复合泡沫混凝土用作寒区高铁路基保温研究

戴文革

（中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

1 引言

以胶凝材料为主，可添加其他种类材料以及外加剂，加水搅拌形成混合浆体，用发泡机制备泡沫，使其与混合浆体搅拌均匀，将其浇筑成型，在自然养护条件下形成的一种封闭多孔的混凝土，称为泡沫混凝土，其多孔性有利于路基保温。掺加粉煤灰等材料的泡沫混凝土具有水泥用量低，保温效果好，成本低，易浇筑等优良性能，广泛应用于工程、环保、工业等领域［1］。

黄俊杰等通过大比例模型试验研究了密度500～800 kg／m3的轻质泡沫混凝土作为无砟轨道的铁路路基填料，试验研究表明密度不小于650 kg／m3的轻质泡沫混凝土可用作路基底层填料［2］；张晓刚研究了掺加Ⅱ级粉煤灰预拌浆体的泡沫混凝土生产工艺，通过控制温度及外加剂掺量，并结合具体的工程应用，证明预拌泡沫混凝土生产施工工艺是可行的［3］。

EPS板具有吸水率低，保温性好等特性，与路基填料共同组成多年冻土的保温层，是一种良好的道路工程保温隔热材料［4］；赵丽萍根据现场试验得出XPS板的保温、防水隔渗性要优于EPS板，且得出保温板在路基中的最佳埋设位置［5］；胡验君等对比分析了目前建筑外墙常用的保温材料，包括有机类的 EPS、XPS、PU、PF和无机类的岩棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等，最后得出无机保温材料将会成为未来建筑保温材料的首选［6］；王洪镇提出以轻集料微孔混凝土为外部基体，与EPS保温芯层采用特殊浇筑工艺制成断热节能复合砌块，具有良好的热工性能，并已推广应用［7］；徐月龙等对常用的复合砌块夹心保温材料的研究状况和基本性能进行了总结，得出夹心砌块对热工性能具有改善作用［8］。

复合聚苯乙烯保温块的泡沫混凝土在建筑外墙保温领域应用研究较广泛，关于其在冻土区高速铁路路基保温领域的研究很少，路基的冻融病害一直困扰着高铁路基变形控制。通过广泛调研和比选，拟采用泡沫混凝土板，内嵌聚苯乙烯块，工厂化预制成可拼装的保温板，铺设在路基表面，以保证严寒地区高铁路基的变形控制。

2 试验

2.1 试验材料

水泥：采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，具体性能指标见表1。

表1 水泥的性能指标

粉煤灰：采用经过电厂回收加工处理后的Ⅰ级活性粉煤灰，具体性能指标见表2。

表2 粉煤灰的性能指标

聚苯乙烯块：采用成型的聚苯乙烯块，根据具体的尺寸切割使用。

发泡剂：采用表面活性高分子发泡剂。

2.2 试验步骤

（1）按照干密度为 1 200 kg／m3，根据泡沫混凝土配合比设计体系［9-10］，计算出实验所需的水泥、粉煤灰以及发泡剂的掺量，并在试验之前按计算量称量出各材料放置实验室。

（2）将发泡剂按照规定稀释比稀释后倒入发泡机内，启动冲压机进行加压，到达合适的压力后停止加压，静止5 min后，将制成的泡沫排到提前准备好的容器内以备使用。

（3）将准备好的水泥、粉煤灰等掺合料放置搅拌机内进行干拌，搅拌均匀后，加入按设计体系计算好的水，继续搅拌至浆液均匀。

（4）浆液搅拌均匀后加入按设计计算出的质量一定的泡沫，待泡沫均匀分布到混合浆液中停止搅拌，将混合浆料浇筑到混凝土模具中［11］。

（5）静止12 h，用木板刮去模具上方多余的泡沫混凝土，在标准养护条件下进行养护。

3 试验结果

3.1 泡沫混凝土的抗压强度

图1表示随着粉煤灰含量变化，泡沫混凝土养护3 d、7 d、28 d抗压强度变化情况。

图1 泡沫混凝土抗压强度与粉煤灰含量的关系曲线

由图1可知，在养护3 d、7 d时的抗压强度值随着粉煤灰含量变化趋于稳定，主要在于泡沫混凝土中的水泥与粉煤灰还没有充分水化凝结，在养护28 d时的抗压强度随着粉煤灰的含量变化较大，且在含量为30%时达到了最大值14.10 MPa，原因是龄期28 d时，泡沫混凝土中的水泥已经水化完全。水泥是主要胶凝材料，是抗压强度的主要影响因素，当少量粉煤灰与其相互作用时可以提高泡沫混凝土的抗压强度，当大量掺加粉煤灰时，将会影响水泥的凝结固化作用，进而导致泡沫混凝土的强度降低。

