泡沫轻质土在寒冷地区路面中的应用
一、背景介绍
在我国很多寒冷地区, 特别是东北和西部高原地区, 由于其复杂的地质条件、多变的天气情况, 存在许多的冻土区, 在冻土区道路翻浆和地基冻融等病害突出, 修筑道路就必须面临冻胀和融沉等问题, 这些问题则直接导致了寒冷地区修路难、养护难。交通不便使其所蕴含的资源得不到开发和利用, 严重制约着寒冷地区的经济发展。本次设计分析了泡沫轻质土特性, 在充分了解其材料、力学性能的基础上, 再结合寒冷地区道路病害类型及原因, 以将其应用到寒冷地区路面设计中。这有利于提高寒冷地区道路建设质量和交通服务水平, 对其经济发展具有重大促进作用。
二、设计原理
本次设计的寒冷地区保温层路面共由四部分组成, 从下至上依次为原冻土层、泡沫轻质层、路基结构层以及路面结构层。路面结构层位于最顶部, 而最重要的也是设计的核心泡沫轻质层距离其底部约为0.8~2.0m。泡沫轻质层是由泡沫轻质土浇筑而成。在泡沫轻质土中, 我们通过优化配合比设计, 将其气泡的体积含有率控制在40%~70%, 尽量降低其容重。而且由于泡沫轻质土中的气泡各自独立不连通, 泡沫轻质土导热系数良好, 能达到的保温与隔热的目的, 当然它的抗冻融性能也很好。由于其良好的隔热保温的效果, 所以将其应有于加热层路面时, 它能够很好地隔绝冻土层和外界的温度传递、能量扩散, 因此可以有效地解决寒冷地区道路的冻胀等病害问题。
隔热路面结构示意图
三、材料性能
1、配合比设计
本次设计通过室内试验, 研究了泡沫轻质土的材料、力学特性, 为轻质土的合理应用提供依据。试验采用水泥标号为PO42.5R, 发泡剂采用国产蛋白类发泡剂, 试块制备和试验方法均按照我国现行相关规定。
试件配合比如下所示:
2、隔热性能、浇筑放热研究
为了设计出寒冷地区隔热保温路面, 我们主要需要研究不同建筑材料的导热性能的差异, 结果得出常用泡沫轻质土在6 k N/m3时的导热系数K为:0.1Kcal/m2.h.℃, 隔热性能良好, 气泡的含有率越高、容重越小隔热效果越好。泡沫轻质土浇筑完成后其中的水泥的水化热导致其温度上升, 且其导热率较小, 温度上升快, 下降较慢。
3、作为优选设计的材料, 泡沫轻质层需满足以下条件:
1) 泡沫轻质层应该设置在路面结构层下方0.8~2.0m的地方, 厚度应大于路面结构层的厚度
2) 泡沫轻质层中水泥应采用高热早强的R型硅酸盐或普通水泥。
3) 泡沫轻质层的发泡剂的发泡倍率不低于1200, 泡沫群标准密度应为50±2kg/m3。
4) 泡沫轻质土的气泡的体积含有率为40%~70%, 流值应为160-180mm。
5) 当温度低于10℃时, 拌合用水应加热使用。
四、结构设计
1、铺筑位置
设计轻质土的目的是保持地基温度的恒定, 我国寒冷地区的主要道路病害为地基的冻胀与融沉, 因此将泡沫轻质土设置于路面结构层的底部0.8~2.0m的位置, 这样设置的优点是埋置于地下便于施工, 无需搭设模板。并且有利于保持冻土的稳定和融化速度。
2、轻质土的厚度、宽度
由于泡沫轻质土自身的轻质、隔热保温性能, 采用50cm厚的轻质土保护层是最为合适。能达到对冻土地基的保护和控温作用, 轻质土的宽度与路基底部的宽度一致。由于冻土地基的融化热量主要来源于路面结构层的吸热, 因此只要切断路面结构层与地基的传热通道即可保持地基的稳定。
五、浇筑方法
在泡沫轻质层浇筑前, 应当做好相关的准备工作, 如场地施工清理, 并在施工段开挖基坑, 基坑处理完毕后在其内架设模板。接着, 将普通硅酸盐水泥和水通过水泥搅拌站充分混合成水泥浆, 发泡液则通过发泡装置生成泡沫, 而后使水泥浆与泡沫充分混合, 经由泵管输送至施工现场, 最大水平泵送距离不超过500m。泡沫轻质土泵送到现场时先检测泡沫轻质的湿容重, 检查其是否符合规范及设计要求后方可施工。
开始浇筑时, 采用泵管从中间向两端浇注, 浇筑时泵管需埋在泡沫轻质土内。待差不多浇注到预定高度时, 采用人工提起泵送管的方式, 平扫泡沫轻质土表面, 直到扫平浇注高度为止。随着浇筑的进行, 慢慢移动泵管, 重复之前的流程。
当完成浇筑后, 需要及时进行养护工作, 不能在刚浇筑完的泡沫轻质层内走动。由于泡沫轻质层内产生巨大的水化热, 导致其内外温差较大, 容易引起温度裂缝, 并且温度过高会使其表面水分蒸发过快, 导致其面层的强度降低。所以应采用覆盖土工布或塑料薄膜洒水进行保湿养护, 要求养护龄期不低于7天。养护完成后, 才可以接着由下到上依次铺设路基结构层和路面结构层。
另外要特别注意的是, 泡沫轻质层养护完成后, 为了避免其顶部因承受车辆的集中荷载和碾压而破坏其结构, 禁止大型机械如自卸车、推土机等直接在其顶部行走, 可以选择性的采取边推平、边卸料的前进方式进行路基层的摊铺和碾压。
五、结语
我国地域广阔, 气候多变。寒冷地区作为其中的一部分, 是我们日常生活中不可或缺和避免的。寒冷地区一般海拔较高、环境脆弱、生态情况恶劣、气候复杂多变, 这些问题严重影响着道路的设计、施工建设。本次设计通过在原有的普通道路结构中, 创新的加入泡沫轻质层来改变道路的隔热保温性能, 以达到防冻减灾的效果, 会对寒冷地区道路病害防治起到重要的作用。
摘要：在寒冷地区, 由于其地质情况复杂、气候条件恶劣、昼夜温差较大, 传统的施工工艺下的道路的质量和使用寿命大大缩减。本次针对寒冷地区的地质条件和气候特征, 设计出保温层路面, 其原理主要通过泡沫轻质土的隔热保温性能, 以此有效解决寒冷地区道路的冻胀病害等问题。
关键词：寒冷地区,泡沫轻质土,保温层路面
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