張麗

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300240）

0 引言

隨著我國高速鐵路路網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，新線接入既有高速鐵路正線的路基幫寬工程逐漸增多，線路沉降和變形控制難度也隨之增大。常規(guī)填土施工技術(shù)很難使路基荷載大幅提高，甚至?xí)β坊┘觽?cè)向壓力和豎向荷載，引發(fā)鐵路路段差異沉降。泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)性、多孔性、自密實性等特性，通過將現(xiàn)場制備好的泡沫輕質(zhì)土澆筑進高速鐵路路基結(jié)構(gòu)中作為部分或全部路基填料使用，能有效滿足高速鐵路路基受力特征及耐久性指標(biāo)，較好地解決高速鐵路路基幫寬工程及過渡段、陡坡段、軟土路基段沉降變形等問題。

1 泡沫輕質(zhì)土強度形成機理

泡沫輕質(zhì)土材料是通過物理技術(shù)將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫形式，與水泥基膠凝材料、可選組分集料、外加劑、摻合料等按照設(shè)計配合比混合，再經(jīng)物化反應(yīng)后所形成的硬化性輕質(zhì)材料[1]，可以作為路基材料使用。泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)強度的形成主要經(jīng)過初始階段、反應(yīng)階段和硬化階段三個過程。

（1）初始階段：將由膠凝材料和泡沫混合制成的泡沫輕質(zhì)土泵送至待施工區(qū)域，通過嚴(yán)格控制泡沫機械強度維持時間以使其保持動力學(xué)穩(wěn)定性，這一階段泡沫輕質(zhì)土流值保持在160～190mm，流動性較好，且不具備抗壓強度。活性劑分子排列于泡沫輕質(zhì)土液膜外表面，膠凝材料的一部分被液膜外表面吸附后形成包裹層，另一部分則散布于氣泡間隙漿液內(nèi)。這一階段在重力排液、表面張力排液及泡內(nèi)氣體擴散排液三重作用疊加下，氣泡上部及相鄰氣泡結(jié)合處液膜不斷變薄。主要通過增強泡沫穩(wěn)定性、控制泡沫泌水率，確保氣泡泡徑均勻，以維持泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）反應(yīng)階段：澆筑過程結(jié)束后，泡沫輕質(zhì)土因持續(xù)受到水泥水化作用而喪失流動性，從第一階段的氣體-液體-固體三相狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w-固體兩相狀態(tài)，抗壓強度逐漸形成。泡沫輕質(zhì)土穩(wěn)定體系開始從早期的液膜支撐轉(zhuǎn)變?yōu)樗z材料骨架支撐，漿體不斷發(fā)生水化反應(yīng)并生成水化熱，將多余水分逐漸排出結(jié)構(gòu)體系之外，大部分熱量持續(xù)被帶走。

（3）硬化階段：待泡沫輕質(zhì)土抗壓強度升高至0.7MPa 后則進行下一層泡沫輕質(zhì)土澆筑施工，這一過程中其氣體-固體兩相狀態(tài)逐漸穩(wěn)定，水化反應(yīng)減緩，空隙結(jié)構(gòu)形成，抗壓強度逐步增大。為防止損傷泡沫輕質(zhì)土孔隙結(jié)構(gòu)，必須避免大型機械碾壓振動施工，同時加強泡沫輕質(zhì)土防水封閉處理。

2 高速鐵路泡沫輕質(zhì)土路基幫寬施工

2.1 工程概況

某鐵路客運專線正線長341km，設(shè)計行車速度250km/h，專線某車站路基填筑及預(yù)壓結(jié)束后，進行了CRTSⅢ型板式無砟軌道施工，因接觸網(wǎng)維修工區(qū)變更致使起訖樁號DK465+100—DK465+275 段路基必須拓寬3.5～7.4m。考慮到該客運專線正線填筑施工已于2020 年5 月完成，預(yù)壓6 個月后于同年11 月完成卸載，路基沉降已經(jīng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)且評估合格，為避免新舊路基拼接處產(chǎn)生裂縫，防止新路基填筑施工附加應(yīng)力引起正線路基沉降，該車站路基幫寬決定采用泡沫輕質(zhì)土材料，充分利用其性能優(yōu)勢控制幫寬路基荷載對高速鐵路路基沉降的不利影響。

