新型寒區(qū)高速鐵路路基保溫強(qiáng)化層的抑制凍脹效果研究

劉曉賀，岳祖潤(rùn)，胡田飛

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部， 北京 100081；2.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

高速鐵路路基的凍脹融沉嚴(yán)重影響了路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和列車行車的安全性。季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基的修筑已采取提高路基高度、增設(shè)隔排水設(shè)施、改良路基填料、鋪設(shè)保溫板、修筑保溫護(hù)道等措施來(lái)應(yīng)對(duì)氣候溫度的季節(jié)性變化引起路基的規(guī)律性凍脹融沉病害[1-2]。通過(guò)對(duì)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的哈大(哈爾濱—大連)、哈齊(哈爾濱—齊齊哈爾)、蘭新(蘭州—新疆)高速鐵路調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上述措施可以有效緩解路基凍害程度，但無(wú)法根除凍害，部分路段仍需要通過(guò)限速等行為來(lái)維持運(yùn)營(yíng)，路基的凍融病害依然存在[3-4]。因此，對(duì)路基填料改良、路基保溫措施等有效抑制路基凍脹方法的研究十分必要。

控制粗顆粒填料的組分、級(jí)配以及細(xì)顆粒含量等可以有效減輕路基的凍脹[5-7]。物理改良方面，沈宇鵬等[8]研究了神朔重載鐵路低液限粉土填料摻鹽前后的凍脹特性，通過(guò)封閉條件下的室內(nèi)凍脹試驗(yàn)得出摻入NaCl能有效抑制低液限粉土填料的凍脹，但是摻入量過(guò)大會(huì)引起次生鹽漬土病害；化學(xué)改良方面，Ma等[9]、Farhan等[10]對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基床的凍脹特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)基床填料的滲水性要求得出最佳細(xì)粒土含量以及水泥摻量，但容易引起次生裂縫等問(wèn)題；在顆粒級(jí)配改良方面，岳祖潤(rùn)等[11]以哈齊高鐵基床粗顆粒填料為研究對(duì)象，研究了細(xì)顆粒含量對(duì)填料含水率及壓實(shí)特性的影響，細(xì)顆粒含量越大，填料的凍脹敏感性越大，最優(yōu)含水率也越來(lái)越大。針對(duì)路基保溫措施的研究，田亞護(hù)等[12]、邰博文等[13]提出在路基中設(shè)置保溫層可有效阻隔冷量向路基中傳入，保溫效果良好，減小路基的凍脹變形。實(shí)質(zhì)上，溫度變化是引起路基凍脹的根本因素，因此保溫措施是防控凍害的最直接有效措施。但是，上述研究中保溫層的所用材料大多為EPS板、XPS板，由于保溫材料本身的材料力學(xué)性能和耐久性差，使用后會(huì)引起路基的剛度降低，同時(shí)因其是有機(jī)材質(zhì)，在太陽(yáng)照射及風(fēng)沙雨雪的惡劣環(huán)境作用下往往不能達(dá)到路基的設(shè)計(jì)使用年限。

綜上可見，現(xiàn)有的路基防凍脹方法在有效性和耐久性方面均存在一定不足，無(wú)法有力保障寒區(qū)高速鐵路的平順性技術(shù)要求，有必要研究與發(fā)展新型的路基防凍脹保溫材料與路基型式。

