戴文革

（中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300）

1 引言

以膠凝材料為主，可添加其他種類材料以及外加劑，加水?dāng)嚢栊纬苫旌蠞{體，用發(fā)泡機(jī)制備泡沫，使其與混合漿體攪拌均勻，將其澆筑成型，在自然養(yǎng)護(hù)條件下形成的一種封閉多孔的混凝土，稱為泡沫混凝土，其多孔性有利于路基保溫。摻加粉煤灰等材料的泡沫混凝土具有水泥用量低，保溫效果好，成本低，易澆筑等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于工程、環(huán)保、工業(yè)等領(lǐng)域［1］。

黃俊杰等通過大比例模型試驗研究了密度500～800 kg／m3的輕質(zhì)泡沫混凝土作為無砟軌道的鐵路路基填料，試驗研究表明密度不小于650 kg／m3的輕質(zhì)泡沫混凝土可用作路基底層填料［2］；張曉剛研究了摻加Ⅱ級粉煤灰預(yù)拌漿體的泡沫混凝土生產(chǎn)工藝，通過控制溫度及外加劑摻量，并結(jié)合具體的工程應(yīng)用，證明預(yù)拌泡沫混凝土生產(chǎn)施工工藝是可行的［3］。

EPS板具有吸水率低，保溫性好等特性，與路基填料共同組成多年凍土的保溫層，是一種良好的道路工程保溫隔熱材料［4］；趙麗萍根據(jù)現(xiàn)場試驗得出XPS板的保溫、防水隔滲性要優(yōu)于EPS板，且得出保溫板在路基中的最佳埋設(shè)位置［5］；胡驗君等對比分析了目前建筑外墻常用的保溫材料，包括有機(jī)類的 EPS、XPS、PU、PF和無機(jī)類的巖棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等，最后得出無機(jī)保溫材料將會成為未來建筑保溫材料的首選［6］；王洪鎮(zhèn)提出以輕集料微孔混凝土為外部基體，與EPS保溫芯層采用特殊澆筑工藝制成斷熱節(jié)能復(fù)合砌塊，具有良好的熱工性能，并已推廣應(yīng)用［7］；徐月龍等對常用的復(fù)合砌塊夾心保溫材料的研究狀況和基本性能進(jìn)行了總結(jié)，得出夾心砌塊對熱工性能具有改善作用［8］。

復(fù)合聚苯乙烯保溫塊的泡沫混凝土在建筑外墻保溫領(lǐng)域應(yīng)用研究較廣泛，關(guān)于其在凍土區(qū)高速鐵路路基保溫領(lǐng)域的研究很少，路基的凍融病害一直困擾著高鐵路基變形控制。通過廣泛調(diào)研和比選，擬采用泡沫混凝土板，內(nèi)嵌聚苯乙烯塊，工廠化預(yù)制成可拼裝的保溫板，鋪設(shè)在路基表面，以保證嚴(yán)寒地區(qū)高鐵路基的變形控制。

2 試驗

2.1 試驗材料

水泥：采用強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的性能指標(biāo)

粉煤灰：采用經(jīng)過電廠回收加工處理后的Ⅰ級活性粉煤灰，具體性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)

聚苯乙烯塊：采用成型的聚苯乙烯塊，根據(jù)具體的尺寸切割使用。

發(fā)泡劑：采用表面活性高分子發(fā)泡劑。

2.2 試驗步驟

（1）按照干密度為 1 200 kg／m3，根據(jù)泡沫混凝土配合比設(shè)計體系［9-10］，計算出實驗所需的水泥、粉煤灰以及發(fā)泡劑的摻量，并在試驗之前按計算量稱量出各材料放置實驗室。

（2）將發(fā)泡劑按照規(guī)定稀釋比稀釋后倒入發(fā)泡機(jī)內(nèi)，啟動沖壓機(jī)進(jìn)行加壓，到達(dá)合適的壓力后停止加壓，靜止5 min后，將制成的泡沫排到提前準(zhǔn)備好的容器內(nèi)以備使用。

（3）將準(zhǔn)備好的水泥、粉煤灰等摻合料放置攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干拌，攪拌均勻后，加入按設(shè)計體系計算好的水，繼續(xù)攪拌至漿液均勻。

（4）漿液攪拌均勻后加入按設(shè)計計算出的質(zhì)量一定的泡沫，待泡沫均勻分布到混合漿液中停止攪拌，將混合漿料澆筑到混凝土模具中［11］。

（5）靜止12 h，用木板刮去模具上方多余的泡沫混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3 試驗結(jié)果

3.1 泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖1表示隨著粉煤灰含量變化，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度變化情況。

