高速铁路泡沫轻质混凝土路基材料性能研究

李苏宁

（中铁十九局集团第一工程有限公司， 辽宁 辽阳 111000）

随着交通事业发展， 我国铁路事业发展迅速， 其中高速铁路因具有快速、舒适、安全、环保等性能而被广泛认可。 在高速铁路速度提高的同时， 要求高速铁路列车运行线路具有更高舒适性及敏感性。 高速铁路路基在车辆多次反复运营后， 受到高频率荷载及自然因素营力，导致路基结构发生压缩、蠕变等变形。 高速铁路路基沉降已成为目前世界各国学者和施工技术人员所面对的重大技术问题， 为解决此类问题， 学者们在路基新材料和路基新结构方面进行深入研究［1，2］。

泡沫轻质混凝土是一种具有自重轻、流动性好等优点的新型材料， 在高速铁路路基建设中可起到机械发泡作用强化路基。 在高速铁路路基施工中可采用泡沫轻质混凝土浇筑路基， 可利用其良好的整体性和渗透系数减少路基病害［3］。 故本文将从该材料性能进行研究， 为我国高速铁路建设提供建议指导。

1 工程实践

1.1 工程概况

依托鲁南高速铁路临沂至曲阜段施工项目，路基工程总长3.443km （占线路比13.4%）； 选取路段为路线起DK182+683.88-DK184+008.375段， 双线铁路， 路基顶面宽13m， 设计车速350km/h。 正线路基： 基床厚度为2.7m， 其中基床表层采用级配碎石填筑厚度0.4m， 基床底层2.3m， 由于当地气温全年较低， 冬季可达-10℃以下， 故在满足 《铁路路基设计规范》（Q/CR9127-2018） 施工要求的情况下进行基施工。

1.2 原材料技术指标

（1） 纤维

本文选用纤维为耐碱玻璃纤维， 其技术指标如表1 所示。

表1 纤维技术指标

（2） 发泡剂

本文对所选发泡剂技术指标进行检测， 其物理指标性能如表2 所示。

外观 PH 值 密度（kg/L）游离甲醛（g/Kg）发泡倍数挥发性有机物（g/L）浅白色透明液体 7.1 1.12 0.4 ≥50 15

（3） 水泥

本文采用普通硅酸盐水泥， 强度等级为32.5。 对其物理性质进行试验， 结果如表3 所示。

表3 水泥技术指标

2 泡沫轻质混凝土材料流动性研究

在工程实践过程中， 当未确定好最佳水胶比及最优浇筑高度时， 会导致泡沫轻质混凝土浇筑不稳定。 影响泡沫轻质混凝土流动性因素主要有水胶比、浇筑密度及纤维掺量， 故本文将从水胶比、浇筑密度及纤维掺量三个方面进行研究。 采用500Kg/m3， 水 用 量 为245.6kg， 水 泥 用 量 为416kg， 泡沫用量为682L， 纤维掺量为1.652Kg。

2.1 水胶比对泡沫轻质混凝土流值影响

本文根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规范》 设计长、高及壁厚为80mm*80mm*2mm 塑料圆筒， 其中试件的水胶比分别为0.4、0.5、0.6、0.7。 采用流值作为泡沫轻质混凝土流动性的评价指标， 对各试件进行3 次平行流值试验，试验结果见表4 及图1 所示。

表4 水胶比对浆体流值影响试验数据表

图1 水胶比对浆体流值影响试验曲线图

由表4 可知， 当水胶比为0.4 时泡沫轻质混凝三次流值试验平均值为98.2mm； 当水胶比为0.5 时泡沫轻质混凝土三次流值试验平均值为110.3mm； 当水胶比为0.6 时泡沫轻质混凝土三次流值试验平均值为162.5mm； 当水胶比为0.7时泡沫轻质混凝土三次流值试验平均值为201.6mm； 水胶比从0.4 增加至0.7 时， 泡沫轻质混凝土流值从98.2mm 增加到201.6mm， 增长比为105.3%。 由图1 可知， 随着水胶比增大其稠度逐渐降低， 水胶比在0.4～0.5 时， 浆体流值增加趋势低于0.5～0.7 泡沫轻质混凝土， 这是因为在泡沫刚加入时， 使得基质浆体稠度增加， 而随着水胶比增大， 使得泡沫破裂现象降低直到消失， 从而提高泡沫轻质混凝土流值。

2.2 浇筑密度对泡沫轻质混凝土流值影响

本文根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规范》 设计长、高及壁厚为80mm*80mm*2mm 塑料圆筒， 其中试件的浇筑密度分别为400kg/m3、600kg/m3、800kg/m3、1000kg/m3。 采用流值作为泡沫轻质混凝土流动性的评价指标［4］， 对各试件进行3 次平行流值试验， 试验结果见表5 及图2所示。