泡沫混凝土是以水泥為主要膠凝材料，摻加粉煤灰、細(xì)砂、礦粉、陶粒、硅灰、纖維等，各摻料按照一定的比例與水充分混合形成漿體，再混合由發(fā)泡劑溶液制備的均勻穩(wěn)定的氣泡形成易澆筑的泡沫流體，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后成型的一種輕質(zhì)微孔的工程材料[14-17]。該材料具有良好的保溫、隔熱、耐久、抗震、吸聲等性能，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋涵臺(tái)背回填[18]、公路拓寬改建[19]、寒區(qū)隧道保溫及隧道減震層[20-21]、鐵路路基施工及軟土地基處理[22-24]等工程領(lǐng)域。對(duì)于泡沫混凝土的力學(xué)性能研究，宋宏芳等[25]、趙文輝等[26]對(duì)泡沫混凝土路基力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出泡沫混凝土具有良好的動(dòng)力特性和長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性，具有良好的抵抗變形能力，可以滿足高速鐵路路基填料的設(shè)計(jì)要求；周平等[27]對(duì)泡沫混凝土鐵路路基的動(dòng)應(yīng)力減震進(jìn)行了研究，得出泡沫混凝土用作基床表層時(shí)減振效果明顯。對(duì)于泡沫混凝土的熱學(xué)性能研究，劉曉賀等[28]對(duì)摻加纖維的大重度泡沫混凝土的導(dǎo)熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)比分析不同種類不同含量纖維對(duì)導(dǎo)熱特性的影響，得出摻加聚丙烯纖維泡沫混凝土的阻熱性能最佳。對(duì)于泡沫混凝土的摻量比例研究，李應(yīng)權(quán)等[29]、朱紅英[30]對(duì)不同摻料種類的泡沫混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了摻量計(jì)算公式，但是缺乏能夠有效協(xié)調(diào)力學(xué)和熱學(xué)性能的摻量配合比研究。可以看出，泡沫混凝土在寒區(qū)隧道、公路的防寒保溫、鐵路路基的地基處理以及用作鐵路路基填料的力學(xué)與減振特性的有關(guān)研究較多，但是應(yīng)用于寒區(qū)鐵路路基保溫防凍脹功能的相關(guān)研究較少。

本文針對(duì)泡沫混凝土應(yīng)用于寒區(qū)鐵路路基基床表面保溫強(qiáng)化層的應(yīng)用需求，采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，為驗(yàn)證泡沫混凝土能否滿足保溫強(qiáng)化層在鐵路路基基床的功能要求，對(duì)摻加粉砂的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出性能最佳的泡沫混凝土配合比；以哈齊線路的地溫場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用COMSOL軟件中的固體傳熱模塊建立新型保溫路基計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)比有無(wú)保溫措施時(shí)的凍脹程度，驗(yàn)證了泡沫混凝土用作寒區(qū)高速鐵路路基保溫強(qiáng)化層的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 水泥

水泥是制備泡沫混凝土的重要試驗(yàn)材料，由于泡沫混凝土獨(dú)特的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，水泥的種類和水化性能等對(duì)泡沫混凝土的性能影響很大，水泥是無(wú)機(jī)膠凝黏結(jié)材料，對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度性能指標(biāo)起決定性作用，水泥的種類型號(hào)與摻量的比例對(duì)泡沫混凝土性能，尤其是抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度具有十分顯著的影響，本次試驗(yàn)采用的是P·O 52.5水泥，初凝時(shí)間142 min，終凝時(shí)間198 min。

1.2 粉煤灰

粉煤灰具有火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，細(xì)微的顆?？梢猿鋵?shí)泡沫混凝土內(nèi)部空隙，提高泡沫混凝土密實(shí)度，還有助于泡沫混凝土后期強(qiáng)度的提高。本試驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)電廠回收加工處理后的Ⅰ級(jí)活性粉煤灰，細(xì)度7.9%，需水量比87%，燒失量2.36%，含水量0.09%。

1.3 粉砂

粉砂采用天然河砂，經(jīng)過(guò)篩分后選擇的粒徑級(jí)配見表1，粉砂粒徑微小，在澆筑泡沫混凝土?xí)r可減少對(duì)氣泡的破壞，同時(shí)可以增加泡沫混凝土混合漿體的和易性，增強(qiáng)漿體固化成型的穩(wěn)定性。

表1 粉砂的物理指標(biāo)

1.4 發(fā)泡劑

發(fā)泡劑經(jīng)稀釋加壓后可制備出均勻穩(wěn)定的氣泡，將氣泡混合到泡沫混凝土漿體中進(jìn)行適當(dāng)攪拌并澆筑養(yǎng)護(hù)成型，均勻分布在泡沫混凝土體中的氣孔形成有效的阻熱作用；本試驗(yàn)采用的發(fā)泡劑是廣東某公司生產(chǎn)的表面活性高分子發(fā)泡劑。利用此發(fā)泡劑按照1∶60比例稀釋成發(fā)泡液，將發(fā)泡液倒入發(fā)泡機(jī)內(nèi)進(jìn)行加壓，達(dá)到規(guī)定壓力值后進(jìn)行發(fā)泡。