2.2 泡沫輕質(zhì)土技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》（CECS 249—2008）及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，采用室內(nèi)試驗的方式進行泡沫輕質(zhì)土配合比及發(fā)泡劑和水泥兼容效果的確定。

2.2.1 原材料及試驗過程

在進行泡沫輕質(zhì)土配合比試驗時，主要采用PO42.5 水泥及SRTJ-A 型發(fā)泡劑，將發(fā)泡劑稀釋倍率控制在100 以上，標(biāo)準(zhǔn)泡沫密度保持在40～60kg/m3范圍內(nèi)，沉降率不超出3%。試驗過程中，按照100 倍的稀釋倍率將發(fā)泡劑制備成發(fā)泡液并發(fā)出泡沫，經(jīng)過1L 量筒標(biāo)定后將泡沫密度控制在40～60g/L 范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及適配容積稱取水泥和水，并攪拌均勻，摻入泡沫后再次攪拌以形成泡沫輕質(zhì)土。按照600～700kg/m3和700～800kg/m3兩種濕密度制備D600 和D700兩種試件。根據(jù)規(guī)范要求測試兩種試件的濕密度和流值，此后人工攪拌輕質(zhì)土展開消泡試驗，并在攪拌過程中按照1min 的時間間隔稱量，總共記錄6 次后結(jié)束試驗，選取所得到的最大消泡率。在長寬高均為100mm 的三聯(lián)試模中均勻涂刷一層油進行成型試驗，24h 后拆模，每種配合比各成型三組試件，按要求養(yǎng)護7d 后抗壓強度至少達到設(shè)計強度的0.5 倍，28d 抗壓強度則必須達到設(shè)計值。

2.2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗，D600 和D700 兩種試件發(fā)泡率分別為72.8%和66.7%，攪拌6min 后試件濕密度達到穩(wěn)定狀態(tài)，消泡率最大值分別為1.16%和1.43%，符合不大于10%的設(shè)計要求，試驗結(jié)果具體見表1。根據(jù)設(shè)計要求，泡沫輕質(zhì)土養(yǎng)護后7d 抗壓強度至少達到設(shè)計強度的0.5 倍，28d 抗壓強度必須達到設(shè)計值，試驗結(jié)果顯示，D600 試件7d 和28d 抗壓強度分別為0.60MPa 和0.94MPa，D700 試件7d 和28d 抗壓強度分別為0.98MPa和1.64MPa，均符合設(shè)計要求。故以試驗配合比為施工配合比，具體見表2。

表1 泡沫輕質(zhì)土濕密度及消泡試驗結(jié)果

表2 泡沫輕質(zhì)土施工配合比

2.3 路基幫寬施工

（1）泡沫輕質(zhì)土制作。根據(jù)配合比試驗結(jié)果及生產(chǎn)工藝配置發(fā)泡漿體，并按照泡沫混凝土型號在攪拌機內(nèi)加入定量水，投入稱量好的水泥，連續(xù)攪拌至少2min，拌制水泥漿。將預(yù)發(fā)泡沫劑倒入拌制好的水泥漿體中持續(xù)攪拌6min，待水泥泡沫漿料完全均值化后進行泵送澆筑。制備好的水泥泡沫漿料必須在4h 內(nèi)用完。