图2 浇筑密度对浆体流值影响试验曲线图

表5 浇筑密度对浆体流值影响试验数据表

由表5 可知， 当浇筑密度为400kg/mm3时，泡沫轻质沥青混凝土三次平行流值试验流值平均值为103.1mm； 当浇筑密度为600kg/mm3时， 泡沫轻质沥青混凝土三次平行流值试验流值平均值为141.0mm； 当浇筑密度为800kg/mm3时， 泡沫轻质沥青混凝土三次平行流值试验流值平均值为170.7mm； 当浇筑密度为1000kg/mm3时， 泡沫轻质沥青混凝土三次平行流值试验流值平均值为216.2mm； 浇筑密度由400kg/m3增加至1000kg/m3时， 泡沫轻质混凝土流值增比为109.7%。 由图2 可知， 随着浇筑密度增加， 浆体流值逐渐变大， 稠度逐渐降低， 这是因为泡沫掺量随着浇筑密度增加而降低， 使得浆体自重降低、粘度降低， 使得浆体稠度降低， 流值增大。

2.3 纤维掺量对浇筑密度对泡沫轻质混凝土流值影响

根据 《气泡混合轻质土填筑工程技术规范》设计长、高及壁厚为80mm*80mm*2mm 塑料圆筒， 其中试件的纤维长度为6mm 纤维掺量分别为0、0.2%、0.4%、0.6%。 采用流值作为泡沫轻质混凝土流动性的评价指标， 对各试件进行3 次平行流值试验， 试验结果见表6 图3 示。

表6 纤维掺量对流值影响试验数据表

图3 纤维掺量对流值影响试验曲线图

由表6 可知， 当纤维掺量为0%时， 泡沫轻质混凝土三次平行流值试验流值平均值为324.4mm；当纤维掺量为2 时， 泡沫轻质混凝土三次平行流值试验流值平均值为310.8； 当纤维掺量为4 时，泡沫轻质混凝土三次平行流值试验流值平均值为288.8； 当纤维掺量为6 时， 泡沫轻质混凝土三次平行流值试验流值平均值为272.3。 纤维掺量从0增加到0.6%， 浆体流值从324.4mm 降至272.3mm，降比为16.2%。 由图3 可知， 随着纤维掺量增加浆体流值逐渐降低。 这是因为纤维的掺入会增加浆体的内摩擦力从而增加稠度， 降低其流值。

3 泡沫轻质混凝土材料稳定度研究

在高速铁路泡沫轻质混凝土路基施工中， 要保证路基施工材料的稳定性， 本文为了研究如何防止泡沫轻质混凝土在施工时出现分层、离析等现象， 研究浇筑密度及纤维掺量对稳定性能影响。

3.1 浇筑密度对稳定度影响

本文对统一高度、不同密度的泡沫轻质混凝土式样进行一次搅拌、浇筑， 模具为30cm 的圆形塑料管， 试件浇筑密度分别为600kg/m3、800kg/m3、100kg/m3测定其沉降距， 试验结果见表7 所示。

表7 不同浇筑密度试验结果

由表7 可知， 当浇筑密度为600kg/m3时， 钻孔上中下密度分别为261.2kg/m3、287.3kg/m3、307.5kg/m3， 沉降距为21.7mm； 当浇筑密度为800kg/m3时， 钻孔上中下密度分别为487.1kg/m3、507.3kg/m3、537.1kg/m3， 沉 降 距 为9.5mm；当浇筑密度为1000kg/m3时， 钻孔上中下密度分别为617.3kg/m3、653.7kg/m3、937.2kg/m3， 沉降距为12.8mm。 由此可以得出随着浇筑密度增加，泡沫轻质混凝土沉降距先增加后降低， 说明浇筑密度不应过大或过小， 否则会引起较大的沉降差距， 故在施工时， 建议浇筑密度为800kg/m3。

3.2 纤维掺量对稳定度影响

本文为研究不同掺量纤维对泡沫轻质混凝土稳定度影响， 在保证水胶比为0.5、浇筑密度为800kg/m3、浇筑密度为1m、纤维长度为6mm 情况下， 试件纤维掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%， 并对试件进行沉降实验， 其实验结果见表8 所示。

表8 不同纤维掺量的泡沫轻质混凝土钻孔密度与沉降结果

由表6 可知， 当纤维掺量为0.1%时， 沉降距为0.3mm； 当纤维掺量为0.2%时， 沉降距为0.4mm； 当纤维掺量为0.3%时， 沉降距为0.3mm；当纤维掺量为0.4%时， 沉降距为0.5mm； 当纤维掺量为0.5%时， 沉降距为0.4mm； 由此可知，随着纤维掺量增加， 试件沉降距为减小趋势， 可显著减少泡沫轻质混凝土沉降距， 提高其稳定性。

4 结语

随着国家经济快速发展， “交通强国” 战略的实施， 绿色、快速已成为我国交通建设的发展趋势。 本文从路基新材料进行研究， 以泡沫轻质混凝土为新材料， 研究其物理性质， 从流值及稳定度研究， 为我国高速铁路建设提供建议指导。泡沫轻质沥青混凝土作为一种新型路基结构， 尚处于初步阶段， 后续研究者可在本文基础上， 研究其在冻土地区及一些特殊地区的使用。