一种混凝土空心块在调控多年冻土路基温度中的应用 【技术领域】
本发明涉及一种用于调控和降低多年冻土路基温度的一种新型结构和措施。
背景技术
冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，按冻土保持时间的长短主要分为季节冻土(半月至数月)、多年冻土(一年以上)，其分布区域称为寒区。世界陆地面积的50％以上为寒区所覆盖，在我国寒区和多年冻土的面积分别占到国土面积的75％和21.5％。我国属世界第三冻土大国，而高海拔多年冻土面积则位居世界之最。
冻土不仅由于冰的存在其性质会较融土发生复杂和根本性的改变，而且在多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，更会形成厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。在广阔的多年冻土地区，蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源。由于资源开发，日益加剧的人类活动极易诱发厚层地下冰的融化和冻土环境发生变化，对人类工程建筑和自然环境带来严重影响、甚至灾害。随着全球气候的不断转暖，使得这一形式变得更加严峻。
我国兴建的青藏铁路、青藏公路工程项目以及将要进行的青藏高速公路、新藏公路、新藏铁路、南水北调西线工程都面临高温(即温度接近0℃的多年冻土)、高含冰量冻土(即体积含冰量基本超过30％的多年冻土)、气候转暖和多年冻土不断退化等诸多难题。如何解决好路基和基础与多年冻土的相互作用，保证路基和基础长期年稳定、确保工程建筑安全运营也就成为亟待解决的关键科学问题。
我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路国家重大工程项目，在以“冷却路基”科学思想地指导下，为积极保护多年冻土，达到冻土工程的长期稳定，紧密围绕各种工程措施进行了积极的探索和系统研究，并对其中应用较广的抛石路基降温的工程措施进行了系统的试验研究。抛石路基是路堤内部一定层面的位置铺设一定厚度和一定粒径的块石。随着外界季节的改变路堤内部的温度会发生周期性的变化，随之在路堤内部抛石层的上下界面产生一定的温度差异。其降温机理主要为：其一，当进入到冬季的时候，抛石上界面的温度就会低于下界面的温度，由于冷空气的比重大于热空气的比重，抛石层上端空隙中温度较低的空气在重力作用下就会向下运动，在抛石层内部产生对流换热，同时使得抛石层整体产生较为明显的导热过程。其二，当进入暖季的时候，抛石层上界面的温度高于下界面的温度，上端空隙中的空气由于比重相对下部较小，受热空气仅停留在原处，热量传递过程仅由热传导完成，由此使得抛石层整体的导热性能相对较低。由此可见，在不同季节的时间里，抛石层的整体导热性能会由于其空隙中存在对流与否，使得抛石层整体导热性能发生较大的变化，即具有可变等效导热系数的特性，总体表现为冬季的热传导性大于夏季的热传导性，最终使路堤的放热大于吸热，达到不断降低路堤内部温度场的目的。
赖远明等研究表明(青藏铁路抛石路基的温度特性研究，冰川冻土，2003年03期)，该种工程措施可以较为有效降低路基下部多年冻土温度的工程措施。研究同时发现，抛石路基的降温效能与抛石层上下界面的温差、抛石粒径都有一定的相关性。当临界条件难以满足的时候，抛石层的冷却效能难以发挥。青藏铁路的实际观测资料验证了该种分析，在一些相对较暖的冻土地区，路基下部多年冻土的温度并没有得到有效降低，有的甚至有升高的趋势。因此，针对其中主要问题，寻找一些有效降低多年冻土温度的工程措施，对于今后的多年冻土区工程建设具有重要的指导和借鉴作用。
【发明内容】
本发明的目的是根据上述青藏铁路应用较多的抛石路基存在问题提出一种用于调控多年冻土路基温度的新型结构的混凝土空心块。该种措施在充分分析现有科研成果和存在问题的基础上，提出了一种用于路堤内部、降温效能更为突出的降温措施。该种措施通过在路堤内部一定层面上铺设一定厚度的空心块，该种空心块可以有效改善上述提到的抛石路基内部的对流换热过程，降低对流换热的起始临界温度，增强暖季的隔热效能，使得整体空心块层的导热和隔热性能较抛石层提高很多，最终达到有效维护多年冻土和工程建筑的长期稳定的目的。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：
一种混凝土空心块，是由砂石、水泥拌水，注入模具而成的。铸成的空心块为立方、圆柱、长方体、表面有孔球体的几何体。
上述的立方体，其边长为6～30cm，壁厚为2～10cm。
上述的空心块可为圆柱体，圆柱体外半径为3～15cm，高为10～50cm，壁厚为2～10cm。
上述的空心块可为长方体，长方体底外边长为6～30cm，高为10～50cm，壁厚为2～8cm。
上述的空心块可为表面有孔球体，球体的外半径为3～15cm，壁厚为2～10cm。
上述空心块还可添加或由预制砖、陶瓷制品、工程塑料制成。
将一定厚度的这种混凝土空心块铺设于路堤一定的层面的位置上，可以有效调控和降低路基下部土体的温度，达到维护多年冻土和路基长期稳定的目的。
