用于岛状冻土地区路基换填的新型材料及其性能

陈东丰，郑纯宇，钱劲松，李冬雪

(1.吉林省交通运输厅，吉林　长春　130021；2.吉林省交通科学研究所，吉林　长春　130012；3.同济大学　交通运输工程学院，上海　201804)

用于岛状冻土地区路基换填的新型材料及其性能

陈东丰1，郑纯宇2，钱劲松3，李冬雪2

(1.吉林省交通运输厅，吉林长春130021；2.吉林省交通科学研究所，吉林长春130012；3.同济大学交通运输工程学院，上海201804)

摘要：针对现有岛状冻土地区冻胀路基的维护技术存在的突出问题，为最大限度地降低利用传统换填材料处治对道路通行能力的影响，研究提出了两种具备良好隔温性能，且能够快速硬化、施工便捷的新型填料。基于可控性低强度材料(CLSM)的高流动性、自填充、自密实特性，对其掺入泡沫颗粒，并通过对两种配合比进行无侧限抗压强度试验、导热系数试验和抗冻融循环试验，确定换填材料的泡沫颗粒的最佳体积比为1%。从技术经济角度出发，提出治理方案为：对沉陷面积不大的区域，采用全厚度换填修复；对沉陷面积较大的区域，采用XPS板+CLSM换填修复。最后通过现场试验段的实施，分析结果表明，本文提出专用于现有岛状冻土地区路基换填的新型材料，能够达到实际的工程应用要求。

关键词：道路工程；保温材料；试验研究；岛状冻土；路基维护；CLSM

0引言

岛状冻土是多年连续冻土与季节性冻土地区的中间过渡带，属于高温不稳定冻土，冻土地温一般在0～-1 ℃之间，普遍呈现极不稳定状态[1]。在岛状冻土地区修筑的路基在季节性冷热极端气候的影响下，路基内部水热平衡状态被破坏，力学性能降低，容易出现塌陷融沉等变形，严重影响道路使用寿命。

岛状冻土地区路基的处治原则应以保护冻土层、避免冻土退化为主，其技术途径总体可归结为改变路基结构或材料，来调节路基与外界环境的一种或多种热交换方式，以实现对路基温度场的调控。长期实践表明，在低温冻土区，铺设保温材料可有效保护多年冻土[2]。目前主要采用XPS板和EPS板做保温路基，利用其低热导性和隔水性，阻止热量和水分进入，起到保护多年冻土的作用[3-5]。林乐彬[6]将气泡混合轻质土应用于冻土地基中，隔热保温效果明显。赵福宁[7]采用铺设厚片石形成工作面后进行强夯处理，铺设土工格珊和天然级配碎石对岛状冻土地区路基进行处理。

对于岛状冻土地区新建路基可以采用上述方法，然而对于已役路基岛状冻土病害进行处治时，为减少路基处理对交通的影响，应当采用能够快速硬化且施工方便的换填材料。可控性低强度材料(CLSM)具有高流动性、自填充、自密实的特性，掺加泡沫颗粒具有良好的隔温性能[8-10]，然而对于泡沫颗粒的最佳添加量并不明确。首先，本文对两种配合比的CLSM材料进行无侧限抗压强度试验、导热系数测定试验和抗冻融循环试验等室内试验，确定出最佳配合比。最后，将两种最佳配合比下的换填材料和XPS板相结合，以长白山地区某边防旅游公路塌陷密集路段作为路基快速维护实体工程试验路段，验证换填材料对路基内部温度场的改善状况。

1原材料和配合比试验方案

根据美国混凝土协会(ACI)的定义[11-12]，CLSM是一种具有高流动性，在自重作用下无需或少许振捣下，可自行填充，形成自密实结构的水泥基低强度回填材料，其28 d无侧限抗压强度不得超过8.3 MPa。对于CLSM有很多种分类，其中用于隔热的可控性低强度材料称为CLSM-CTF。目前美国多个混凝土协会和州关于CLSM的配合比范围做了规定[8]，考虑本次CLSM回填材料用作长白山寒冷地区，因此在配合比选择上主要考虑美国高纬度地区研究机构对CLSM级配的规定。在吉林地区，火山灰材料资源丰富，充分利用火山灰材料的隔温性、活性，因地制宜地将火山灰材料用于填筑抗冻路基。在本试验中，CLSM-CTF1材料由砂、水泥、粉煤灰、速凝剂和水组成，CLSM-CTF2由水泥、碎石、火山灰和水组成。水泥为吉林长春某水泥厂制造的P.C 32.5复合硅酸盐水泥，水为普通自来水，火山渣级配如图1所示。

图1　 火山渣级配曲线Fig.1　Gradation curve of scoria

在确定材料配合比试验中，先不掺加泡沫颗粒，对不同配合比试件分别进行无侧限抗压强度试验、导热系数试验和冻融循环试验，根据试验结果确定出最佳水灰比。然后采用此水灰比，对每个试件中添加不同含量的泡沫颗粒，体积比分别为1%, 2%,3%，然后对这3种配合比分别进行无侧限抗压强度试验、导热系数试验和冻融循环试验，确定出最佳泡沫颗粒添加量。