2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

面向寒區(qū)高鐵路基工程時(shí)，泡沫混凝土需要同時(shí)滿足力學(xué)強(qiáng)度和保溫隔熱兩個(gè)方面的技術(shù)要求。泡沫混凝土摻料中，泡沫摻入量一般取固定摻料的體積比例值，因此水泥、粉煤灰、粉砂一方面決定力學(xué)強(qiáng)度水平，另一方面，間接地影響熱學(xué)性能。本文即以水泥、粉煤灰、粉砂摻入比為主要試驗(yàn)對(duì)象。參考文獻(xiàn)[29-30]有關(guān)泡沫混凝土配合比的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行水泥、粉煤灰、粉砂等材料配合比設(shè)計(jì)，計(jì)算方法為

ρ干=Sa(Mc+Mfa+Ms)

(1)

Mw=φ(Mc+Mfa+Ms)

(2)

式中:ρ干為泡沫混凝土設(shè)計(jì)干密度，kg/m3；Sa為質(zhì)量系數(shù)，普通硅酸鹽水泥取1.2，硫鋁酸鹽水泥取1.4；Mc為泡沫混凝土的水泥用量，kg；Mfa為泡沫混凝土的粉煤灰用量，kg；Ms為泡沫混凝土的粉砂用量，kg；Mw為泡沫混凝土的基本用水量，kg；φ為基本水料比。

加入泡沫前漿體體積及泡沫添加量分別為

(3)

V2=K(1-V1)

(4)

式中:ρs為粉砂密度，kg/m3；ρfa為粉煤灰密度，kg/m3；ρc為水泥密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m-3；V1為加入泡沫前，水泥、粉煤灰、粉砂和水組成的漿體總體積，m3；V2為泡沫添加量，m3；K為富余系數(shù),通常大于1，一般情況下取1.1～1.3。發(fā)泡劑用量Mp的計(jì)算式為

My=V2ρ泡

(5)

(6)

其中，My為形成的泡沫液質(zhì)量，kg；ρ泡為實(shí)測(cè)泡沫密度，kg/m3；Mp為泡沫混凝土的泡沫劑質(zhì)量，kg；β為泡沫劑發(fā)泡倍數(shù)。

2.1 試驗(yàn)水灰比的確定

水灰比對(duì)泡沫混凝土的性能影響至關(guān)重要，當(dāng)較高水灰比時(shí)，泡沫混合漿料的流動(dòng)度較高，在攪拌澆筑過(guò)程中，由于氣泡的密度較低，容易出現(xiàn)氣泡上浮的現(xiàn)象，導(dǎo)致氣泡與混合漿料的分層；當(dāng)較低水灰比時(shí)，混合漿料的流動(dòng)度較低，泡沫混合漿料粘稠，氣泡容易破裂融合，造成氣泡含量低、氣泡孔徑不均勻等情況，試驗(yàn)結(jié)果與Nambiar等[14]研究相一致，水灰比與流動(dòng)度關(guān)系如圖1所示。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)泡沫混合漿料的流動(dòng)度，水灰比取0.5時(shí)，漿料可均勻穩(wěn)定地容納氣泡。

圖1 不同水灰比下的流動(dòng)度

2.2 配合比試驗(yàn)方案

根據(jù)上述配合比計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)摻加粉砂的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。當(dāng)前泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)研究中大多根據(jù)某一力學(xué)或物理性能進(jìn)行最終比選，并未綜合分析考慮各項(xiàng)性能指標(biāo)得出合理的配合比，即尚未就配合比優(yōu)化問(wèn)題展開研究[28]，此外，能夠?qū)嶋H應(yīng)用的多種摻合料復(fù)合的泡沫混凝土相關(guān)研究較少，大多為純水泥泡沫混凝土[20,22,26-27]。為了提高多種摻合料泡沫混凝土的試驗(yàn)性能，降低工程經(jīng)濟(jì)性，減少水泥用量，本試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)思路為不斷降低水泥含量，通過(guò)調(diào)整粉砂與粉煤灰的含量進(jìn)行滿足設(shè)計(jì)干密度要求的配合比試驗(yàn)。水泥的含量分別控制為50%、40%、30%，粉砂含量分別控制為0%、10%、20%、30%，根據(jù)不同的水泥與粉砂含量調(diào)整粉煤灰的含量，具體配合比設(shè)計(jì)見表2。

