摘要：针对泡沫轻质土这一轻质高强的高速铁路新型路基材料，研究其强度形成机理、路基控制标准与要求。结合一高速铁路路基帮填泡沫轻质土工程施工案例，得出泡沫轻质土路基施工关键参数。泡沫轻质土强度形成过程分为初始阶段、反应阶段、硬化阶段3个过程。通过原材料检验、工艺性试验、浇筑过程中控制与工艺改进等措施，确保浇筑的泡沫轻质土能够满足高速铁路路基对材料性能、结构形式、受力特征、耐久性指标的要求，从而提出了一套适用于高速铁路路基泡沫轻质土的理论和技术。
关键词：高速铁路；泡沫轻质土路基；控制标准；
1泡沫轻质土强度形成机理
泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。泡沫轻质土经物理化学作用硬化形成其作为轻质路基材料的服役强度，轻质土强度形成主要分为初始阶段（Ⅰ）、反应阶段（Ⅱ）、硬化阶段（Ⅲ）3个过程，强度形成曲线如图1所示。
图1泡沫轻质土强度形成曲线
1.1初始阶段
由泡沫与凝胶材料混合制备的泡沫轻质土被泵送到浇筑区时，为非稳态的“气-液-固”三相体系，其动力学稳定性取决于泡沫机械强度的维持时间。此时泡沫轻质土流动性良好，流值在160～190mm，尚不具有抗压强度，该过程持续1～2h。液膜外表面排列着表面活性剂分子，部分凝胶材料颗粒被吸附到液膜表面形成包裹层，部分凝胶材料颗粒散布在气泡间隙的浆液中。为保证泡沫轻质土的稳定性，需提高泡沫的稳定性，降低泡沫泌水率，保证气泡泡径小而均匀。
1.2反应阶段
伴随着浇筑过程的结束，在水泥水化作用下泡沫轻质土逐渐丧失流动性，由“气-液-固”三相体系状态向“气-固”两相体系状态转化，形成早期抗压强度，此过程持续8～14h。在该过程中，泡沫轻质土多相体系的稳定性从早期由液膜支撑逐渐过渡由水化凝胶材料骨架支撑。气泡液膜逐渐失水并被水化凝胶层取代的固泡过程和凝胶材料吸收浆体中的水分进行水化反应形成凝胶的稠化过程同时发生。为保证泡沫轻质土良好的孔隙结构，避免发生“塌模”，需延长泡沫稳定时间，提高稠化速度，并减少水化放热。
1.3硬化阶段
当泡沫轻质土抗压强度达到0.7MPa后，可浇筑下一层泡沫轻质土。此时泡沫轻质土的“气-固”两相体系状态基本稳定，孔隙结构基本形成，水化反应逐步减慢，抗压强度进一步发展，此过程至少持续28d。在泡沫轻质土硬化早期，其强度尚不能满足大型机械的碾压和振动，故须避免大型机械对硬化早期轻质土孔隙结构的损伤。同时做好泡沫轻质土的防水封闭措施，减弱水导致的泡沫轻质土的长期服役性能的劣化。
2泡沫轻质土路基控制标准与要求
2.1结构设计原则
路基主体工程应按土工结构物进行设计，设计使用年限应为100年。路基基床结构的刚度应满足将列车运行时产生的弹性变形控制在一定范围内的要求；其强度应能承受列车荷载的长期作用；其厚度应使扩散到其底层面上的动应力不超过基床底层土的长期承载力。
2.2强度与密度要求
路基是轨道的基础，同时承受动、静荷载作用。静荷载主要指路基上部轨道结构和附属构筑物作用于路基的荷载，轨道、列车和填土作用于地基的荷载。动荷载为列车通过轨道结构传递并作用于路基面的循环荷载。随着运行速度的提高，列车动荷载也随之增大。路基的上部受动力作用强烈的部分为基床。泡沫轻质土路基作为轨道基础的土工结构物，必须能够承受路基荷载作用及其他各种环境因素的作用并保持其设计寿命内的正常使用。
铁路路基（路堤结构形式）由基床表层、基床底层和路基本体（基床以下路堤）构成，其中基床表层厚度无砟轨道为0.4m，有砟轨道为0.7m，基床底层厚度为2.3m。