圖1 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與粉煤灰含量的關(guān)系曲線

由圖1可知，在養(yǎng)護(hù)3 d、7 d時的抗壓強(qiáng)度值隨著粉煤灰含量變化趨于穩(wěn)定，主要在于泡沫混凝土中的水泥與粉煤灰還沒有充分水化凝結(jié)，在養(yǎng)護(hù)28 d時的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的含量變化較大，且在含量為30%時達(dá)到了最大值14.10 MPa，原因是齡期28 d時，泡沫混凝土中的水泥已經(jīng)水化完全。水泥是主要膠凝材料，是抗壓強(qiáng)度的主要影響因素，當(dāng)少量粉煤灰與其相互作用時可以提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)大量摻加粉煤灰時，將會影響水泥的凝結(jié)固化作用，進(jìn)而導(dǎo)致泡沫混凝土的強(qiáng)度降低。

3.2 泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度

圖2表示隨著粉煤灰含量變化，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d抗折強(qiáng)度變化情況。

圖2 泡沫混凝土抗折強(qiáng)度與粉煤灰含量的關(guān)系曲線

隨著粉煤灰含量的增加，各養(yǎng)護(hù)齡期的抗折強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢，養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度在粉煤灰含量為20%時達(dá)到了最大值4.8 MPa。由于粉煤灰是微集料，適量的粉煤灰能對泡沫混凝土內(nèi)部空隙起到填充密實作用［12］，有利于提升泡沫混凝土抗折強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰的含量超過20%時，大量的粉煤灰不能凝結(jié)固化完全，進(jìn)而會降低泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度。

3.3 泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)

圖3為泡沫混凝土的養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d導(dǎo)熱系數(shù)隨著粉煤灰的含量變化情況。

圖3 泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與粉煤灰含量的關(guān)系曲線

由圖可知，泡沫混凝土在養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d時的導(dǎo)熱系數(shù)值受粉煤灰含量的影響較小，在同一養(yǎng)護(hù)齡期，導(dǎo)熱系數(shù)曲線值趨于平穩(wěn)，在粉煤灰含量為60%時達(dá)到最小值0.210 3 W／（m·K）。在粉煤灰含量為50%時達(dá)到最大值0.247 2W／（m·K）。主要原因是水泥和粉煤灰的表觀密度相近，且都是超細(xì)粒徑的微集料，細(xì)微顆粒不影響氣泡的形成和分布，因此隨著粉煤灰含量的變化對導(dǎo)熱系數(shù)值影響較小。

4 復(fù)合泡沫混凝土板結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4為泡沫混凝土復(fù)合聚苯乙烯保溫塊示意圖，此保溫板以性能最優(yōu)的粉煤灰泡沫混凝土為基體，前后側(cè)面的矩形結(jié)構(gòu)為聚苯乙烯保溫塊，聚苯乙烯具有優(yōu)良的保溫隔熱性能，插裝在泡沫混凝土基體中，可提高整體的保溫性能；左右側(cè)面各設(shè)有相互咬合的凹凸插接部，可以使復(fù)合保溫板拼裝密實，增強(qiáng)其整體性；可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，工廠化生產(chǎn)，裝配式施工；現(xiàn)場施工方便靈活，整體保溫性能較佳。

圖4 復(fù)合保溫板結(jié)構(gòu)示意

采用復(fù)合保溫型的可拼裝強(qiáng)化層，代替滿鋪的瀝青混凝土強(qiáng)化層［13］及 XPS路基保溫板［14］，既可以減少乃至消除路基面凍脹融沉病害，又具備施工方便、構(gòu)造靈活、易于維修更換等特點(diǎn)，是一種值得研發(fā)的新技術(shù)。

5 結(jié)論

（1）泡沫混凝土中粉煤灰含量為30%時，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值14.10 MPa；28 d抗折強(qiáng)度值4.3 MPa；28 d導(dǎo)熱系數(shù)值 0.243 8 W／（m·K）。該配比的導(dǎo)熱系數(shù)較小，強(qiáng)度較高。因此，綜合考慮采用粉煤灰含量30%的泡沫混凝土制作強(qiáng)化層保溫板，并內(nèi)嵌XPS塊，降低導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）復(fù)合泡沫混凝土保溫板具有保溫隔熱性能好，抗壓強(qiáng)度高，便于運(yùn)輸拼裝，易于更換維修等特點(diǎn)，在寒區(qū)高鐵路基工程中具有廣泛的應(yīng)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］ 龔曉南，劉松玉.地基處理理論與技術(shù)進(jìn)展［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2008：185-187.

［7］ 李磊.污泥固化處理技術(shù)及重金屬污染控制研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006：5-19.

［8］ 朱春鵬，劉漢龍.污染土的工程性質(zhì)研究進(jìn)展［J］.巖土力學(xué)，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，曹智國，張濤，等.碳化對水泥固化鉛污染土的電阻率特性影響規(guī)律［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014（12）：2563-2572.