線橋過渡段用水泥碎石的收縮特性及其影響分析

魏 強，趙國堂，劉俊飛

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038)

在級配碎石中摻入水泥得到的混合料，稱為水泥碎石。水泥碎石作為填筑材料在我國鐵路工程中的應用時間比較短，秦沈客運專線設計中提出在臺后2 m范圍內為提高壓實度可以予以使用，但實際工程中僅采用級配碎石進行填筑［1］。新建鐵路在過渡段范圍內使用級配碎石摻水泥作為填筑材料［2］，利用它剛性較大的性質，實現路堤與橋梁、涵洞及其他剛性結構的剛度過渡，為軌道結構的平順性提供保證。隨后在客運專線建設標準中，過渡段都采用了水泥碎石進行填筑。

京津城際鐵路采用CRTSⅡ型板式軌道，臺后需設置主端刺和摩擦板組成的錨固結構。由于把這種錨固結構當作橫向構筑物進行處理，在整個錨固結構區采用水泥碎石填筑以保持剛度均勻及過渡［3］。

過渡段和CRTSⅡ型板式軌道臺后錨固結構區水泥碎石中水泥摻量為3%～5%。而基床表層處由于要求較高，實際施工中水泥摻量更多地達到6%左右。由于鐵路使用水泥碎石經驗較少，在水泥碎石材料特性和施工質量控制方面還需要進一步深化［3］。

水泥碎石因其具有較高的強度和剛度、板體作用好及良好的水穩性在公路工程中已經得到廣泛的應用。公路工程中，水泥碎石大量用做路面下的基層或底基層材料，稱為水泥穩定碎石層或水穩層，或從其力學特征上稱為半剛性基層或貧混凝土，厚度為15～30 cm。水泥碎石受壓時具有良好的力學性能，從材料受力看，這些公路路面結構的剛度和強度都能滿足行車荷載要求。然而瀝青路面在正常使用期開裂仍是世界各國普遍存在的危害較嚴重的缺陷之一，也是一個迄今尚未解決的難題。我國不論南方還是北方的新建公路或高速公路，通車后1年—2年內均出現較多裂縫。這些裂縫中很大比例是基層首先發生收縮裂縫后在瀝青混凝土面層產生的反射裂縫，水進入后，在車輛荷載作用下裂縫中產生超孔隙水壓，同時車輪經過時裂縫產生剪切搓動，加劇裂縫擴展，進而加速基層和路面的破壞，產生擠漿、龜裂、沉陷等病害。同時，水分還可能下滲到路基，降低結構強度，導致道路承載力下降。路面宏觀裂縫一般表現為沿橫向開裂，大致呈直線，寬度在零點幾毫米到幾個毫米，縱向間距大致相同，具體則視路面結構、施工條件和使用環境等的不同由幾米到20、30 m不等［4-6］。這種裂縫一般起自基層頂面，基層處裂縫寬度大于路面處寬度并可能伴有基層破碎現象。

因此，水泥碎石材料除了具有優良的力學特性之外，暴露出的收縮裂縫問題需要高度重視。本文介紹了水泥碎石的收縮特性，對過渡段水泥碎石進行了抗裂分析，探討了水泥碎石收縮產生的影響，提出了減少水泥碎石收縮的措施。

1 水泥碎石的收縮特性

水泥碎石中的級配碎石是指顆粒組成符合級配要求，即粗、細碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，實質上類似于混凝土中粗細骨料的混合料。將水泥加在級配碎石中時，它就是水泥、粗骨料、細骨料和水四組份的普通混凝土，只是水泥摻量不大，并沒有填滿土顆粒間的孔隙，即膠結作用主要靠硅酸鈣和鋁酸鈣與礦物質顆粒表面的結合。因此，與一般混凝土相似，水泥碎石的收縮主要表現為干燥收縮和溫度收縮。

1.1 干燥收縮

水泥碎石中孔隙分凝膠孔、毛細孔、氣孔三種。一般認為，氣孔最小直徑為0.01 mm，孔中有自由水，這種水的增減不會引起體積變化，與材料的收縮無關。毛細孔尺寸比氣孔約小100倍，其中存在受毛細管力作用的可蒸發水。凝膠孔直徑則在納米級，約為水分子直徑的數倍，其中為吸附水，不易蒸發。毛細孔和膠凝孔中的水的遷移和形態變化與水泥碎石的收縮有著直接關系。