2.4耐久性指标
泡沫轻质土路基受到的长期作用主要包括荷载作用和环境作用。依据列车运行荷载、工程地质条件、气候环境等，对泡沫轻质土耐久性指标进行必要设计，以满足泡沫轻质土路基的长期服役性能。
3泡沫轻质土施工关键参数控制
结合一高速铁路路基帮填泡沫轻质土工程施工案例，对泡沫轻质土的施工关键参数进行控制，以确保泡沫轻质土检验品质。
3.1水泥比表面积
泡沫轻质土原材料进场后，须对其水泥比表面积进行检验，TB/T3275—2011《铁路混凝土》中要求水泥的比表面积为300～350m2/kg。水泥比表面积低于300m2/kg时水化反应活性较低，高于350m2/kg时拌和同样流值的轻质土用水量增加，在轻质土强度形成的第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段都会因为轻质土含水量过高造成不同程度的泌水现象，严重者造成泌水通道层或者泌水薄弱夹层，劣化轻质土的结构性能和受力性能。
3.2工艺性试验
泡沫轻质土施工前，应依据设计要求开展配合比试验，配合比试验选取施工用水泥、水、发泡剂、纤维、粉煤灰等，确定轻质土湿密度、流值、7d和28d无侧限抗压强度、湿密度增加率、标准沉陷率、设计耐久性指标。配合比试验完成后，仍须在现场浇筑区完成浇筑工艺性试验，消除现场大尺寸轻质土与实验室试验样品的误差，确定现场施工用配合比、原材料浇筑性能、浇筑层厚、浇筑时间间隔等施工工艺参数。
3.3水化热控制
在轻质土强度形成的反应阶段，主要是水泥水化硬化形成轻质土骨架结构。在该过程中若水化热释放过快，则影响气泡稳定性，加快液膜失水，加速气泡破裂，最终导致“塌模”质量事故；若水化热释放过慢，则影响
轻质土早期强度形成，延长第Ⅱ阶段持续时间，使得分层浇筑时间间隔延长，浪费工期。为保证泡沫轻质土浇筑质量，可采取以下措施：
①采用高稳定性发泡剂，生产泡径小而均匀的气泡，降低泡沫的温度敏感性，使其在强烈的水化反应下仍保持良好的稳定性；②掺加适量的粉煤灰，依据环境情况和水泥成分适当调整水化反应剧烈程度，粉煤灰的掺量宜在0～30%。
3.4支模分隔工艺
传统的大体积泡沫轻质土浇筑采用支木模分区浇筑，奇数区硬化后拆模浇筑偶数区，待偶数区硬化后重新对奇数区支模浇筑，无法实现连续式快速施工，导致分层浇筑时间间隔延长，浪费工期。通过砌筑加气混凝土块快速分区浇筑轻质土，可实现连续式快速浇筑施工，缩短浇筑时间间隔40%左右。加气混凝土块与泡沫轻质土材料、结构、受力性能类似，具有生产工艺成熟、价格相对较低、施工便捷等优点，可作为泡沫轻质土浇筑中木模分区替代工艺实现连续式快速分区浇筑施工。
结束语：
本文主要揭示了泡沫轻质土3阶段的强度形成机理，为泡沫轻质土施工控制提供理论依据。提出了轻质土路基从结构、工后沉降、强度与密度、耐久性指标等方面的具体要求。
结合案例，对水泥比表面积、工艺性试验、水化热控制、支模分区工艺等泡沫轻质土施工关键参数进行控制，为类似工程提供参考。
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论文作者:扈德志
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
标签：轻质论文; 泡沫论文; 路基论文; 水化论文; 荷载论文; 强度论文; 土路论文; 《基层建设》2019年第6期论文;