表1　CLSM-CTF1的配合比(单位：kg)

表2　CLSM-CTF2的配合比(单位：kg)

2试验分析

2.1无侧限抗压强度

无侧限抗压强度试验采用10 cm×20 cm圆柱体试件[10]，每组4个试件，养生温度为(20±1)℃，湿度为95%。在试验时不需要震动密实，只需将新拌的浆体浇置于试验器具中，然后将试件置于标准养生室养护24 h后，待其具有初始强度进行拆模，然后将时间继续养护至目标时间。试验结果如表3和图2所示。

表3　无侧限抗压强度试验结果

图2　不同泡沫颗粒含量下无侧限抗压强度Fig.2　Unconfined compressive strength with different contents of foam particles

图2和表3中可以看出，在不掺加泡沫颗粒情况下，两种材料的强度均随着水灰比的增大先增加后减小，这是由于过多地用水会产生泌水现象，当水分挥发之后，会形成气孔，对试件的强度产生负面的效果。在本次试验中CLSM-CTF1材料的最佳水灰比为1.4左右，此时材料的强度在峰值附近，为0.38 MPa；CLSM-CTF2材料最佳水灰比为3.4，最大强度为0.42 MPa。

在最佳水灰比条件下，对每种材料掺加泡沫颗粒后，随着泡沫颗粒体积比的增大，材料的强度一直减小，改进CLSM材料强度分别减小18.4%，28.9%和34.2%，保温型稳定材料强度分别减少19.0%，23.8%和40.4%。

2.2导热系数

导热系数是用来衡量材料导热特性和保温性能的重要参数，耐热保温材料的性能由材料的导热系数确定。导热系数试验参照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定》(GB/T10294—2008)规范规定[13-14]，采用IMDRY3001-V1导热系数测定仪进行测定。试件标准尺寸300 mm×300 mm×(5～45)mm，平整度按照国家标准为0.01 mm，同种材料的试件做2个,将制作好的试件放入标准养生室内养生7 d。

根据由无侧限抗压强度试验确定的最佳水灰比，分别成型含有不同泡沫颗粒体积标准尺寸试件进行热传导系数测定，试验结果见图3和图4。

图3　CLSM-CTF1导热系数Fig.3　Thermal conductivity of CLSM-CTF1

图4　CLSM-CTF2导热系数Fig.4　Thermal conductivity of CLSM-CTF2

图3和图4表明，CLSM-CTF1和CLSM-CTF2的导热系数随温度的上升而升高，但同一配合比材料导热系数随温度变化波动较小，几乎可以忽略。对于CLSM-CTF1，掺加泡沫颗粒后导热系数明显降低，但随着泡沫颗粒含量的增加，对CLSM材料的保温性能提升有限。对于深层的CLSM-CTF2，由于火山灰材料具有良好的隔热性能，在不掺加泡沫颗粒的条件下导热系数已经很低，随着泡沫颗粒含量的增加，导热系数逐渐降低，保温隔热性能相对提高。在加入泡沫颗粒后，CLSM-CTF1的导热系数维持在0.47 W/(m·K)左右，CLSM-CTF2导热系数总体维持在0.31 W/(m·K)左右。根据文献调查[15]，黏土的导热系数为0.695 2 W/(m·K)，换填材料的导热系数仅为黏土的40%～70%，这说明其具有良好的隔温性能。

2.3抗冻性能

按照无机结合料稳定材料冻融试验方法测定材料的抗冻性能。冻融试件采用10 cm×20 cm圆柱体试件，每组18个试件，其中9个为冻融试件，9个为不冻融对比时间，养生龄期为28 d，冻融循环5次，试验以在-18 ℃低温箱冻16 h，然后在20 ℃水槽中融化8 h作为一次冻融循环，分别测试1次、3次和5次冻融循环后试件的无侧限抗压强度。试验结果如表4所示，残留强度比如图5所示，其中材料1为CLSM-CTF1材料，材料2为CLSM-CTF2材料。

表4　冻融循环试验结果

图5　冻融循环试验Fig.5　Freezing-thawing cycle test

由无侧限抗压强度试验和导热系数试验确定出材料配合比，然后对其进行抗冻融循环验证试验。从图5中可以看出，随着冻融循环次数的增多，材料的无侧限抗压强度逐渐降低。在本次试验中，对于CLSM-CTF1，经过5次冻融循环后，材料的残余强度比为44%，残余强度为0.37 MPa。在经历一次冻融循环和3次冻融循环后，残余强度比仍较高，但经历5次冻融循环后，强度下降较快，主要是由于粉煤灰的掺入细化混合材料内部空隙，提高了其密实性，从而减少了有害孔的相对数量，提高材料抗冻性能，初始时强度残余比较大。但由于材料中含水量较大，材料内部冻水含量逐渐增大，随着冻融循环反复作用，材料强度下降加快。对于CLSM-CTF2，由于火山灰具有良好的抗冻性能，并且在混合材料中含量较大，经过5次冻融循环后，材料的强度残余比67%，残余强度为1.83 MPa，说明其具有良好的抗冻能力。