（2）泡沫輕質(zhì)土填筑。按照20m的長度劃分澆筑區(qū)段，一次澆筑區(qū)域面積則控制在200～300m2，采用厚度1.8cm 的木夾板充當(dāng)相鄰澆筑區(qū)臨時分縫支擋，木夾板應(yīng)貫穿泡沫輕質(zhì)土路基后與基面保持垂直。單層澆筑厚度根據(jù)開挖臺階高度控制在0.6m，頂部澆筑層澆筑厚度單獨按照0.8m 確定，單個澆筑層澆筑過程應(yīng)連續(xù)進行，并在2h 內(nèi)完成。澆筑次序應(yīng)沿分區(qū)長軸方向從一端向另一端進行，也可采用對角澆筑。澆筑結(jié)束24h 后按照澆筑次序分段拆模，避免損壞泡沫輕質(zhì)土，同時對外露泡沫輕質(zhì)土路基實施至少7d的保濕養(yǎng)護。

2.4 沉降變形控制

高速鐵路路基工后沉降、差異沉降及線路偏移方面的要求均為毫米級[2]，路基幫寬施工既要嚴(yán)格符合相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求，又要采取有效措施避免路基發(fā)生偏移和沉降，為此，本工程從路基結(jié)構(gòu)及濕密度兩個方面著手加強沉降變形控制。

鐵路路基軌道為軌道鋪設(shè)、軌道及列車荷載承受、列車安全運行等提供必要條件，泡沫輕質(zhì)土路基幫寬施工過程中臺階式開挖鐵路邊坡后必須鋪設(shè)復(fù)合土工膜，并將熱塑浸鋼管埋設(shè)于輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)中，輕質(zhì)土頂面再加鋪高分子瀝青防水卷材，形成上堵下排+四周防護的整體輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)，有效防止泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)受到水的破壞而引發(fā)路基沉降變形。

高速鐵路泡沫輕質(zhì)土路基還承受著動靜荷載作用，其中路基上部軌道結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)筑物對路基施加靜荷載，而列車通行向軌道和路基施加循環(huán)動荷載。動荷載隨著列車運行速度的增大而增大，故高速鐵路泡沫輕質(zhì)土路基幫寬施工過程中對路基及其上部動力性能提出了較高的要求。考慮到該高鐵工程施工恰好位于冬季凍土區(qū)，保持泡沫輕質(zhì)土材料基礎(chǔ)服役性能的基礎(chǔ)上，還必須進行凍融環(huán)境分層濕密度設(shè)計，以增強材料抗凍脹性能。為此，基床底層上下部泡沫輕質(zhì)土濕密度均應(yīng)增大50kg/m3。

2.5 水化熱控制

高速鐵路路基幫寬泡沫輕質(zhì)土施工前，考慮到水泥比表面積過大且上下層施工間隔太短，必然會加劇泡沫輕質(zhì)土水化熱溫度應(yīng)力的集中，引發(fā)熱通道及爆裂現(xiàn)象[3]，使水蒸氣從泡沫輕質(zhì)土孔隙中冒出，硬化后成為透水通道，破壞結(jié)構(gòu)整體性，甚至出現(xiàn)應(yīng)力結(jié)構(gòu)裂縫。為加強水化熱控制，首先，應(yīng)根據(jù)《鐵路混凝土》（TB/T 3275—2011）的規(guī)定將水泥進場前的比表面積嚴(yán)格控制在300～350m2/kg 范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)水化熱后形成熱通道病害；其次，應(yīng)嚴(yán)格控制施工時間間隔，待泡沫輕質(zhì)土達到硬化狀態(tài)、強度基本符合設(shè)計要求時，水化熱釋放量較大，此時不得展開下一層泡沫輕質(zhì)土澆筑施工，必須通過灑水養(yǎng)護的方式加速熱量釋放；最后，考慮到熱通道現(xiàn)象一般發(fā)生在相鄰泡沫輕質(zhì)土層澆筑時間間隔較短或溫度較高的情況下，而泡沫輕質(zhì)土爆裂則發(fā)生在澆筑時間過長的情況下，為此，應(yīng)將單區(qū)澆筑時間控制在1h 以內(nèi)，相鄰輕質(zhì)土層澆筑時間間隔不小于20h，待泡沫輕質(zhì)土初凝5h后灑水養(yǎng)護至少15h。

