兩組泡沫混凝土配合比，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)攪拌用水扣除發(fā)泡劑稀釋用水，整體水膠比為0.5，施工配合比參數(shù)見(jiàn)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(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土用發(fā)泡劑；W為拌和用水；XW為發(fā)泡劑稀釋用水。

表5 施工配合比參數(shù)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)攪拌方式

采用全自動(dòng)電控系統(tǒng)生產(chǎn)泡沫混凝土。該系統(tǒng)由雙攪拌系統(tǒng)、自動(dòng)上料系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、發(fā)泡系統(tǒng)和主控系統(tǒng)組成。生產(chǎn)時(shí)，由漿體攪拌設(shè)備將經(jīng)自動(dòng)計(jì)量的膠凝材料和水制成漿體，泵送至兼有發(fā)泡系統(tǒng)的成品攪拌設(shè)備，完成泡沫混凝土的制備，根據(jù)作業(yè)距離漿體可選擇二級(jí)泵送工藝，有效解決超遠(yuǎn)距離泵送的問(wèn)題。

針對(duì)不同細(xì)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(wèn)題，以相對(duì)密度為控制指標(biāo)，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(chǎng)外對(duì)粉煤灰和鐵尾礦微粉進(jìn)行預(yù)造漿。預(yù)造漿體運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)具有循環(huán)攪拌功能的料池中陳化不少于12 h，施工時(shí)抽取漿體泵送至攪拌設(shè)備與水泥漿體混合?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采取該方法可有效解決礦物摻料的加入引發(fā)漿體分層、不均勻問(wèn)題，同時(shí)緩解了原材料物流的困難。采用掃描電鏡對(duì)常規(guī)攪拌和預(yù)造漿攪拌漿體試件的微觀形貌進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，常規(guī)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(tuán)聚狀態(tài)，無(wú)法分散，體系均勻性較差，局部呈現(xiàn)多孔狀態(tài)。而圖6（b）所示的預(yù)造漿方法成型的試件內(nèi)部更為細(xì)膩均勻，未見(jiàn)團(tuán)聚微粉顆粒，表明該攪拌工藝很好地改善了體系的勻質(zhì)性和顆粒的分散性，有利于漿體工作性能和力學(xué)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(yàn)

采用濕密度為700 kg/m3的未摻摻料的基準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)試澆筑后泡沫混凝土芯部溫度見(jiàn)圖7?？芍?，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(zhǔn)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(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 泡沫混凝土芯部溫度

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)制備工藝和溫升試驗(yàn)檢驗(yàn)，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(jìn)行工程應(yīng)用，泡沫混凝土總共應(yīng)用約8萬(wàn)m3。施工驗(yàn)收中未出現(xiàn)開(kāi)裂、起鼓等問(wèn)題，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

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

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(shí)的84.6℃降低至65.3℃。

3）與基準(zhǔn)泡沫混凝土相比，摻30%粉煤灰泡沫混凝土90 d干縮無(wú)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(qiáng)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(yù)造漿的工藝能夠提高泡沫混凝土的均質(zhì)性和穩(wěn)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(shù)要求的泡沫混凝土，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。