为了了解空心块工程措施的降温性能的优点所在，有必要从降温机理上与抛石路基进行对比分析。通过上述分析可以看到抛石层空隙中空气对流的存在与否是该层具有可变等效导热系数的特性的关键。在路堤放热状态下，空隙中空气对流强度决定了抛石层导热的程度，即在相对隔热性能一定的情况下，抛石层的导热性能决定了总体降温效能的大小。通过本专利申报人领导的科研小组研究发现，在放热状态下(上端面为冷端)，抛石空隙中空气对流强度的大小不仅取决于上下界面温差和抛石空隙度的大小，同时连通空隙的大小是其中更为重要的控制因素。在现有工程实践中都将抛石层置于路堤的底部，由于路堤基本维持在一个恒定的高度，因此，抛石层上下端面的温差也基本保持在相对稳定的数值，在该种情况下，抛石层连通空隙的大小就成为抛石路基整体降温效能的关键。在实际工程实践中，可以通过使用粒径较大、且粒径均一的块石来增大空隙的大小，但粒径过大不仅提高成本，而且难以施工，粒径均一也带来了施工难度，同时，通过增大粒径来增加空隙的大小也只能达到一定的程度。
从增加有效空隙的大小可以达到提高路基整体效能的出发，本发明针对该关键问题提出了由空心块代替实心块石的结构形式，不仅极大增加了空隙大小，最大程度增加空心块石层对流换热过程和整体的导热性能，而且在相对隔热状况下空心块石层的导热性能要低于实心块石层的导热性能。同时，空气对流的起始温差随着空隙的增大不断降低。
综上所述，通过对导热和隔热性能的分析，与相对抛石路基相比，空心块路基不仅在致冷效果上有了很大的提高，而且对起始工作条件有了较大程度的改善。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、相对现有抛石路基具有更为明显和有效降温效能。本发明通过：极大增加温度调控层空隙的大小，大幅提高放热过程控制层内部的对流换热过程；降低空气对流的起始温差，延长对流换热过程的时间；增加暖季相对隔热效能，这三个方面相对抛石控制层来说大为改善控温效能，从而可以有效、并在较大程度降低路基下部多年冻土的温度、维持冻土工程的长期稳定；
2、实施简便、造价相对较低。由于使用的材料主要为水泥、砂土，由于空心材料形状简单，可以在现场快速大量加工生产。由于空心为空心，其用料更为节省，工程成本较块石大为降低。以青藏铁路为例，由于青藏高原多年冻土区多为高平原，石料场远离施工现场，成型后的抛石路基，由于抛石层增加工程成本每公路约一千多万。如果使用该种空心材料，通过计算增加综合成本每公里约300万。通过室内计算分析，其强度高于现用于工程实践中保温材料层的强度，完全可以满足工程实践对该层强度的要求。
通过本发明与抛石路基对比，可以看到空心块路基结构措施相对抛石路基具有突出的性价比。
【附图说明】
图1是本发明立方体空心块示意图
图2是本发明长方体空心块示意图
图3是本发明圆柱体空心块示意图
图4是本发明表面有孔球体空心块示意图
图5是本发明在路基内部实施空心块层示意图
图6室内试验装置示意图
图7为抛石、空心块降温效果随时间变化曲线对比图
图8为抛石、空心块降温效果随时间变化平均曲线对比图
【具体实施方式】
下面结合附图，对本发明再作进一步的说明：
实施例1
通过野外现场加工或室内工厂生产将40％的水泥、60％的砂石混合，掺水搅拌均匀成浆料，充入模具凝固，一次成型呈空心立方体1。空心立方体1边长为120mm见方的立方体，壁厚为20mm(见图1)。
将一定厚度空心立方体按照一定的方式堆放在路堤一定层面位置，(见图5)。在堆放过程中每个空心立方体1之间会形成很多的空隙，同时空心单元体本身就有非常大的空隙，因此这种组合在达到一定厚度后不仅在冬季可以极大增加空心块内部的对流换热强度，增加对流换热时间，而且在夏季可以进一步增加该层的隔热效能，由此不断降低路基下部多年冻土的温度，对路基稳定性可以起到很好的保护作用。
实施例2
参照图3。取重量为40％的水泥和60％的砂石加水搅拌均匀，加工如同实施例1。制成外半径为40mm，高为50mm，壁厚为25mm的空心圆柱体2。将空心圆柱体2堆放在路堑的坡面，同样可以达到实施例1的效果。
实验例
室内试验结果对比
为验证该种技术的有效性，在中国科学院冻土工程国家重点实验室进行了室内小型模拟试验。该试验主要验证该种措施在降温效能的有效性，以及与抛石对比后的性能的差异。试验装置主要由试验箱、温度控制系统、数据采集系统组成(见图6)。其中试验箱四周由保温材料隔绝试验箱内部与外界的热量交换；温度控制系统由外接温度控制器和箱体内部顶端冷盘组成，通过设定，稳定控制器可以自动模拟工程实践中块石层顶部温度的正弦波动，设定中心温度为0℃，振幅为11℃；温度观测结果通过计算机控制，由DT500数据采集仪自动采集和存储。试验过程为，在前述试验控制系统下，分别在试验箱内放置同样尺寸的空心块和抛石，在经历了5个试验周期后，对比这两种介质底部温度的变化过程。
图7、8反映了抛石和空心块两种工程材料底部的温度观测对比结果。由图可见，空心块的降温效果明显优于抛石的降温效果，主要体现在，其一降温速率快，相对抛石可以在相对较短的时间内趋于稳定；其二降温值大，由平均温度可见空心块的趋近值为-3℃，而抛石的趋近值为-1.5℃。综合两者，空心块层的降温效能要高出抛石层1倍以上。