2.6 遠距離澆筑

該高速鐵路路基幫寬施工泡沫輕質(zhì)土采用泵送方式，為保證泡沫輕質(zhì)土性能，必須將泵送距離控制在400m 以內(nèi)。本工程鐵路路基施工不得影響既有線路正常運營，水泥罐不得靠近既有高速公路正線，放置在澆筑施工區(qū)以外的500～1 000m 處，無法泵送施工。為此，在水泥漿下方增設(shè)攪拌設(shè)備，將水泥漿泵送至攪拌設(shè)備中制備泡沫輕質(zhì)土。這種將水泥漿和泡沫輕質(zhì)土分開制備的方式能有效避免泡沫輕質(zhì)土遠距離泵送所出現(xiàn)的消泡問題，同時必須加強對泵送管的清理和防護，避免堵管、爆管。

3 施工質(zhì)量檢測

3.1 施工開始前

施工前主要檢測原材料及附屬材料的質(zhì)量，在膠凝材料和發(fā)泡劑進場前全面檢查材料種類、出廠日期、性能，并根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2020）相關(guān)要求進行膠凝材料強度復(fù)檢。根據(jù)檢測結(jié)果，發(fā)泡劑稀釋倍率至少為50 倍，pH 值為5～10，物理性能合格且穩(wěn)定，泡沫密度30～60kg/m3，20℃以下泡沫泌水率不大于60%，泡沫沉降距不大于10mm；通過基準(zhǔn)水泥進行泡沫輕質(zhì)土制備時拌和物沉陷率標(biāo)準(zhǔn)值不大于1%，濕密度變化率在±3%范圍內(nèi)。發(fā)泡劑檢測頻次應(yīng)為3 000L/1 次，袋裝水泥和散裝水泥檢測頻率分別為200t/1次和500t/次。

3.2 施工期間及硬化后檢測

施工期間則主要檢測原材料質(zhì)量控制及泡沫密度、濕密度、澆筑施工質(zhì)量。水泥、外加劑、水等材料的計量偏差不超出±2%，集料計量偏差不超出±3%，發(fā)泡劑計量偏差則不超出±5%。泡沫密度、濕密度及流值標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)分別為設(shè)計值、50kg/m3和175mm，允許偏差分別 為±25kg/m3、±2kg/m3、±15mm，檢測頻次均應(yīng)為400m3/1 次。施工期間如遇中雨及以上強度的降雨，不得暴露施工輕質(zhì)土；當(dāng)環(huán)境溫度超出38℃或低于5℃時不得澆筑泡沫輕質(zhì)土。

泡沫輕質(zhì)土達到硬化狀態(tài)后必須進行抗壓強度、泡沫密度等材料性能檢測，檢測結(jié)果見表3。經(jīng)檢測，泡沫輕質(zhì)土硬化后7d 和28d 抗壓強度、泡沫密度實測值、澆筑區(qū)域頂面高程、長寬誤差均符合規(guī)范要求。檢測結(jié)果還顯示，該高速鐵路路基幫寬泡沫輕質(zhì)土施工后路基基底應(yīng)力大幅減小，新建線路沉降變形及相鄰既有線路差異沉降得到有效控制，工程質(zhì)量和行車安全均有保證。

表3 泡沫輕質(zhì)土硬化后性能檢測結(jié)果

4 結(jié)語

通過對泡沫輕質(zhì)土在高速鐵路路基幫寬施工中應(yīng)用情況的分析，表明泡沫輕質(zhì)土路基填筑效果良好，能在保護既有路基、降低填土荷載的情況下消除幫填路基附加荷載對高速鐵路正線無砟軌道的不利影響，取得較好的施工效果。工程實踐表明，泡沫輕質(zhì)土施工材料還普遍適用于公路鐵路路基幫寬填筑、橋頭臺背回填、基坑回填、地下管線回填等方面，具有十分顯著的工程應(yīng)用效果。