表2 配合比

3 泡沫混凝土性能指標(biāo)測(cè)試方案

按照表2中的12種配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)干密度值為1 200 kg/m3泡沫混凝土的制備，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行28 d齡期養(yǎng)護(hù)，并分別測(cè)試泡沫混凝土的物理、力學(xué)性能及凍融耐久性。

3.1 力學(xué)性能測(cè)試

路基填料力學(xué)性能是保障高速鐵路平順性技術(shù)要求的關(guān)鍵，因此新型泡沫混凝土應(yīng)用于路基基床表層的前提是具備足夠的力學(xué)強(qiáng)度。

泡沫混凝土的力學(xué)試驗(yàn)包括抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行，其中抗壓強(qiáng)度測(cè)試試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3塊，共計(jì)12組；抗折強(qiáng)度測(cè)試試塊的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，每組3塊，共計(jì)12組。按配合比試驗(yàn)方案將摻合料進(jìn)行混合澆筑，24 h后脫膜，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。測(cè)試結(jié)果取每組測(cè)試值的算術(shù)平均值。當(dāng)前有關(guān)泡沫混凝土應(yīng)用于鐵路工程中力學(xué)性能的研究多為動(dòng)力特性及抗震效果，對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的研究較少[25-27]。因此，將抗壓及抗折強(qiáng)度作為其在鐵路工程應(yīng)用力學(xué)指標(biāo)的研究十分必要。

3.2 物理性能測(cè)試

泡沫混凝土的熱學(xué)試驗(yàn)主要測(cè)定其導(dǎo)熱系數(shù)，試驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[17]進(jìn)行，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試塊的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，每組3塊，共計(jì)12組；為進(jìn)一步反映泡沫混凝土熱學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，輔以試樣干密度測(cè)定試驗(yàn)，干密度測(cè)試試塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3塊，共計(jì)12組。按配合比試驗(yàn)方案進(jìn)行摻合料的混合澆筑，并在24 h后脫膜，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，測(cè)試結(jié)果取每組測(cè)試值的算術(shù)平均值。

3.3 凍融耐久性測(cè)試

泡沫混凝土的耐久性能試驗(yàn)測(cè)試方法參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行，試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3塊，共計(jì)12組。試驗(yàn)方法為在試塊到達(dá)齡期前4 d將其放水中浸泡，到達(dá)齡期時(shí)，將試塊取出放入高低溫試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱運(yùn)行溫度為-20 ℃，持續(xù)4 h后，取出放置20 ℃水中，持續(xù)4 h,凍融循環(huán)25次后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度作對(duì)比，分析泡沫混凝土的凍融耐久性。

4 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 抗壓強(qiáng)度

不同水泥含量下的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉砂含量變化情況見圖2。由圖2可知，試樣抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增大而增大，原因在于，水泥是混合漿料的主要膠凝材料，對(duì)強(qiáng)度提升起關(guān)鍵作用。在相同水泥含量條件下，試樣抗壓強(qiáng)度均隨粉砂含量的增大呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。其中，40%水泥與50%水泥的泡沫混凝土試樣，其抗壓強(qiáng)度隨著粉砂含量的變化趨勢(shì)相對(duì)一致；即粉砂含量小于10%或大于20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化幅度相對(duì)較小，粉砂含量在10%～20%之間時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化幅度相對(duì)顯著。30%水泥的抗壓強(qiáng)度則與隨粉砂含量呈線性降低趨勢(shì)。原因在于，粉砂是非膠凝材料，少量的摻加可以增加泡沫混凝土漿料的和易性，粉砂含量較大時(shí)，將會(huì)影響混合漿料的膠凝固結(jié)。因此，為保持良好的力學(xué)性能，泡沫混凝土應(yīng)盡量摻入較多水泥，并注意控制粉砂含量。