3.2 泡沫混凝土的抗折强度

图2表示随着粉煤灰含量变化，泡沫混凝土养护3 d、7 d、28 d抗折强度变化情况。

图2 泡沫混凝土抗折强度与粉煤灰含量的关系曲线

随着粉煤灰含量的增加，各养护龄期的抗折强度呈逐渐降低趋势，养护28 d的抗折强度在粉煤灰含量为20%时达到了最大值4.8 MPa。由于粉煤灰是微集料，适量的粉煤灰能对泡沫混凝土内部空隙起到填充密实作用［12］，有利于提升泡沫混凝土抗折强度，当粉煤灰的含量超过20%时，大量的粉煤灰不能凝结固化完全，进而会降低泡沫混凝土的抗折强度。

3.3 泡沫混凝土的导热系数

图3为泡沫混凝土的养护3 d、7 d和28 d导热系数随着粉煤灰的含量变化情况。

图3 泡沫混凝土导热系数与粉煤灰含量的关系曲线

由图可知，泡沫混凝土在养护3 d、7 d和28 d时的导热系数值受粉煤灰含量的影响较小，在同一养护龄期，导热系数曲线值趋于平稳，在粉煤灰含量为60%时达到最小值0.210 3 W／（m·K）。在粉煤灰含量为50%时达到最大值0.247 2W／（m·K）。主要原因是水泥和粉煤灰的表观密度相近，且都是超细粒径的微集料，细微颗粒不影响气泡的形成和分布，因此随着粉煤灰含量的变化对导热系数值影响较小。

4 复合泡沫混凝土板结构设计

图4为泡沫混凝土复合聚苯乙烯保温块示意图，此保温板以性能最优的粉煤灰泡沫混凝土为基体，前后侧面的矩形结构为聚苯乙烯保温块，聚苯乙烯具有优良的保温隔热性能，插装在泡沫混凝土基体中，可提高整体的保温性能；左右侧面各设有相互咬合的凹凸插接部，可以使复合保温板拼装密实，增强其整体性；可实现标准化设计，工厂化生产，装配式施工；现场施工方便灵活，整体保温性能较佳。

图4 复合保温板结构示意

采用复合保温型的可拼装强化层，代替满铺的沥青混凝土强化层［13］及 XPS路基保温板［14］，既可以减少乃至消除路基面冻胀融沉病害，又具备施工方便、构造灵活、易于维修更换等特点，是一种值得研发的新技术。

5 结论

（1）泡沫混凝土中粉煤灰含量为30%时，28 d抗压强度达到最大值14.10 MPa；28 d抗折强度值4.3 MPa；28 d导热系数值 0.243 8 W／（m·K）。该配比的导热系数较小，强度较高。因此，综合考虑采用粉煤灰含量30%的泡沫混凝土制作强化层保温板，并内嵌XPS块，降低导热系数。

（2）复合泡沫混凝土保温板具有保温隔热性能好，抗压强度高，便于运输拼装，易于更换维修等特点，在寒区高铁路基工程中具有广泛的应用前景。cy，2002.

［5］ CCME.A Protocol for the Derivation of Environmental and Human Health Soil Quality Guidelines［R］.Winnipwg：Canadian Council of Ministers of Environment，2006.

［6］ 龚晓南，刘松玉.地基处理理论与技术进展［M］.南京：东南大学出版社，2008：185-187.

［7］ 李磊.污泥固化处理技术及重金属污染控制研究［D］.南京：河海大学，2006：5-19.

［8］ 朱春鹏，刘汉龙.污染土的工程性质研究进展［J］.岩土力学，2007（3）：625-630.

［9］ YIN C-Y，SHAABAN GM，MAHMUD B H.Chemical stabilization of scrap metal yard contaminated soil using ordinary Portland cement：Strength and leachability aspects［J］.Building and Environment，2007（42）：794-802.

［10］YOUSUFM，MOLLAH A，HESSR T，et al.An FTIR and XPS investigations of the effects of carbonation on the solidification／stabilization of cement based systems-Portland type V with zinc［J］.Cement＆ Concrete Research，1993，23（4）：773-784.

［11］MOLLAH Y A M，TSAI Y，HESS R T，et al.An FTIR，SEM and EDS investigation of solidification／stabilization of chromium using portland cement Type V and Type IP［J］.Journal of Hazardous Materials，1992，30（3）：273-283.

［12］章定文，曹智国，张涛，等.碳化对水泥固化铅污染土的电阻率特性影响规律［J］.岩石力学与工程学报，2014（12）：2563-2572.