養護時間在2 h之內的水泥碎石一般按普通填料處理，通過碾壓達到要求的密實度。在這個時間段內水泥已經在干燥的空氣中硬化，隨著水分的減少，體積將收縮變形，如果2 h以后養護不及時，將會產生收縮裂縫。

水泥碎石的干縮機理也與混凝土類似。關于混凝土的干縮機理的眾多理論中，影響最大并被普遍接受的是POWERS T C等人研究提出的毛細管張力理論:在濕度很大的環境中，兩個固體顆粒表面吸附水層厚度大于凝膠孔直徑，吸附水對粒子存在一定的推力，并與粒子間引力達到平衡。當濕度降低時，推力減小，毛細孔水也開始蒸發，形成負壓，對孔壁產生壓應力，造成材料的收縮。當濕度再增大時，材料體積也會有一部分恢復。

水泥碎石產生干縮裂縫的原因與其水泥、水和級配碎石都有很大的關系。一方面混合料在凝結硬化過程中，水泥與水起水化反應，消耗大量的水分。水泥含量越高，則消耗的水分越多。另一方面，碎石集料表面也要吸附水，集料中的細料成分越多，表面吸附的水分就越多。再者，水泥碎石施工過程中，含水量越大，蒸發散失的水分就越多，就越易產生干縮裂縫。因此，水泥碎石的干縮量會隨著水泥含量和含泥量的增大而增大。同時，這種干縮會在一個相當長的時期內延續。當水泥碎石再次被水浸濕后，體積稍微恢復，在其再次干燥過程中會再一次收縮，可稱為第二次干縮。

干縮裂縫規律性較好，一般每隔幾米或幾十米會產生一道橫裂縫。

1.2 溫度收縮

水泥碎石的溫縮是固相、液相脹縮綜合作用的結果。首先，在混合料硬化初期，水泥水化放出較多的熱量，但散熱較慢，因此其內部溫度較高，使內部體積膨脹。而外部如遇氣溫急劇降低則冷卻收縮，內脹外縮相互制約，產生較大的應力。其次，水泥碎石中的固相成分本身就具有一定的熱脹冷縮性，其中黏土礦物和新生成的膠結物脹縮性較大。水泥碎石凝膠孔、毛細孔、氣孔中的液態水具有更大的熱脹冷縮性，液態水的熱脹冷縮使顆粒間產生相應的壓力和拉力，將造成材料體積變化。同時，溫度下降時毛細孔中水的表面張力增大，也會加劇材料的收縮性。當溫度低于冰點時，孔隙中的水凍結后體積膨脹，會造成材料的膨脹。水融化時，材料收縮。一旦應力超過其極限抗彎拉強度，將產生溫縮裂縫。溫縮裂縫多數是橫向分布。

2 過渡段水泥碎石抗裂的力學分析

在受力方面，材料收縮產生裂縫與材料的收縮應變ε、模量E、抗拉強度ft和約束條件有關。

當外部環境濕度、溫度降低時，水泥碎石外表面首先受到影響，影響程度由外向內逐漸減小。收縮變形也將從外表面開始，逐漸向內發展。當外部已經開始收縮，內部尚未變形的部分會對外部的變形形成約束。當收縮應變ε產生的拉應力超過材料抗拉強度，即滿足式(1)

此時，裂縫就從外表面向內開展。公路基層的水泥穩定粒料裂縫就是從受環境影響大的上表面開始發展的。

關于水泥碎石的模量和強度，鐵路相關規范中尚缺乏明確的指標。公路工程中，《公路工程質量檢驗評定標準》(JTGF80-1—2004)以7 d無側限強度作為基層水泥穩定粒料的力學檢測指標。而高速鐵路工程中，對過渡段處僅以 2 h內的 K30、Ev2、Evd等力學指標進行控制。例如，《客運專線鐵路路基工程施工質量驗收暫行標準》(鐵建設［2005］160號)及《新建鐵路300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》(鐵建設［2007］47號)對過渡段級配碎石填筑壓實標準為基床表層處K30≥190 MPa/m，Ev2≥120 MPa;基床表層以下K30≥150 MPa/m，Ev2≥80 MPa。