圖2 抗壓強(qiáng)度與粉砂含量的關(guān)系曲線

4.2 抗折強(qiáng)度

不同水泥含量下的泡沫混凝土抗折強(qiáng)度隨粉砂含量變化情況見圖3。由圖3可知，不同水泥含量下泡沫混凝土試樣的抗折強(qiáng)度隨著粉砂含量的增加變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致，呈負(fù)相關(guān)特征。粉砂含量低于10%時(shí)，不同水泥含量下試樣的抗折強(qiáng)度呈水平分布，抗折強(qiáng)度值無(wú)明顯升降；粉砂含量大于10%時(shí)，不同水泥含量試樣的抗折強(qiáng)度隨著粉砂含量的增加呈線性降低趨勢(shì)，50%、40%水泥含量試樣的抗折強(qiáng)度隨粉砂含量的增加降低幅度趨近相同。特別是50%水泥含量試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度相比40%水泥含量試樣的增大效果不明顯。

圖3 抗折強(qiáng)度與粉砂含量的關(guān)系曲線

由抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)可知，50%水泥和40%水泥的泡沫混凝土力學(xué)性能相差微小，原因在于粉砂含量恒定時(shí)，減少的水泥由等量的粉煤灰來(lái)替代，粉煤灰具有微集料效應(yīng)，可增強(qiáng)泡沫混凝土的強(qiáng)度，但增強(qiáng)效果不如水泥。且含量變化較小時(shí)，對(duì)力學(xué)性能影響較小[28]。

綜合分析不同水泥含量泡沫混凝土試樣的抗壓、抗折強(qiáng)度隨粉砂含量的變化結(jié)果，以及考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，泡沫混凝土力學(xué)性能最優(yōu)的配合比為水泥∶粉砂∶粉煤灰=4∶1∶5

5 物理性能試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 導(dǎo)熱系數(shù)

不同水泥含量下的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨粉砂含量變化情況見圖4。由圖4可知，不同水泥含量的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均隨著粉砂含量的增加而呈逐漸降低趨勢(shì)，原因在于，粉砂為非膠凝材料，且粒徑遠(yuǎn)大于水泥和粉煤灰，在混合漿體攪拌澆筑成型過(guò)程中會(huì)引起氣泡的破裂重組，形成更為微小致密的氣泡群，有利于提高泡沫混凝土的阻熱能力。同時(shí)，同一粉砂含量、不同水泥含量的導(dǎo)熱系數(shù)值相差很小，原因在于泡沫混凝土的設(shè)計(jì)干密度恒為1 200 kg/m3，故單位體積的不同配合比的試樣，其空隙率是接近相同的，而空隙率是影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素，空隙率越高，泡沫混凝凝土的導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫隔熱性能越好。因此，對(duì)于恒定干密度的泡沫混凝土，粉砂的摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小。

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)與粉砂含量的關(guān)系曲線

5.2 干密度

不同水泥含量下的泡沫混凝土干密度隨粉砂含量變化情況見圖5。由圖5可知，不同水泥含量的泡沫混凝土的干密度均隨著粉砂含量的增加呈線性降低趨勢(shì)；同一粉砂含量，40%水泥試樣的干密度值最小，50%水泥試樣的干密度值最大，泡沫混凝土的實(shí)測(cè)干密度值均小于設(shè)計(jì)干密度值，原因在于泡沫混凝土的干密度受泡沫富余系數(shù)、水灰比、攪拌方式、攪拌時(shí)間等因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)測(cè)干密度與設(shè)計(jì)干密度不一致，但均在誤差允許范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)干密度值較小的泡沫混凝土氣泡破壞率較低，且氣泡分布均勻，導(dǎo)熱系數(shù)較小。就實(shí)測(cè)干密度而言，40%水泥含量的泡沫混凝土的干密度最小。因此，應(yīng)用于寒區(qū)路基工程時(shí)，泡沫混凝土通過(guò)設(shè)置干密度值(空隙率)即可控制保溫隔熱性能，粉砂等摻入成分的影響不大。