2.4材料最佳配合比

根据无侧限抗压强度试验、导热系数试验和抗冻融循环试验结果，基于强基、隔热和抗冻融能力好的要求，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岛状冻土地区路基应用效果分析

吉林省长白山地区某边防旅游公路部分路段出现沉陷、融沉等路基病害。通过现场调查，本次试验段选在公路塌陷分布密集的路段，道路断面形式为半填半挖式，沉陷形式是靠山体沿挡土墙排水沟一侧呈圆弧形扩散，沉陷区最长达35 m，宽度为6 m，沉陷区外边缘有纵向开裂，基层底面存在明显的脱空现象。在最不利季节，探坑挖深至路基顶面以下2.8～3.0 m时出现冰晶体，可以判断路基深度3 m以下为多年冻土层。

根据沉陷面积以及经济成本的考虑，对于融沉较短的路段，采用全厚度分层换填方案。在路基顶面以下0～0.5 m采用CLSM-CTF1材料，在0.5 m以下采用CLSM-CTF2材料。对于融沉比较长的路段，若采用深度CLSM材料置换费用较高，故采用在路基内部设置保温隔热板，采用CLSM-CTF1材料作为板上层填料，保护隔热板的整体性。

对埋在不同位置的传感器，分别在施工完成时和施工结束1个月后对埋入指定位置的30根温度传感器共进行了2次电阻值数据采集，将电阻数值转化为对应位置的温度值。

3.1全厚度分层换填处治技术效果评价

图6和图7中1#和2#是分层换填处理的两个平行两个监测断面，3#是未经处理路基的监测断面。对比施工完成时和施工完成1个月后的温度发现，由于外界气温的升高，路基内部的温度整体呈现升高的趋势，但是在处理路段温度升高度数较未经处理路段小很多。在路基顶面以下2.0, 2.5 m和3.0 m 处，处理路段温度平均升高了2.7, 0.6 ℃ 和1.1 ℃，而未经处理路段温度升高了6.8,10.7 ℃和7.5 ℃，温度升高幅度较大，这说明采用这两种换填材料能够有效降低路基内部温度的升高，减少冻土层融化程度。

图6　六月同期温度对比Fig.6　Contrast of temperatures in June

图7　七月同期温度对比Fig.7　Contrast of temperatures in July

3.2XPS板+CLSM-CTF1换填处治技术效果评价

图8和图9中4#和5#为XPS板+CLSM-CTF1处理方法的两个平行监测断面，6#为原状未经处理路基的监测断面。在施工完成时， XPS板的层位处板上温度大于板下温度约2.3 ℃；施工结束后1个月的温度读数，温度曲线沿深度方向线性减小， XPS板的板上温度大于板下温度约7.4 ℃。这说明XPS板+CLSM-CTF1有效地阻止了路表高温对深层冻土热融现象的促进作用。

图8　六月同期温度对比Fig.8　Contrast of temperatures in June

图9　七月同期温度对比Fig.9　Contrast of temperatures in July

根据现场试验结果，目前采用换填CLSM材料和使用XPS板+CLSM维护技术效果良好，与未采用处理措施路段相比，能够较好地降低换填材料下部温度，降低路基发生热融的可能性。由于CLSM材料的自流动、自密实的特性，与传统材料相比，在施工时不需要大型复杂的施工机械，施工方法更为简单，材料更为容易取得，对交通的影响更小。

4结论

(1)根据室内试验结果，两种配合比的CLSM材料掺加泡沫颗粒的最佳体积比均为1%。

(2)掺加泡沫颗粒使材料强度降低，但隔热性能和抗冻能力明显增强，导热系数仅为黏土的40%～70%，能够用于岛状冻土路基热融维护。

(3)根据现场试验表明，对沉陷范围不大的区域采用全厚度分层换填维护技术，对融沉面积较大、纵向破坏较长区域采用XPS板+CLSM维护技术，换填层以下温度明显降低，能有效地阻止路表高温对深层冻土热融现象的促进作用。

(4)两种保温材料均具有自流动自密实特性，保障了换填路基的隔热、强基、抗冻融效果，硬化时间短，减少施工机械的费用，达到快速处理的效果，为解决岛状冻土提出了新思路。

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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

基金项目:交通运输部西部交通建设科技项目(2011318801670)

作者简介：陈东丰(1962-)，男，吉林前郭人，研究员.(dfchen1962@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.007

中图分类号：U416.1+6

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)06-0040-06