碎石添加水泥拌合后經過水泥水化等復雜的物理化學過程，材料的性質與不添加水泥的碎石有很大的差別。養生后的水泥碎石強度、變形模量都將大大高于無水泥的碎石材料。

在新建鐵路路橋過渡段進行了水泥級配碎石強度增長初期的連續Ev2現場檢測，結果見圖1。

與現場同配比和壓實度的水泥碎石材料6個試件(尺寸 φ150 mm×150 mm)保濕養生13 d后，每組3個試件，分兩組分別在室內晾干1 d和浸水1 d。進行變形模量和抗壓強度試驗，結果見表1。

圖1 水泥級配碎石靜態模量—時間關系

表1 水泥碎石壓縮試驗結果

從圖1可以看出，施工后水泥碎石變形模量一直處于增長之中，約7～10 d后增長速度趨緩。養生14 d時，現場Ev2檢測結果與室內試件壓縮變形模量試驗結果相當，遠高于相關規范提出的檢測指標80 MPa或120 MPa，而達到 1 GPa以上。同時，養生約 2～3 d后，動態模量Evd和地基系數K30都將因儀器量程或試驗方法限制而無法測出。這也說明，級配碎石與水泥級配碎石的剛度差異很大，而鐵路規范中的檢測指標僅能體現級配碎石的相關參數。

另一方面，室內試驗顯示，對保濕養生試件各進行僅1 d的晾干與浸水，將造成約0.7%的含水量差異。晾干與浸水的兩種試件抗壓強度和變形模量變化不大，顯示該材料的水穩性好。試件破壞時，有豎向裂縫發生，為脆性材料低圍壓下的拉裂縫，顯示該材料脆性大。一般情況下，低強度等級混凝土抗拉強度為抗壓強度的1/7～1/12，文獻［7］中水泥碎石材料也符合這個規律。可取本試驗中水泥碎石的抗拉強度ft=0.1 fc=0.6 MPa。同時，取其變形模量E=1.33 GPa。

以本試驗段為例，根據式(1)，該處水泥碎石允許收縮應變［ε］為

文獻［8］、［9］和［10］提供的數據顯示，水泥碎石的干縮系數，即單位含水量變化時的收縮應變約為72×10-6～120×10-6，能達到的最大失水率約 2% ～3%;水泥碎石的溫度收縮系數約為8.0×10-6～10.8×10-6/℃。水泥碎石失水率和干縮率隨暴露時間的增加而增加，齡期1個月內增加速度較快，1個月后增加速度漸慢，但收縮會在較長時間內持續。

根據以上數據估算，本試驗段材料的干縮應變將達2.2×10-4～6.5×10-4，僅干縮應變一項就已經接近或超出其允許收縮應變。當遇到較大溫度變化，或者反復的雨—晴循環造成第二干縮時，水泥碎石表面的開裂幾乎是必然。

3 水泥碎石收縮的影響

公路工程中，水泥穩定粒料基層的干縮主要發生在該層施工完畢，且瀝青面層尚未鋪的時間段內。瀝青路面鋪設后，水泥碎石被封閉在約12～30 cm厚的瀝青面層下，不直接受大氣溫濕度環境的影響，對它起到了一定的保護作用。然而，從實際工程中瀝青路面反射裂縫頻頻發生的現象看，未封閉期間水泥碎石層中一些可見或不可見的收縮裂縫已經出現，并在后期有所發展或在路面荷載下加劇擴展。

新建鐵路過渡段水泥碎石的應用，主要是發揮其膠凝成整體的特點，實現原設計搭板的作用，從而實現剛度的均勻過渡。一旦水泥碎石層產生裂縫，過渡段結構的整體性將有所減弱，從而對剛度均勻性帶來不利的影響。

3.1 錨固結構區水泥碎石裂縫影響分析

CRTSⅡ型板式無砟軌道臺后錨固結構的設置，水泥碎石的填筑區段將從原來過渡段的基床表層處不小于20 m延長到50 m以上。水泥碎石鋪設長度較小時，兩端自由的條件能夠吸收大部分收縮變形。鋪設長度增加后，兩端的影響減小，收縮產生裂縫的可能性將增加。