圖5 干密度與粉砂含量的關(guān)系曲線

5.3 凍融耐久性

不同水泥含量下的泡沫混凝土經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度比值(殘余抗壓強(qiáng)度比)隨粉砂含量變化情況見圖6。由圖6可知，凍融后與凍融前抗壓強(qiáng)度的比值小于1，說(shuō)明經(jīng)過(guò)凍融后的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)衰減。當(dāng)粉砂含量小于10%時(shí)，不同水泥含量的泡沫混凝土試樣的殘余抗壓強(qiáng)度比值衰減微弱；40%水泥含量的殘余抗壓強(qiáng)度比最大，其抗凍融循環(huán)能力最強(qiáng)；粉砂含量由10%到20%的過(guò)程中衰減明顯，且粉砂含量為20%時(shí)，40%、50%水泥的抗凍融循環(huán)能力均低于30%水泥。10%粉砂、40%水泥含量的殘余抗壓強(qiáng)度比為0.84，經(jīng)過(guò)凍融試驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度值衰減16%，相比當(dāng)前水泥穩(wěn)定碎石路基凍融后的強(qiáng)度衰減值小，更有利于提高路基的穩(wěn)定性，且可有效抑制路基的凍脹。

圖6 殘余抗壓強(qiáng)度比值與粉砂含量的關(guān)系曲線

綜合分析不同水泥含量泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、干密度、凍融耐久性隨粉砂含量的變化結(jié)果以及工程的經(jīng)濟(jì)性，水泥含量40%、粉砂含量10%、粉煤灰含量50%的泡沫混凝土物理性能較優(yōu)。

6 路基保溫隔熱特性研究

為研究摻加粉砂的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土路基保溫強(qiáng)化層的保溫抗凍脹效果，結(jié)合上述室內(nèi)泡沫混凝土試驗(yàn)結(jié)果以及哈齊高速鐵路某路基斷面，提出一個(gè)新型的全斷面保溫路基結(jié)構(gòu)，并選定40%水泥、50%粉煤灰、10%粉砂配合比的泡沫混凝土作為路基基床上部的保溫強(qiáng)化層，通過(guò)數(shù)值仿真來(lái)驗(yàn)證其抗凍脹效果。利用有限元軟件COMSOL分別對(duì)鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層路基、未鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層路基的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)佐證模擬可靠性。

6.1 現(xiàn)場(chǎng)路基試驗(yàn)斷面概述

試驗(yàn)段位于黑龍江省大慶市境內(nèi)，路基斷面的幾何型式及監(jiān)測(cè)方案見圖7。該斷面所在的線路路基以填方通過(guò)，與既有線并行，位于既有濱洲線右側(cè)約22 m處。該路基設(shè)計(jì)高度3.9 m，其頂部寬13.4 m，兩軌道線間距4.8 m?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)開始時(shí)間為2012-08-06，監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)間為2013-08-05，監(jiān)測(cè)周期為1 a。

圖7 路基斷面測(cè)溫孔布置

6.2 有限元模型建立

以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段路基溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用COMSOL中固體傳熱模塊建立路基凍脹模型。鑒于路基斷面?zhèn)鳠釋?duì)稱性，采用半幅路基幾何模型，見圖8，具體幾何尺寸：路基頂面寬6.7 m，基床表層厚度0.5 m，基床底層厚度3.4 m，路基底面寬度13 m，地基土層模擬深度10 m。參考文獻(xiàn)[31]及數(shù)據(jù)反演，路基不同區(qū)域的土層性質(zhì)指標(biāo)取值見表3，模型建立時(shí)，采用實(shí)測(cè)地溫作為上邊界的溫度條件輸入；根據(jù)哈齊高鐵所在地相關(guān)地勘資料，采用恒溫8 ℃作為下邊界條件；考慮距路基兩側(cè)足夠遠(yuǎn)處的溫度與天然場(chǎng)地分布一致，將左右邊界取為絕熱邊界。

圖8 路基幾何模型

表3 路基土層物理特性表

6.3 模型溫度場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證路基模型溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，選取一年溫度監(jiān)測(cè)周期中2012-08-06、2012-11-10、2013-03-20和2013-05-01四個(gè)時(shí)間點(diǎn)路基模型的路基中心不同深度的溫度模擬值與對(duì)應(yīng)位置處路基的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，見圖9。由圖9可知，路基中心不同深度處的溫度模擬值與對(duì)應(yīng)位置處的實(shí)測(cè)值差異較小，且溫度模擬值與實(shí)測(cè)值隨深度變化的趨勢(shì)一致。由此可知，模型可以反映地溫的變化規(guī)律，模型可靠。以此模型為基礎(chǔ)來(lái)研究鋪設(shè)摻加粉砂的粉煤灰-水泥基最優(yōu)配合比泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層路基的抗凍脹效果是可行的。

圖9 路基中心不同深度的實(shí)測(cè)與模擬溫度對(duì)比

6.4 結(jié)果分析

基于上述計(jì)算模型計(jì)算摻加粉砂的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層路基的抗凍脹效果，即在原有計(jì)算模型基礎(chǔ)上，鋪設(shè)10 cm厚全斷面泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層于基床結(jié)構(gòu)頂面及兩側(cè)邊坡，并在兩側(cè)邊坡增設(shè)50 cm厚細(xì)粒土包層，具體計(jì)算模型見圖10。

圖10 鋪設(shè)泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層路基幾何模型

鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層與未鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層路基在最大凍結(jié)深度時(shí)刻的地溫場(chǎng)分布云圖如圖11所示。由圖11可知，全斷面鋪設(shè)泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層路基的中心部位、兩側(cè)坡腳0 ℃凍結(jié)線均有抬升，路基中心部位較兩側(cè)坡腳抬升明顯, 基床保溫強(qiáng)化層范圍內(nèi)溫度顯著低于路基邊坡及地表溫度, 存在明顯的邊界熱阻效應(yīng)，表層低溫未向內(nèi)部擴(kuò)展。路基凍脹變形發(fā)生在路基的最大凍深范圍內(nèi)，凍脹變形會(huì)隨著凍深的增加而增大[13]，故路基的最大凍深減小，凍脹量也會(huì)隨之減小。通過(guò)計(jì)算可知，全斷面鋪設(shè)泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層的路基中心、左坡腳、右坡腳最大凍結(jié)深度較未鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層的路基分別抬升了0.99、0.72、0.79 m，最大凍深的減小，可以有效控制路基的凍脹變形。

圖11 路基溫度場(chǎng)云圖對(duì)比(單位：℃)

鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層和未鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層路基計(jì)算模型路基中心的凍結(jié)深度隨時(shí)間的變化情況如圖12所示，由圖12可知，鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層路基比未鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層路基使負(fù)溫延緩進(jìn)入，且凍結(jié)深度顯著減小，鋪設(shè)保溫強(qiáng)化層路基凍脹開始時(shí)間晚于未鋪設(shè)路基約32 d左右，路基中心凍結(jié)深度減小值約1.0 m，由此可知，新型寒區(qū)全斷面路基保溫結(jié)構(gòu)可有效減輕路基的凍脹。

圖12 路基中心凍結(jié)深度隨時(shí)間變化曲線

7 結(jié)論

(1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研制一種適用于寒區(qū)高速鐵路路基保溫抗凍脹的摻加粉砂的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土，綜合分析物理性能和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，得出最佳配合比為水泥含量40%、粉砂含量10%、粉煤灰含量50%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.21 W/(m·K)，凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度殘余比為0.84，阻熱效果明顯，抗凍融能力強(qiáng)，可作為寒區(qū)鐵路路基保溫強(qiáng)化層材料。

(2)以哈齊高鐵某路基斷面為案例進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明鋪設(shè)泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層的路基0 ℃凍結(jié)線明顯上抬并向兩側(cè)路基邊坡偏移，接近基床表層底部和兩側(cè)邊坡；路基最大凍結(jié)深度減少至1.16 m，且延遲了負(fù)溫進(jìn)入路基的時(shí)間，泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層的保溫隔熱效果顯著。

(3)不同保溫措施下的路基凍脹仿真結(jié)果表明，采用10 cm厚摻加粉砂的粉煤灰-水泥基泡沫混凝土保溫強(qiáng)化層進(jìn)行路基全斷面鋪設(shè)，并在兩側(cè)路基邊坡增加0.5 m細(xì)粒土包層的新全斷面型路基防凍脹結(jié)構(gòu)保溫隔熱效果良好，可以有效抑制路基凍脹，該新型保溫路基結(jié)構(gòu)可為寒區(qū)高速鐵路路基的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供參考。