本文把錨固結構區水泥碎石劃分為3個區域(圖2)，分別對各區域收縮開裂的可能性和影響程度進行分析。

圖2 錨固結構區路基橫斷面

1)基床表層，即圖2中區域①。基床表層處設計一般為水泥碎石全路面鋪設，僅在軌道下有所覆蓋，施工后大面積長期暴露于大氣環境之中，直接受到大氣溫濕度變化的影響。因此，錨固結構區基床表層出現收縮裂縫的可能性非常大，值得特別注意。摩擦板下基床表層的水泥碎石在施工中實際上已被置換成混凝土而成為摩擦板的一部分。僅摩擦板外側仍保留有水泥碎石。這部分水泥碎石雖不在軌道板正下方，但距軌道較近，也將在一定程度上受到動載影響而使開裂的破壞程度加劇，但破壞造成的危害較小。

2)基床底層上部，即圖2中區域②。摩擦板下面幾個施工層的水泥碎石沿縱向被小端刺分割為僅幾米長的小段，增加了自由邊界，對水泥碎石變形的約束減小，同時該位置水泥碎石也被封閉在摩擦板下，后期產生收縮裂縫的可能性較小。但與公路基層相同，施工期產生裂縫的可能性仍然存在。此處水泥碎石直接承受軌道板和端刺摩擦板傳遞下來的列車荷載，一旦有裂縫產生，雨水將可能通過基床表層裂縫和摩擦板邊緣縫隙進入，由于水泥碎石的透水性差，水將長時間存留在裂縫中，列車強大的動荷載產生的超孔隙水壓將加劇路基的破壞，破壞造成的危害嚴重。

同時，端刺作為水平向受力結構，裂縫和路基的破壞對其縱向錨固作用也將產生不利影響。因此，摩擦板下的水泥碎石應嚴格防范收縮裂縫的產生，重點應防范施工期間的干縮裂縫。

3)基床底層下部及其以下路堤，即圖2中區域③。過渡段路堤設計一般在核心區外，即路堤兩側把水泥級配碎石用A、B組填料或改良土包裹，這將使核心區內部的水泥碎石自身的溫濕度基本保持恒定，起到抑制其收縮開裂的作用。這個區域不會發生后期的收縮開裂，受列車動荷載影響程度較低，造成危害的可能性較小。當然，若采用水泥或石灰改良土作為外露包裹體，改良土本身也存在收縮問題，但此處受列車荷載影響很小，局部的收縮開裂仍是可以接受的。但此處仍應盡量采用不存在收縮問題且透水性良好的A、B組填料。

另外，需要關注的是靠近臺背處水泥碎石因碾壓困難往往存在壓實度較低的現象，臺背與水泥碎石層之間容易產生空隙［3］。錨固結構在縱向力作用下將產生縱向位移，該空隙隨一年溫度變化將擴展或壓縮，臨近臺背的水泥碎石中裂縫將急劇擴大，帶來的不利影響將更大。

4 水泥碎石收縮開裂的預防

通過以上分析，端刺處水泥碎石最容易發生收縮裂縫的位置在暴露于大氣中的基床表層，而收縮裂縫一旦出現將產生較大危害的位置在摩擦板下的受力核心區。對這些位置水泥碎石的收縮應加以預防。

1)降低水泥、黏土含量，減少收縮性物質的存在。試驗表明［11］，水泥含量為5%者的干縮率比4%者稍大，而水泥含量為6%者的干縮率比5%和4%者多出許多;同樣，水泥含量越高，溫縮越大。級配碎石的最大顆粒對干縮和溫縮影響不大，但細顆粒越多，干縮和溫縮越大。具體措施包含有:保證碎石有良好的級配，控制0.075 mm的顆粒含量，使孔隙率減小，少用水泥;嚴格控制碎石的含泥量和泥塊含量不能過高;在滿足填料力學指標的情況下，水泥含量盡量小并采用強度等級較低、收縮系數小的水泥等。有研究表明以適量粉煤灰替代部分水泥對減小干縮也有一定的幫助［7］。

2)通過施工控制減小收縮。具體措施有:盡量選擇溫濕度適中的天氣進行施工，避開高溫晴天施工;對于后期封閉的水泥碎石，施工時的含水量可略高于最佳含水量1%左右;施工時及時采取灑水、土工布覆蓋等措施，做好保水養護，特別是7 d內的養護等［3］。

5 結語

過渡段水泥碎石層裂縫對整體性可產生不利影響，端刺處路基水泥碎石填筑范圍較長，暴露于大氣的基床表層容易產生收縮裂縫。摩擦板下基床底層上部的水泥碎石也存在收縮裂縫的潛在危險，設計和施工中應對這些問題引以重視。

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